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有限元分析時氣瓶容積與內襯筒體直徑、筒身段長度的關系，內襯的直徑與筒身的長度不是隨意選取的，要考慮纖維纏繞工藝的要求。要保證纖維在芯模表面位置穩定、不打滑、不架空，這就要求螺旋纏繞的線型是測地線。根據纖維纏繞測地線方程，我們可以根據以下公式計算出纖維纏繞一周芯模所轉過的轉角θ。
根據壓力容器長徑比要求以及車載CNG氣瓶使用約束條件，取筒身直徑范圍為260～350mm，則纖維繞氣瓶纏繞一周芯模的轉角范圍為484.96°～932.80°。通過查纖維纏繞線型表，選取2切點，芯模轉角為600°的纖維纏繞線型。將轉角代入上式可求得筒身直徑D=310mm，進而可得筒身段長度L1=858mm，氣瓶總長L=1118mm(尺寸取整)。設計出的氣瓶內襯幾何結構如下圖所示。
對于圓柱形壓力容器，纏繞工藝的基本線型有：螺旋纏繞、環向纏繞、平面纏繞、縱向纏繞。本車載氣瓶纖維纏繞層采用螺旋纏繞和環向纏繞相結合的方式，其中封頭部分只有螺旋纏繞，筒體部分為二者相結合纏繞。
將已知量σf=1339MPa，r0=30mm，Ｒ=155mm帶入上式，求得螺旋纏繞角度為11.15°，環向纖維厚度為9.64mm，螺旋纖維厚度為6.64mm。
選擇合適的單元類型是正確仿真分析的前提。本文內襯選用solide95單元，復合材料層選用shell181單元。鋁合金6061和T700/環氧樹脂具體力學性能參數見表1和表2。由于氣瓶是對稱結構，所以取氣瓶的1/4結構建模，在模型內襯剖面上施加對稱約束，接嘴口外端施加軸向約束。按照DOT-CFFC標準，氣瓶內表面分別施加各種工況壓力，即工作壓強為20MPa、試驗水壓為30MPa和最小爆破壓強為68MPa。
對于復合材料壓力容器的分析方法，鋁內襯主要是分析Mises應力是否符合設計要求，纖維纏繞層主要分析橫向、縱向和面內剪切應力是否符合設計要求。通過ANSYS仿真計算得到各工況下氣瓶內襯、纖維層的應力云圖如圖3至圖14所示。
通過分析ANSYS仿真模擬和計算結果可得：
(1)工作壓強下，內襯的最大VonMises應力在筒身段，最大應力為144MPa，小于鋁合金屈服極限的60%(177.6MPa)，纖維層的縱向應力最大為264MPa，遠小于碳纖維/環氧樹脂材料的許用應力(1339MPa)，完全滿足DOTCFFC標準對工作壓力下內襯許用應力的要求；最大位移為0.734mm(小于3mm)，滿足穩定性要求；
(2)試驗壓強下，內襯的最大VonMises應力在筒身段，內襯最大應力為216MPa，纖維層的縱向最大應力在筒身段，其應力值為396MPa，均滿足其許用應力值；最大位移為1.101mm(小于3mm)，滿足穩定性要求；
(3)爆破壓強下，內襯屈服，其最大應力為300MPa，小于內襯極限強度330MPa，纖維層縱向最大應力為1001MPa，小于纖維許用應力1339MPa；工作壓力下纖維層最大應力為264MPa，小于爆破壓力下纖維層最大應力的30%，滿足DOT-CFFC標準對纖維應力比的要求。
本文通過對纖維纏繞車載CNG氣瓶的結構設計及其有限元分析，可得出以下結論：
(1)依據薄膜理論和網格理論設計的氣瓶滿足DOT-CFFC標準的工程設計要求；
(2)實現ANSYS參數化編程語言(APDL)對復合材料氣瓶的仿真分析，可大大縮短氣瓶的設計周期，節約設計成本；
(3)有限元分析過程中，對氣瓶的仿真分析與氣瓶的實際生產工藝、受力狀態有差異，還需實驗進一步驗證，不斷完善纖維纏繞車載CNG氣瓶的結構設計。
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