復合材料車用氣瓶設計及驗證

董貝貝

復合材料車用氣瓶設計及驗證

董貝貝

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

復合材料氣瓶相比于傳統氣瓶有易于加工、密度低、強度高等諸多優點，當車用氣瓶選擇復合材料制作時，會實現整車輕量化，并且可以降低能耗。文章設計了一個容積為30 L的復合氣瓶，根據網格理論計算方法和實際加工要求設計內膽和增強纖維的基本尺寸，并且利用有限元分析軟件ABAQUS對氣瓶進行強度分析，驗證所設計復合材料氣瓶的合理性。文章可以對復合材料車用氣瓶的設計提供一定的參考。

復合材料；車用氣瓶；結構設計；有限元分析

近年來，汽車尾氣排放對環境造成的污染現象日益嚴重，其加速了無污染車用能源的研發進展。新能源的儲存卻有一定的困難，因此，對于氫氣等新能源儲存方式成為研究重點，同時此研究也使得氣瓶在汽車上的應用不斷增加。復合材料車用氣瓶相比于普通氣瓶有易加工、密度低、強度高等諸多優點，同時隨著技術的發展有了更多的設計方法，不僅局限于理論計算，也可以進行有限元分析和優化技術。

研究學者對復合材料車用氣瓶作了大量研究。傅強[1]研究了輕質高壓儲氫容器的設計方法，采用鋁內膽作為纖維的基礎，并且以網格理論進行氣瓶設計?，F在復合材料車用氣瓶儲存天然氣的方式主要分為壓縮天然氣（Compressed Natural Gas, CNG）氣瓶和液化天然氣（liquefied Natural Gas, LNG）氣瓶[2]。CNG氣瓶儲存高壓氣體，LNG氣瓶儲存液態燃料。高龍士[3]總結了CNG氣瓶的國內外發展情況，研究車用復合材料CNG氣瓶如何通過建模反映其結構特征。王靜嫻[4]進行了大容積全纏繞復合材料氣瓶設計方法研究，利用有限元分析對氣瓶的爆破和疲勞失效進行了模擬仿真。高二盼[5]進行了復合材料LNG車載氣瓶有限元分析與研究，利用ANSYS軟件，通過編程和子程序建立熱力耦合的有限元模型。何朋飛[6]依據網格理論設計了碳纖維纏繞壓力容器的結構，通過筒身直徑與螺旋纏繞線型芯?？傓D角的函數關系，計算出纖維纏繞螺旋和環向層的厚度與角度。

本文研究的主要內容是根據氣瓶的基本設計要求確定氣瓶內襯材料，并利用薄殼理論對復合材料氣瓶封頭封尾進行設計，確定長短軸之比，設計內襯筒身。其次利用網格理論和正交三維彈性理論進行纏繞層設計，設計完成后利用ABAQUS軟件對復合材料氣瓶強度進行分析。

1 復合材料氣瓶的材料

1.1 內襯材料

復合氣瓶的內襯材料主要有金屬內襯和塑料內襯兩種。

金屬內襯是一個整體，沒有接口，只要接嘴閥完好就可以封閉內部氣體。金屬內襯材料強度高、韌性好，但其常用的鋁內襯價格高，制造工藝復雜。

塑料內襯的價格比金屬要低得多、耐腐蝕，但密封性較差，強度低于金屬內襯。同時在溫度變化大的情況下，塑料會由于溫度影響變脆，極易受到沖擊裂開。

1.2 纖維纏繞復合材料

復合材料氣瓶的主要承載部分是外部纏繞的纖維層，纖維材料為提高氣瓶的整體強度必須要有足夠抵抗材料損壞的能力。目前，玻璃纖維、碳纖維、凱芙拉纖維三種纖維材料在市場上使用非常廣泛。

玻璃纖維是最早使用的一種纖維，雖然存在彈性模量小、密度大、比剛度低的缺點，但具有強度高、延伸率大、抗沖擊性能好等特點，非常適合做氣瓶內襯的外保護套。

碳纖維的強度高、密度小，作為氣瓶的增強纖維層，可以降低氣瓶的質量。

凱芙拉纖維是一種芳香族聚酞胺有機合成纖維，其比強度非常高，比模量和碳纖維接近，經常應用于輕質方面要求高的領域。

2 復合材料氣瓶結構設計

2.1 復合材料氣瓶基本參數

根據《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》（GB 24160—2016）和《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》（GB 17258）的規定，選擇氣瓶容積為30 L，工作壓力為25 MPa。由工作壓力、試驗壓力和爆破壓力三者之間的大小關系可以算出試驗壓力為1.5=37.5 MPa；爆破壓力=3.4=85 MPa。

2.2 內襯設計

1.內襯封頭設計

式中，m、θ分別為軸向和環向應力；、分別為長短軸半徑；為橢球殼上任意點距橢球殼中心軸的距離。

由式（1）可知，環向應力最大值在=0處，最小值在=處，在封頭與筒身連接部的應力為

2.內襯接嘴設計

根據《鋁合金無縫氣瓶》（GB T11640—2021），氣瓶接嘴內螺紋選用M18×1.5，復合材料內襯選用鋁合金6061-T6。材料數據如表1所示。

根據鋁合金無縫氣瓶的加工工藝，取氣瓶接嘴外徑為32 mm，滿足強度和疲勞條件。

表1 材料數據

3.內襯筒體設計

若使纖維在芯模表面均勻布滿，纖維纏繞芯模轉角需滿足

若使纖維纏繞后在芯模表面位置穩定、不打滑，就要求纏繞在芯模表面上的每條纖維都是相應曲面的測地線。對于筒身段，任意纏繞角的螺旋線都是測地線，封頭測地線方程為

式中，為測地線與封頭曲面子午線夾角；0為極孔圓半徑；為測地線與子午線交點平行圓半徑。

根據纖維纏繞穩定性條件，可以推算出單程線芯模轉角的計算公式為

式中，為筒身段纏繞芯模轉過的角度；為封頭纏繞芯模轉過的角度；0為筒身段纖維纏繞角；為筒身段的長度；為筒體半徑；為筒身半徑；為封頭高度，n=2t。

在實際纏繞過程中，必須按照實際情況調整n與n兩值相等。

本文氣瓶設計過程中，氣瓶體積已知，根據《鋁合金無縫氣瓶》（GB T11640—2021）對氣瓶封頭的設計要求，設計氣瓶筒身段內襯厚度= 3.5 mm，氣瓶內襯橢球部分薄壁厚度逐漸緩慢變厚，封底厚度為8 mm。內膽接嘴長度為28 mm。內襯的總容積是接嘴、圓柱筒段、橢球封頭三部分容積之和。

3) 對景也從一個側面體現出文化的滲透，它反映出特定階級的思想文化與價值觀念，它是一種符號、一種意象，記錄了一座城市的歷史.

根據經驗，復合氣瓶筒長和筒徑比值為2～4，這時圓柱筒徑范圍為190 mm～253 mm，綜合纖維纏繞要求，選取纏繞時切點數為3，芯模轉角為480°。計算可得筒身直徑=217 mm，筒身長度=672 mm。

2.3 纏繞層設計

在設計氣瓶纖維增強纏繞層時，需假定該產品參數滿足網格理論基本要求，可以按照其理論進行設計。同時采用設置補強的方法防止封頭在承受壓力時發生變形，使用補強系數，一般為1.05～1.4，本文取1.3。網格理論公式為

式中，f90為環向纏繞纖維厚度；為氣瓶內半徑；為纖維爆破壓力；fb表示纖維發揮強度；為螺旋纏繞角；fθ為螺旋纏繞層纖維厚度。

本文使用的纖維材料為碳纖維T700S，其許用應力σ=1 820 MPa，取碳纖維的纖維強度轉換率=0.8、fb=0.8σ，計算可得螺旋纏繞角=8.48（取整8）、環向纏繞層厚度f90=6.27 mm（取6.3）、螺旋纏繞層厚度fθ=4.2 mm。

3 復合材料氣瓶有限元分析

3.1 復合材料氣瓶模型建立

1.創建part模塊

在part模塊中，根據復合氣瓶尺寸畫出二維草圖，繞中心軸旋轉得到復合氣瓶三維殼單元模型圖，如圖1所示。

圖1 氣瓶模型圖

2.設置復合材料鋪層

因為本文設計的復合氣瓶內襯厚度為3.5 mm、環向纏繞纖維總厚度為6.3 mm、螺旋纏繞纖維總厚度為4.2 mm，所以設定在圓柱筒部分單層環向纖維厚度為0.63 mm、單層螺旋向纖維厚度為0.42 mm，都為10層?？備亴訛?1層：第一層為3.5 mm厚的內襯層，后面是兩層0.42 mm的螺旋纏繞層，鋪層角度為8°，接兩層厚度為0.63 mm的環向纏繞層，鋪層角度是90°。圓筒段筒身鋪層如圖2所示。

圖2 筒身鋪層

圖3 模型分割圖

在第一段模型中，設置復合材料的幾個方向，原本復合材料的鋪層方向應該是封頭母線的發現方向，但是為了簡化方向設置操作，將方向定為母線與模型的兩端圓面交點的連線方向，而每層材料的加鋪方向就是與這兩點連線垂直向外的方向。內襯層在這一段中加厚0.2 mm，螺旋纏繞層每層加厚0.02 mm。角度這一段根據相應的輪廓圓半徑增加到10°。接下來的幾段模型的內襯厚度每段增加0.2 mm，纖維每層厚度增加0.02 mm，角度也發生相應變化，到第十段的時候，第一層鋪層的厚度變為5.5 mm、螺旋纖維的單層厚度變為0.62 mm、纏繞角增加到80°。若是均勻增加到頂頭，角度會變成90°，但由于是分段考慮整段分析，將整段角度設置為80°。封頭與封底成對稱關系，模型切割的段數相同，每段的角度和各個材料層的厚度也相同，分別對其進行材料鋪層。

3.劃分網絡

對建立的氣瓶模型進行網格劃分，在ABAQUS軟件中選擇mesh模塊，創建網格種子。為使本文所建模型可以盡量將纖維在封頭的變化反映出來，將種子的距離改為3.4 mm，保證網格大小合適，確定后進行自由網格劃分，可以得到劃分好網格的模型。筒身段的分析相對簡單，因此，可以將網格劃分相對大一些，來減少工作運行時間。

4.建立分析步和場輸出施加載荷

網格建好后，對模型進行裝配，然后建立分析步創建場輸出，對整個模型和每一段模型的復合材料層進行場輸出，輸出stresses和strain。在初始分析步驟中以內襯接嘴和中心軸為邊界條件，在氣瓶內壁法線方向分別施加25 MPa（工作壓力）、37.5 MPa（試驗壓力）和85 MPa（爆破壓力）的壓力。

3.2 復合材料氣瓶有限元結果分析

復合氣瓶分析是結合最大應力失效準則對軟件分析結果進行判斷。由ABAQUS軟件對本文中設計的復合氣瓶進行有限元分析。

在模擬正常工作時，對氣瓶施加了25 MPa壓力，此時內襯應力云圖中受到的最大壓力為 276.7 MPa，作用在封頭上，沒有超過該材料的極限強度。螺旋纖維層和環向纖維的最大應力為 523 MPa，小于纖維的許用應力。

在試驗壓力下，對氣瓶施加37.5 MPa的壓力，此時內襯受到的最大壓力為290 MPa，作用在封頭上，沒有超過該材料的極限強度。在外面的纖維層的最大應力為1 145 MPa，沒有超過纖維極限應力。

在試驗壓力下對氣瓶施加85 MPa的壓力，此時內襯受到的最大壓力為318 MPa，作用在封頭上，沒有超過該材料的極限強度。在外面的纖維層的最大應力為1 310 MPa，沒有超過材料的纖維極限應力。

4 結論

本文主要對復合材料壓力容器進行設計和分析，忽略氣瓶的厚度，將其視作一個薄殼體，設計了一個容積為30 L的復合氣瓶，內襯選用鋁合金，增強纖維層使用碳纖維，根據網格理論計算方法和實際加工要求設計內膽和增強纖維的基本尺寸，利用有限元分析軟件ABAQUS對氣瓶進行強度分析。在ABAQUS軟件中建立復合氣瓶模型，利用將模型區切割成若干段的方法來實現氣瓶封頭部位變厚度分析，盡可能使軟件分析符合氣瓶實際工作環境。

通過有限元分析，得出所設計的復合材料車用氣瓶符合要求。同時復合材料車用氣瓶相較于傳統氣瓶易于加工、密度低，可以實現整車的輕量化，因此，所設計復合材料車用氣瓶具有實際應用價值。

[1] 傅強.輕質高壓儲氫容器整體優化設計[D].杭州:浙江大學,2004.

[2] 董寧.車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶的設計與制造[J].低溫與特氣,2016,34(6):22-26.

[3] 高龍士,馮剛.復合材料CNG氣瓶的結構設計與研究[J].工程塑料應用,2012,40(1):1-4.

[4] 王靜嫻.大容積全纏繞復合材料氣瓶設計方法研究[D].太原:太原理工大學,2015.

[5] 高二盼.復合材料LNG車載氣瓶有限元分析與研究[D].大連:大連理工大學,2017.

[6] 何朋飛.碳纖維纏繞壓力容器結構設計及其有限元分析[D].武漢:武漢工程大學,2018.

Design and Verification of Composite Materials Vehicle Gas Cylinder

DONG Beibei

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China）

Compared with traditional gas cylinders, composite materials gas cylinders have many advantages such as easy processing, low density and high strength.When the vehicle gas cylinders are made of composite materials, and the whole vehicle lightweight will be realized and energy consumption can be reduced. In this paper, a composite cylinder with a volume of 30 L is designed,according to the grid theoretical calculation method and the actual processing requirements, the basic dimensions of the liner and reinforcement fiber are designed. The finite element analysis ABAQUS software is used to analyze the strength of the cylinder to verify the rationality of the designed composite cylinder. This paper can provide some reference for the design of composite materials vehicle gas cylinder.

Composite materials; Vehicle gas cylinder; Structural design; Finite element analysis

U466；TG435+.1

A

1671-7988(2023)03-74-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.014

董貝貝（1999—），女，碩士研究生，研究方向為載運工具運用工程，E-mail:2020122078@chd.edu.cn。