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伴隨著國家汽車工業(yè)的高速發(fā)展，能源的巨大消耗和尾氣排放導致的空氣污染問題越來越嚴重，而以壓縮天然氣為燃料的清潔能源汽車，能夠極大地緩解能源緊缺和空氣污染這兩大問題。近年來，隨著先進復合材料的快速發(fā)展以及纏繞鋪放成型工藝的改進和完善，其成本逐年降低，車用壓縮天然氣(CNG)氣瓶在國內(nèi)外已得到大量使用。
近20年來，國內(nèi)外諸多學者對氣瓶的設計進行了大量的有限元分析以及實驗研究。GotsisPK等對承受內(nèi)壓的纖維纏繞壓力容器的破壞過程(包括損傷的發(fā)生、發(fā)展、傳播、破壞)進行了分析，并且討論了該容器的極限損傷問題。陳汝訓根據(jù)網(wǎng)格理論對復合材料壓力容器封頭殼體進行了承載能力分析，研究了纖維纏繞殼體爆破壓力和圓筒壁厚的計算公式。KabirMZ把氣瓶內(nèi)襯作為一個理想化的塑性材料，將纏繞層視為彈性材料，采用先漏后破壞作為設計標準，研究了容器封頭應力的分布。鄧京蘭等研究了CNG-3和CNG-4型氣瓶的優(yōu)缺點，通過纏繞理論和制造工藝技術設計了不同爆破壓強的纖維增強塑料氣瓶。ZuL等基于非測地線研究了環(huán)形壓力容器的纏繞線型的優(yōu)化設計和工藝分析，評估了環(huán)形壓力容器纏繞線型軌跡的穩(wěn)定性。黃再滿等應用ALGOFEAS有限元分析系統(tǒng)對鋁合金內(nèi)襯全纏繞復合材料天然氣氣瓶的預緊壓力進行了設計，研究了復合材料氣瓶的疲勞壽命。張國研究了纖維纏繞張力對氣瓶內(nèi)襯的影響。段成紅等采用有限元法分析了復合氣瓶的爆破問題，按最大應力準則和最大應變準則分別預測了爆破壓強。
對于纖維纏繞車載CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設計，我國復合材料壓力容器的設計制造標準比較少，很多企業(yè)都參考國外的設計制造標準。本文根據(jù)薄膜理論、網(wǎng)格理論，采用美國DOT-CFFC標準設計了70L纖維纏繞車載CNG氣瓶，并應用有限元軟件對氣瓶進行了模擬仿真計算分析。
復合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)設計包括內(nèi)襯設計和纖維纏繞層設計。內(nèi)襯作為纏繞的芯模，對纏繞線型鋪放的厚度、角度起著決定性的作用，所以內(nèi)襯的設計不僅僅要依據(jù)結(jié)構(gòu)容積還應結(jié)合纏繞線型完成最終設計。內(nèi)襯選用鋁合金6061，回火條件T6；纖維纏繞層增強材料選用碳纖維T700-24K，基體選用E-42環(huán)氧樹脂。
纖維纏繞車載CNG氣瓶設計的主要技術指標如下：
裝氣容積：V=70L；工作壓強：20MPa；試驗水壓：30MPa；爆破壓強：68MPa；使用溫度：-40～65℃；疲勞次數(shù)：≥7500。
在壓力容器制造技術中，常常采用受力分布較均勻、存儲空間利用率高的橢球形封頭。在橢球形回轉(zhuǎn)殼體中，橢球比(長短軸比)m是影響橢球封頭受力和變形的重要參數(shù)由上可知，當m=1時，封頭為球形，其封頭處應力處處相等σφ=σθ，但是其空間利用率不高；當m=槡2時，橢球封頭端部環(huán)向應力等于零；當m＞2時，端部環(huán)向為壓應力σθ＜0；當m＜2時，端部為拉應力σθ＞0；當m→∞時，橢球殼變?yōu)槠桨澹涫芰π阅茏畈�，所以平板在壓力容器中最不常見。綜上分析，橢球比越接近1，其封頭受力越均勻。
由上式可知，徑向位移與橢球比的平方有關。封頭與筒身連接處(端部)的位移大小由2-μ-m2決定。當2-μ-m2＞0，即端部向外擴張，此時m＜1.3；當2-μ-m2＜0，即端部向內(nèi)收縮，此時m＜1.3；當2-μ-m2=0，端部無位移。綜上分析，綜合考慮封頭強度和位移要求，可選取橢球形封頭，封頭的橢球比取2。
內(nèi)襯筒體的設計參數(shù)主要包括：封頭橢球比、筒體直徑以及筒身長度。在氣瓶容積以及封頭橢球比確定的前提下，氣瓶內(nèi)襯幾何尺寸可由筒體直徑和筒身長度決定。
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