CNG-2環向纏繞氣瓶纖維纏繞殘余預應力的優化設計

由宏新 陳 營 蘇鏡元

（大連理工大學化工機械學院）

CNG-2環向纏繞氣瓶纖維纏繞殘余預應力的優化設計

由宏新*陳 營 蘇鏡元

（大連理工大學化工機械學院）

復合材料氣瓶壓力容器的纖維纏繞預應力對容器的性能有很大的影響，合理設計纖維預應力可提高復合材料容器的綜合性能。借助ANSYS有限元軟件，建立了帶有纖維纏繞殘余預應力的環向纏繞氣瓶的有限元參數化模型。在模型中，將纖維纏繞層視為復合材料層合板。按照GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》的規定，并結合各工況下應力水平的要求建立數學模型，對環向纏繞氣瓶的纖維纏繞殘余預應力進行優化，得到纖維纏繞殘余預應力的最優值，使內膽在工作壓力下有較低的應力水平，提高了氣瓶的可靠性。關鍵詞 復合氣瓶 纖維纏繞 預應力 優化設計 壓力容器

0 前言

壓縮天然氣 （CNG）汽車的發展非常迅速，車載高壓氣瓶是汽車的關鍵部件之一。鋼質內膽環向纏繞氣瓶是車載高壓氣瓶的主要發展方向之一，該類氣瓶具有質輕、強度高、氣密性好、可靠性高及生產成本低廉等優點[1-2]。因此對復合氣瓶研究具有十分重要的意義。

纖維纏繞是復合氣瓶的主要成型步驟之一，其中纖維預應力控制是一個比較重要的關鍵技術，對制品質量影響極大[3]。纖維預應力對復合結構的力學性能的影響，受到許多學者的關注。Cohen[4]采用實驗設計方法 （DOE）確定了在纏繞工藝過程中纖維預應力對纏繞結構力學性能的影響，發現提高預應力可有效地增加在纖維纏繞結構中的纏繞層的纖維體積百分比，從而提高結構的強度。Mertiny和Ellyin[5]通過試驗研究了預應力對玻璃纖維纏繞管的物理和力學性能的影響，試驗結果表明：試件的強度取決于纖維預應力的大小，對于以纖維占主導承載作用的結構，較高的預應力能夠提高其破壞強度；而對于樹脂作為主導承載作用的結構，減小預應力將能夠延遲其破壞。現有的一些纏繞預應力的公式[6-8]，都是先給定纖維的殘余預應力或內膽的預應力，然后經過計算得到纏繞時各層需施加的纏繞預應力，而對纖維的殘余預應力或內膽的預應力的研究都是在試驗中摸索。本文按照GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》的規定并結合各工況下應力水平的要求，對環向纏繞氣瓶的纖維纏繞殘余預應力進行了優化。

1 參數化建模

參數化有限元建模是應用ANSYS優化設計技術解決工程問題的關鍵，而要建立與考察對象的力學特性盡可能一致的有限元模型，是一項復雜而細致的工作。復合材料氣瓶是纖維在金屬內襯上以特定的纏繞工藝纏繞而形成的由金屬和復合層共同構成的結構，氣瓶的這種結構決定了有限元參數化建模的復雜性。

1.1 復合材料氣瓶結構

本文分析的氣瓶為某廠生產的CNG2-356-80-20B型環向纏繞復合材料氣瓶，容積80 L，內膽的直徑356 mm，厚度4.6 mm。纏繞帶的厚度0.285 mm，帶寬10 mm，層數16，纏繞角89°。內膽材料為30CrMo，纏繞層材料為158B-AB-450玻纖/環氧樹脂。

1.2 單元類型的選用

目前有很多研究中用SHELL 99單元和SOLID 95單元或SHELL 91單元和SOLID 95單元來建立復合氣瓶模型[9-10]。但是上述單元都無法描述纖維纏繞層的纏繞殘余預應力，通過比較分析單元特性，最終選SOLID 45單元來建立內膽模型，選SHELL 181單元建立復合材料層模型。其原因是SOLID 45單元可以建立三維實體結構模型，支持塑性和大變形等非線性行為；SHELL 181單元可以用來模擬多層結構殼模型，該單元具有應力剛化和強大的非線性功能，并有截面數據定義、分析、可視化、可施加預應力等功能。

1.3 網格劃分

在ANSYS前處理中建立了氣瓶幾何實體模型。對于內膽部分，采用SOLID 45單元，細化球形封頭與筒體的連接處的網格，采用映射網格劃分，保證單元形狀的規則，避免局部區域出現較大計算誤差。在劃分纏繞層部分時，假定同一個單元內部材料方向角是相同的，其處理的結果就是單元與單元之間的角度變化是不連續的，因此必須保證網格劃分足夠細，從而使有限元模型所反映的纖維纏繞角盡可能與實際情況接近，以提高分析精度。正交各向異性材料特性的方向由材料坐標系來規定，通過設置單元的材料主方向與單元坐標系的夾角來定義單元的材料坐標系，劃分時使SHELL 181單元的單元坐標系X軸為筒體的環向，Y軸為筒體的軸向，Z軸為筒體的徑向，設置纏繞層的纏繞角為[1°/-1°， 1°/-1°， 1°/-1°， 1°/-1°， 1°/-1°， 1°/-1°，1°/-1°， 1°/-1°]。 在劃分單元時， SHELL 181 單元的節點和內膽外表面SOLID 45單元的節點耦合在一起，假設內膽和復合材料纏繞層粘結牢固，層間不產生滑移。

最后得到的復合材料氣瓶的有限元網格模型如圖1所示，纏繞層的鋪層形式如圖2所示。該模型共有單元13 920個，其中SOLID 45單元有12 240個，SHELL 181單元有1 680個。

圖1 復合材料氣瓶的有限元網格模型

1.4 材料特性的定義

氣瓶內膽的材料為30CrMo，通過Von Mises屈服準則和材料各向同性硬化準則來模擬材料的彈塑性應力-應變關系。30CrMo的應力-應變關系參數是通過單向拉伸試驗確定的，確定30CrMo的屈服強度保證值為695 MPa，抗拉強度保證值為850 MPa。玻璃纖維采用3D正交各向異性來處理，抗拉強度保證值為1 100 MPa。表1與表2分別是內膽材料30CrMo和玻璃纖維158B-AB-450的基本力學參數。

圖2 復合材料氣瓶纏繞層的鋪層形式

表1 內膽和纖維纏繞層的力學參數

表2 158B-AB-450玻纖/環氧樹脂復合材料力學參數

1.5 邊界條件

在氣瓶模型的剖面上施加對稱約束，在氣瓶的接嘴端面施加等效拉應力，瓶底施加軸向位移為零的位移約束，纖維層施加殘余預應力T0，氣瓶內壁施加各工況下的壓力P。

2 優化分析

2.1 數學模型

根據GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》中的規定并結合各工況下應力水平的要求建立數學模型：

其中，F（X）定義為目標函數，是工作狀態下內膽的最大Mises應力seqv_max4，纖維纏繞殘余預應力T0為設計變量；自緊壓力下內膽的最大Mises應力seqv_max1、水壓試驗壓力下內膽的最大Mises應力seqv_max2、最小設計爆破壓力下內膽的最大Mises應力seqv_max3、最小設計爆破壓力下纖維層的最大拉應力s1_max1、最小設計爆破壓力下纖維的最大拉應力與工作壓力下纖維的最大拉應力之比fsr為狀態變量。

2.2 優化方法

ANSYS結構優化提供兩種算法，即零階近似算法和一階算法。零階近似算法是一種普適方法，不容易陷入局部極值點，但優化精度一般不高，多作為粗優化的手段。一階算法局部尋優的精度很高。本文同時采用兩種優化方法，先用函數逼近的零階算法初步求得最優解，然后再采用梯度尋優的一階算法對最優解進行更精確的確定。

2.3 優化過程

建立優化設計流程，如圖3所示。

圖3 復合材料氣瓶優化設計流程

2.4 優化結果

根據GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質內膽環向纏繞氣瓶》中的規定并結合各工況下應力水平的要求，對復合材料環向纏繞氣瓶優化前后的對比如表3所示。目標函數和設計變量的迭代曲線分別如圖4和圖5所示，總共迭代26次，第14次為最優結果。

表3 復合材料環向纏繞氣瓶優化結果

圖4 目標函數 （seqv_max4）迭代曲線

圖5 設計變量 （T0）迭代曲線

由表3可得，纖維纏繞殘余預應力的優化結果為46.571 MPa。隨著設計變量的增大，自緊壓力下內膽的最大Mises應力、水壓試驗壓力下內膽的最大Mises應力和最小設計爆破壓力下內膽的最大Mises應力都有所減少，但在最小設計爆破壓力下纖維層的最大拉應力變化不明顯。通過優化，工作狀態下內膽的最小Mises應力由448.14 MPa降低到433.57 MPa，明顯降低了復合材料氣瓶在工作狀態下的應力水平，優化效果明顯。

3 結論

采用ANSYS優化設計技術對環向纏繞復合材料氣瓶進行優化設計比較便捷、直觀，能夠得到纖維纏繞殘余預應力的最優值，使氣瓶在工作壓力下有較低的應力水平，給產品的設計提供了依據，提高了結構的可靠性，可有效地縮短產品設計周期和減少費用。

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[7] 丁保庚，楊福江.端部纏繞纖維張力狀態分析的有限元方法[J].玻璃鋼/復合材料，2001（3）：3-5.

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Optimal Design of Filament Wound Residual Prestress for CNG-2 Hoop-wrapped Composite Cylinder

You Hongxin Chen Ying Su Jingyuan

The reasonably filament wound prestress on composite material vessel， which havegreat influence on vessel’s capability， can improve the integrated performance of composite material vessel.Parametric finite element model of hoop-wrapped composite cylinder with filament wound residual prestress was established by ANSYS finite element program.In the model，the totals of filament wound layers were handled as composite laminate.According to the provisions of GB 24160-2009《Hoop-wrapped composite cylinders with steel liner for the on-board storage of compressed natural gas as a fuel for automotive vehicles》and the requirements of stress under operating conditions，mathematical model was established.This paper optimizes the filament wound residual prestress of hoop-wrapped composite cylinder and gets the optimal value of filament wound residual prestress，which makes the stress of liner under working pressure lower and improves the reliability of the cylinder.

Composite cylinder； Filament wound； Prestress； Optimal design;Pressure vessel

TQ 053.2

*由宏新，男，1963年生，碩士，副教授。大連市，116012。

2011-03-06）