復(fù)合材料車用氣瓶設(shè)計及驗證

董貝貝

復(fù)合材料車用氣瓶設(shè)計及驗證

董貝貝

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

復(fù)合材料氣瓶相比于傳統(tǒng)氣瓶有易于加工、密度低、強度高等諸多優(yōu)點，當車用氣瓶選擇復(fù)合材料制作時，會實現(xiàn)整車輕量化，并且可以降低能耗。文章設(shè)計了一個容積為30 L的復(fù)合氣瓶，根據(jù)網(wǎng)格理論計算方法和實際加工要求設(shè)計內(nèi)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(shè)計復(fù)合材料氣瓶的合理性。文章可以對復(fù)合材料車用氣瓶的設(shè)計提供一定的參考。

復(fù)合材料；車用氣瓶；結(jié)構(gòu)設(shè)計；有限元分析

近年來，汽車尾氣排放對環(huán)境造成的污染現(xiàn)象日益嚴重，其加速了無污染車用能源的研發(fā)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(yīng)用不斷增加。復(fù)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(yōu)點，同時隨著技術(shù)的發(fā)展有了更多的設(shè)計方法，不僅局限于理論計算，也可以進行有限元分析和優(yōu)化技術(shù)。

研究學者對復(fù)合材料車用氣瓶作了大量研究。傅強[1]研究了輕質(zhì)高壓儲氫容器的設(shè)計方法，采用鋁內(nèi)膽作為纖維的基礎(chǔ)，并且以網(wǎng)格理論進行氣瓶設(shè)計。現(xiàn)在復(fù)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(tài)燃料。高龍士[3]總結(jié)了CNG氣瓶的國內(nèi)外發(fā)展情況，研究車用復(fù)合材料CNG氣瓶如何通過建模反映其結(jié)構(gòu)特征。王靜嫻[4]進行了大容積全纏繞復(fù)合材料氣瓶設(shè)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(fù)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(jù)網(wǎng)格理論設(shè)計了碳纖維纏繞壓力容器的結(jié)構(gòu)，通過筒身直徑與螺旋纏繞線型芯模總轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系，計算出纖維纏繞螺旋和環(huán)向?qū)拥暮穸扰c角度。

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

1 復(fù)合材料氣瓶的材料

1.1 內(nèi)襯材料

復(fù)合氣瓶的內(nèi)襯材料主要有金屬內(nèi)襯和塑料內(nèi)襯兩種。

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

塑料內(nèi)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(nèi)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?jīng)_擊裂開。

1.2 纖維纏繞復(fù)合材料

復(fù)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(nèi)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(zhì)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(jīng)常應(yīng)用于輕質(zhì)方面要求高的領(lǐng)域。

2 復(fù)合材料氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 復(fù)合材料氣瓶基本參數(shù)

根據(jù)《車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶》（GB 24160—2016）和《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》（GB 17258）的規(guī)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(guān)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(nèi)襯設(shè)計

1.內(nèi)襯封頭設(shè)計

式中，m、θ分別為軸向和環(huán)向應(yīng)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(huán)向應(yīng)力最大值在=0處，最小值在=處，在封頭與筒身連接部的應(yīng)力為

2.內(nèi)襯接嘴設(shè)計

根據(jù)《鋁合金無縫氣瓶》（GB T11640—2021），氣瓶接嘴內(nèi)螺紋選用M18×1.5，復(fù)合材料內(nèi)襯選用鋁合金6061-T6。材料數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)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(shù)據(jù)

3.內(nèi)襯筒體設(shè)計

若使纖維在芯模表面均勻布滿，纖維纏繞芯模轉(zhuǎn)角需滿足

若使纖維纏繞后在芯模表面位置穩(wěn)定、不打滑，就要求纏繞在芯模表面上的每條纖維都是相應(yīng)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(jù)纖維纏繞穩(wěn)定性條件，可以推算出單程線芯模轉(zhuǎn)角的計算公式為

式中，為筒身段纏繞芯模轉(zhuǎn)過的角度；為封頭纏繞芯模轉(zhuǎn)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(diào)整n與n兩值相等。

本文氣瓶設(shè)計過程中，氣瓶體積已知，根據(jù)《鋁合金無縫氣瓶》（GB T11640—2021）對氣瓶封頭的設(shè)計要求，設(shè)計氣瓶筒身段內(nèi)襯厚度= 3.5 mm，氣瓶內(nèi)襯橢球部分薄壁厚度逐漸緩慢變厚，封底厚度為8 mm。內(nèi)膽接嘴長度為28 mm。內(nèi)襯的總?cè)莘e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(cè)面體現(xiàn)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(jù)經(jīng)驗，復(fù)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(shù)為3，芯模轉(zhuǎn)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(shè)計

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

式中，f90為環(huán)向纏繞纖維厚度；為氣瓶內(nèi)半徑；為纖維爆破壓力；fb表示纖維發(fā)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(yīng)力σ=1 820 MPa，取碳纖維的纖維強度轉(zhuǎn)換率=0.8、fb=0.8σ，計算可得螺旋纏繞角=8.48（取整8）、環(huán)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(fù)合材料氣瓶有限元分析

3.1 復(fù)合材料氣瓶模型建立

1.創(chuàng)建part模塊

在part模塊中，根據(jù)復(fù)合氣瓶尺寸畫出二維草圖，繞中心軸旋轉(zhuǎn)得到復(fù)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(shè)置復(fù)合材料鋪層

因為本文設(shè)計的復(fù)合氣瓶內(nèi)襯厚度為3.5 mm、環(huán)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(shè)定在圓柱筒部分單層環(huán)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。總鋪層為21層：第一層為3.5 mm厚的內(nèi)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(huán)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(shè)置復(fù)合材料的幾個方向，原本復(fù)合材料的鋪層方向應(yīng)該是封頭母線的發(fā)現(xiàn)方向，但是為了簡化方向設(shè)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(nèi)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(jù)相應(yīng)的輪廓圓半徑增加到10°。接下來的幾段模型的內(nèi)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(fā)生相應(yīng)變化，到第十段的時候，第一層鋪層的厚度變?yōu)?.5 mm、螺旋纖維的單層厚度變?yōu)?.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(shè)置為80°。封頭與封底成對稱關(guān)系，模型切割的段數(shù)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(wǎng)絡(luò)

對建立的氣瓶模型進行網(wǎng)格劃分，在ABAQUS軟件中選擇mesh模塊，創(chuàng)建網(wǎng)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(wǎng)格大小合適，確定后進行自由網(wǎng)格劃分，可以得到劃分好網(wǎng)格的模型。筒身段的分析相對簡單，因此，可以將網(wǎng)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(wǎng)格建好后，對模型進行裝配，然后建立分析步創(chuàng)建場輸出，對整個模型和每一段模型的復(fù)合材料層進行場輸出，輸出stresses和strain。在初始分析步驟中以內(nèi)襯接嘴和中心軸為邊界條件，在氣瓶內(nèi)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(fù)合材料氣瓶有限元結(jié)果分析

復(fù)合氣瓶分析是結(jié)合最大應(yīng)力失效準則對軟件分析結(jié)果進行判斷。由ABAQUS軟件對本文中設(shè)計的復(fù)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(nèi)襯應(yīng)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(huán)向纖維的最大應(yīng)力為 523 MPa，小于纖維的許用應(yīng)力。

在試驗壓力下，對氣瓶施加37.5 MPa的壓力，此時內(nèi)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(yīng)力為1 145 MPa，沒有超過纖維極限應(yīng)力。

在試驗壓力下對氣瓶施加85 MPa的壓力，此時內(nèi)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(yīng)力為1 310 MPa，沒有超過材料的纖維極限應(yīng)力。

4 結(jié)論

本文主要對復(fù)合材料壓力容器進行設(shè)計和分析，忽略氣瓶的厚度，將其視作一個薄殼體，設(shè)計了一個容積為30 L的復(fù)合氣瓶，內(nèi)襯選用鋁合金，增強纖維層使用碳纖維，根據(jù)網(wǎng)格理論計算方法和實際加工要求設(shè)計內(nèi)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(fù)合氣瓶模型，利用將模型區(qū)切割成若干段的方法來實現(xiàn)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(huán)境。

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

[1] 傅強.輕質(zhì)高壓儲氫容器整體優(yōu)化設(shè)計[D].杭州:浙江大學,2004.

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

[3] 高龍士,馮剛.復(fù)合材料CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究[J].工程塑料應(yīng)用,2012,40(1):1-4.

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

[5] 高二盼.復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)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。