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伴隨著國(guó)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(dǎo)致的空氣污染問題越來越嚴(yán)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(jìn)復(fù)合材料的快速發(fā)展以及纏繞鋪放成型工藝的改進(jìn)和完善，其成本逐年降低，車用壓縮天然氣(CNG)氣瓶在國(guó)內(nèi)外已得到大量使用。
近20年來，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)氣瓶的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的有限元分析以及實(shí)驗(yàn)研究。GotsisPK等對(duì)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(jìn)行了分析，并且討論了該容器的極限損傷問題。陳汝訓(xùn)根據(jù)網(wǎng)格理論對(duì)復(fù)合材料壓力容器封頭殼體進(jìn)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(jì)算公式。KabirMZ把氣瓶?jī)?nèi)襯作為一個(gè)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，研究了容器封頭應(yīng)力的分布。鄧京蘭等研究了CNG-3和CNG-4型氣瓶的優(yōu)缺點(diǎn)，通過纏繞理論和制造工藝技術(shù)設(shè)計(jì)了不同爆破壓強(qiáng)的纖維增強(qiáng)塑料氣瓶。ZuL等基于非測(cè)地線研究了環(huán)形壓力容器的纏繞線型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝分析，評(píng)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(yīng)用ALGOFEAS有限元分析系統(tǒng)對(duì)鋁合金內(nèi)襯全纏繞復(fù)合材料天然氣氣瓶的預(yù)緊壓力進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研究了復(fù)合材料氣瓶的疲勞壽命。張國(guó)研究了纖維纏繞張力對(duì)氣瓶?jī)?nèi)襯的影響。段成紅等采用有限元法分析了復(fù)合氣瓶的爆破問題，按最大應(yīng)力準(zhǔn)則和最大應(yīng)變準(zhǔn)則分別預(yù)測(cè)了爆破壓強(qiáng)。
對(duì)于纖維纏繞車載CNG氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我國(guó)復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)比較少，很多企業(yè)都參考國(guó)外的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)。本文根據(jù)薄膜理論、網(wǎng)格理論，采用美國(guó)DOT-CFFC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了70L纖維纏繞車載CNG氣瓶，并應(yīng)用有限元軟件對(duì)氣瓶進(jìn)行了模擬仿真計(jì)算分析。
復(fù)合材料氣瓶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括內(nèi)襯設(shè)計(jì)和纖維纏繞層設(shè)計(jì)。內(nèi)襯作為纏繞的芯模，對(duì)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(shè)計(jì)不僅僅要依據(jù)結(jié)構(gòu)容積還應(yīng)結(jié)合纏繞線型完成最終設(shè)計(jì)。內(nèi)襯選用鋁合金6061，回火條件T6；纖維纏繞層增強(qiáng)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(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：
裝氣容積：V=70L；工作壓強(qiáng)：20MPa；試驗(yàn)水壓：30MPa；爆破壓強(qiáng)：68MPa；使用溫度：-40～65℃；疲勞次數(shù)：≥7500。
在壓力容器制造技術(shù)中，常常采用受力分布較均勻、存儲(chǔ)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(zhǎng)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(dāng)m=1時(shí)，封頭為球形，其封頭處應(yīng)力處處相等σφ=σθ，但是其空間利用率不高；當(dāng)m=槡2時(shí)，橢球封頭端部環(huán)向應(yīng)力等于零；當(dāng)m＞2時(shí)，端部環(huán)向?yàn)閴簯?yīng)力σθ＜0；當(dāng)m＜2時(shí)，端部為拉應(yīng)力σθ＞0；當(dāng)m→∞時(shí)，橢球殼變?yōu)槠桨�，其受力性能最差，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(guān)。封頭與筒身連接處(端部)的位移大小由2-μ-m2決定。當(dāng)2-μ-m2＞0，即端部向外擴(kuò)張，此時(shí)m＜1.3；當(dāng)2-μ-m2＜0，即端部向內(nèi)收縮，此時(shí)m＜1.3；當(dāng)2-μ-m2=0，端部無位移。綜上分析，綜合考慮封頭強(qiáng)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(shè)計(jì)參數(shù)主要包括：封頭橢球比、筒體直徑以及筒身長(zhǎng)度。在氣瓶容積以及封頭橢球比確定的前提下，氣瓶?jī)?nèi)襯幾何尺寸可由筒體直徑和筒身長(zhǎng)度決定。
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