论文总字数：15342字

摘 要

21世纪能源和环境问题日益严峻。由于清洁能源储存的需要，高压物理储氢已成功应用，其承压载体主要是高压气瓶。但传统的钢质无缝气瓶重量大，且存在金属氢脆等严重问题。其中轻量化是气瓶的主要发展方向，目前国内外开发了金属内胆碳纤维全缠绕的3型气瓶用于高压储存氢。本次设计的对象为35MPa碳纤维缠绕金属内胆车载气瓶，完成缠绕气瓶的瓶体及瓶口结构选型、材料选择、采用网格理论和有限元方法进行强度计算，提出制造与检测要求。

针对所研究对象，利用ABAQUS有限元软件，展开了以下工作：

1）利用故障树（FTA）方法，对碳纤维全缠绕3型气瓶的失效进行了分析。

2）参照GB-T11640-2001《铝合金无缝气瓶》对铝合金内胆进行了结构计算、选材。

3）根据经典网格理论，对纤维缠绕层进行了初步的设计，确定了其组合方式，缠绕角度及厚度。

4）参照美国DOT-CFFC，利用ABAQUS有限元分析软件，对气瓶在工作压力、水压和最小爆破压强下进行分析计算。结果表明，气瓶设计合理。

关键词：全缠绕 碳纤维 车载气瓶 ABAQUS 有限元

The design of 35MPa fully wrapped carbon-fiber reinforced metal lined cylinder

Abstract

In the 21st century, the energy and environment issues are becoming increasingly grim. Due to the need for clean energy storage, high pressure physical hydrogen storage has been successfully applied and the pressure carrier of physical hydrogen storage is mainly high pressure cylinders. The traditional steel seamless cylinders, however, are awfully weight and exist metal hydrogen embrittlement and other serious problems. In order to achieve lightweight goal, at home and aboard have designed and developed metal liner wrapped by carbon fiber cylinders for the storage of high pressure hydrogen. The object of my assignment is designing a metal liner car cylinder wrapped by carbon fiber and works in 35MPa. In this assignment, need to complete the cylinder bottle and bottle structure selection, material selection, strength calculation using of grid theory and finite element method and putting forward manufacturing and testing requirements.

1. In view of the research object, I use ABAQUS finite element software to do following work:
2. The failure mode of the composite gasket was analyzed by using the fault tree analysis method.
3. With reference to GB-T11640-2001 "aluminum alloy seamless gas cylinders", completed selection the calculation of the aluminum alloy structure .
4. Using the grid theory, the angle, thickness and winding mode of the fiber layer are designed.
5. According to the American DOT-CFFC, Using ABAQUS finite element analysis software, analyze and calculate the stresses of cylinder in the working pressure, water test pressure and minimum burst pressure condition. The results show that the cylinder design is reasonable.

Key words: Fully wrapped; carbon-fiber; vehicle hydrogen cylinders; finite element

第一章 绪论

1.1储氢气瓶的发展趋势和研究概况

随着社会经济的发展，能源匮乏和环境污染已经成为人类发展进程中的两大难题。氢作为一种零碳排放能源，具有广泛的来源。其热值高、污染小等优势，被视为当今最具发展前景的能源。因此，各国对氢能源的重视逐年上升。氢能的使用包含了氢的生产、运输、储存和应用等方面。而其应用的决定性因素是安全高效的储运技术。从过去到现在，氢能储运技术相对于生产技术的落后，安全性无法得到保障，严重制约了氢能源市场的开发，尤其在人们日常中的各类运输设备上的应用。

储氢气瓶从50多年前应用至今，从钢瓶到复合材料气瓶研发成功，实现了安全性好、可靠性高、质量轻的巨大转变。近年来，发达国家70MPa储氢复合材料气瓶已经进入示范使用阶段。3]。自2001年起，储氢气瓶的研发就被提上了日程。从“十一五”开始，我国又提出了一系列规划，随后开始研发35MPa复合材料气瓶。自此，国产高压储氢气瓶的研制步入正轨。

1.2复合材料压力容器概况

1.2.1复合材料气瓶的结构

设计计算中主要考虑内衬层和纤维缠绕层。气瓶内部为金属内衬，外部缠绕碳纤维予以增强。部分气瓶最外层再加上保护层以防止在应用过程中可能出现的物理损伤。

图1-1全缠绕气瓶示意图

I型瓶同等条件下重量很大 ，不能高效利用空间储氢，不是理想的储氢方式。Ⅱ型瓶是仅在金属内胆筒体段缠绕环向纤维予以增强重容比降低不明显；Ⅲ型瓶是在筒体和封头处皆有纤维缠绕予以增强，内衬理论上不承受载荷；Ⅳ型瓶在高压下，气体易从塑料内胆向外泄漏，且金属阀与非金属内胆的连接容易失效，难以确保气密性。因此，目前金属内衬全缠绕Ⅲ型瓶为学术界和工业界在高压储氢领域的主要研究方向。

1.2.2复合气瓶材料的选用

1.2.2.1内衬材料的选用

内衬直接与所装介质接触，其功用是密封 、承受压力、高温和耐腐蚀。所以，内衬所选用材料应具备良好的防渗透性、强度、韧性、耐温和抗腐蚀性等优点。目前工业上内衬常用的材料有塑料和铝两种。

铝内衬的优势：

1. 纤维缠绕气瓶用铝内衬是一种相对成熟的技术，已被采用30余年，目前在全球范围内有300万气瓶在服役着。
2. 旋压成型无缝铝内衬在气瓶领域的应用，气体的泄漏的潜在可能可以有效的杜绝。且氢气在高压下也不能渗透铝板，因此铝内衬可以保证气瓶气密性。
3. 铝内衬稳定性好，当高压气体在短时间内排放后，不易出现垮塌的状况。
4. 铝的性能受温度影响较小。当瓶内压强快速减小时，温降可能会有40摄氏度，铝可以不被极端温差影响。
5. 对于复合材料气瓶，采用铝内衬稳定性好，抗冲击性强。相同条件下，铝内衬可以有较大的受损而继续使用，比塑料性能更好
6. 铝内衬复合气瓶比塑料内衬的质量小，由于相同条件下，塑料内衬要缠绕更多的增强纤维。

铝内衬的不利因素：

1. 复合材料气瓶用铝内衬价格高。
2. 新规格铝内衬研制周期长

塑料内衬的优势：

1. 经济性更好，塑料内衬要比相同条件的铝内衬便宜很多，但是塑料内衬所需金属接头价格更高。
2. 在高压条件下，疲劳寿命长，通常可以充放十余万次。
3. 抗腐蚀性好。塑料内衬几乎不与任何介质发生反应。

塑料内衬的不利因素：

1. 塑料抗碰撞强度低。塑料内衬对纤维层没有增强刚度的作用。因此需增加缠绕层厚度，还需在最外层增加保护层。
2. 氢气可以渗透塑料。塑料内衬气瓶应当采用合适的材料和厚度使渗透量小于规定值。但不适用于储氢，且储存的甲烷气体中不能含有氢分子。
3. 内衬与复合层之间出现配合失效。因为短时间内释放气体或者树脂基体收缩可能导致内衬与纤维缠绕层的剥落。
4. 低温对塑料性能影响较大。当气瓶短时间内释放完气体，内部温度会减低超过40℃，极端温差导致内衬开裂失效。
5. 相同储气要求下，塑料内衬通常要比金属内衬更重

1.2.2.2缠绕层材料的选用

纤维增强层一般选用碳纤维或玻璃纤维作为缠绕材料。具备高强度、高模量特征的纤维材料运用特定方法缠绕成型的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻，而且良好的工艺性和使用性能让储氢气瓶具有更广阔的应用空间。

玻璃纤维的应用由来已久，是一种较为成熟的材料。它具有强度大、延伸率好、经济性优等优势。然而其不足也显而易见，弹性模量小、密度大、比刚度低等。通常采用高强度的玻璃纤维在气瓶最外层缠绕数层作冲击保护层。

碳纤维是将聚丙烯晴纤维经过两次碳化热处理制得。由于比强度、比模量相对较高，所以力学性能非常优异，被各领域广泛运用。

选择适当的树脂材料，要求树脂基体与碳纤维的匹配性好，其组合必须有很好的延伸率，以确保气瓶能够正常制造和使用。

1.2.3复合材料气瓶的成型工艺

纤维缠绕工艺是指将纤维用树脂浸胶，遵循特定的缠绕方法绕在内衬上，随后升高温度进行固化处理，最后进行相应的调整。纤维缠绕成型工艺可按树脂基体所处的化学物理状态不同分为湿法缠绕，半干法缠绕和干法缠绕[8]。其中，湿法缠绕应用最为普遍，干法缠绕仅应用于尖端技术领域。纤维缠绕的线型根据在内衬上的角度方向不同，可具体分为：螺旋缠绕、纵向缠绕（平面缠绕）和环向缠绕三类。如图1-2

图1-2 纤维缠绕线型示意图

1.3复合材料气瓶的标准

我国氢气瓶相关的标准规范较为落后，目前所拥有的标准仅适用于 30MPa储氢，因此新的标准亟待制定

1.4本次课题研究内容

1. 根据气瓶设计容积和缠绕工艺，对复合气瓶的结构进行设计，确定内衬的结构参数。运用网格理论对纤维增强层的缠绕角度和厚度进行设计[10]。
2. 建立碳纤维全缠绕复合气瓶的模型，利用有限元分析软件ABAQUS，选择合适的分析步、场变量、载荷、约束、相互关系以及撒种划分网格，对在各种情况下（零压、工作压力、水压试验压力、最小爆破压力）的模型进行分析计算。并将计算结果与美国DOT-CFFC标准进行对比评价。
3. 研究自紧原理，采用有限元软件仿真模拟计算，对自紧工况进行分析，并提出相应的优化方案以确定最后的缠绕工艺。

第二章 复合材料氢气瓶失效模式及分析

2.1故障树分析（Fault Tree Analysis）简介

此次课题复合材料气瓶失效模式分析采用的是故障树分析法（Fault Tree Analysis），简称FTA，是安全系统工程当中最重要的分析方法。，FTA在各个领域得到了广泛的应用。虽然目前FTA分析方法还不是特别完善，仍有很大发展空间。但FTA的应用范围不断扩大，逐渐被科研人员用在不同的领域中，其发展前景非常乐观。

FTA的特点：（1）故障树分析法是一种从整体到局部，最后到基本细节，是一种由上至下散射的分析法。最上从顶事件开始，通过逻辑符号连接中间事件和基本事件，最后形成倒置的树状图，来分析故障事件。（2）故障树分析法对于系统故障不仅可以进行定性分析，还可以进行定量分析；不仅分析由单一原因所引起的系统故障，还可以分析多个原因不同模式故障而产生的系统故障情况[12]。（3）FTA是一种逻辑分析法也可以理解为一种逻辑算法，随着计算机技术的发展，人们尝试用计算机解决更多的逻辑问题。而FTA就非常适合与计算机搭配工作，两者的结合让人们的生产效率更高。

2.2 复合气瓶失效模式故障树图

本次设计针对复合材料层不同部位展开分析。

图2-1 复合材料气瓶失效分析前两级分类

图2-2 内胆瓶体开裂失效模式分析

图2-3 螺纹失效模式分析 图2-4 纤维强度不足失效模式分析

图2-5 树脂基体变形开裂失效模式分析

2.3 复合材料气瓶失效基本事件分析

排除生产设计过程中可能出现的基本原因事件。考虑到本次设计气瓶为车载氢气瓶，一般存放于车辆后备箱中，故可能经常出现的事故为碰撞（追尾）和极端温度（一般为高温）。

1）对于碰撞，可能会导致瓶体的过大变形以及碳纤维的破损。若较大变形出现在瓶口处，非常容易导致螺纹连接失效导致泄漏，而车辆后备箱中是较为封闭的环境，气瓶所装介质氢气为爆炸极限范围很大的气体，故非常容易引起化学性爆炸；若出现于筒体和封头，非常容易导致碳纤维断裂（在生产实践中，碳纤维材料的抗冲击性能差也是一大课题），局部纤维断裂后，气瓶上的作用力失衡，会使气瓶产生更大的变形，非常容易引发物理性爆炸。

2）对于极端温度，一般车后备箱易出现极端高温。从故障树分析可以看出，高温最直接的有可能会产生超压和纤维层树脂基体大变形。若高温直接导致超压，一般不会超压至直接导致瓶体爆破失效，只是气瓶要在非正常工作压力下长时间工作，可能会影响输出氢气的稳定性；在实际生产生活中，碳纤维材料制品经常会因高温产生纤维未受大外力而直接破损，如碳纤维羽毛球拍、网球拍等环形封闭结构碳纤维产品在汽车后备箱因高温断裂。而碳纤维缠绕气瓶也是环形封闭结构，产生较大热变形后，没有多余空间释放而产生很大应力，最终导致碳纤维缠绕层失效。

综上所述，在车载氢气瓶的使用中应注意温度、冲击保护和车厢氢气浓度的检测并采取一定措施预防可能发生的事故。

第三章 复合材料气瓶结构设计

3.1前言

复合材料气瓶的设计中包括内衬结构以及增强纤维层的计算。设计内衬，首先需要考虑气瓶的容积、压强以及现场使用的限制，而且结构尺寸还要与纤维缠绕工艺所用的缠绕角度、节点数相匹配。纤维层设计时，将利用网格理论完成初步计算，确定环向缠绕层所需厚度以及螺旋缠绕层厚度。

3.2气瓶技术指标

设计容积：V=90L

设计工作压力：P=35Mpa

水压试验压力：P_试=60Mpa

爆破压力：P_b=120Mpa

此次课题基于美国DOT-CFFC《铝内衬碳纤维全缠绕复合气瓶的基本要求》进行设计[13]。该标准中，规定内衬筒体部分由环向缠绕和螺旋缠绕共同组成，封头方向的强度仅由螺旋缠绕层保证，且每层只允许有一个纤维类型；最大水容积不得超过200pounds(90.7L);在70℉（21.1℃）时，工作压力不得超过5000psi(35Mpa),水压试验压力为工作压力的1.67倍,最小爆破压力为3.4倍工作压力。

3.3气瓶内衬的设计

3.3.1内衬封头设计

纤维缠绕增强的气瓶常见的封头有三种；平面缠绕封头、椭圆封头和等应力封头。平面缠绕封头适用于长径比偏小的内胆。全缠绕的气瓶，封头常用的为椭圆形封头和等应力封头[14]。

等应力封头是理论上最理想的封头形式。纤维上各处的应力都相等，纤维强度能得到充分地发挥。但是等应力封头存在较为明显的缺点，从封头赤道圆至极孔，纤维厚度不断累积并且被架空，其应力状态会偏离等应力状态。考虑到本次设计体积较大，需要缠绕层数较多，故采用椭圆形封头。

椭圆形封头能较好的解决极孔附近纤维堆积现象。压力容器使用的封头一般长径比不大于2.5。在GB-T11640-2001《铝合金无缝气瓶》中推荐，采用椭圆形封头时，长径比a/b2。

综合考虑，取长径比为

3.3.2内衬极孔设计

内衬极孔接嘴处的壁厚和底部封头的厚度都要满足在爆破压力下的强度需求和工作压力下的疲劳要求。内衬极孔接嘴部分如图3-1所示

图3-1 内衬瓶口接嘴示意图

按瓶嘴处强度条件设计：

按瓶嘴处疲劳条件设计：

根部圆角半径:

复合气瓶内衬材料选取铝合金6061，T6热处理。其屈服强度为296Mpa，拉伸断裂强度为330Mpa，许用拉应力为94Mpa。

按强度条件设计瓶嘴处厚度：3.92mm；按疲劳条件设计瓶嘴处厚度：2.55mm。选取t₀=t₁=10mm

参照GB-T11640-2001《铝合金无缝气瓶》，为与现行的通用气瓶截止阀相配合，选取M28瓶嘴内螺纹。

3.3.3内衬筒体设计

内衬筒体的实际主要有筒体直径和长度的设计。在体积确定的前提下，选取合适的内径，进而确定筒体长度。再由纤维缠绕线性表选取适当的参数，对长度进行微调，使之与纤维缠绕工艺相匹配。

气瓶容积与内衬筒体、筒身段的长度关系为

封头容积：

筒身段容积：

总容积：

式中D为筒体直径，t为内衬筒身段的厚度，t1为封头底端厚度。

内衬筒体段大概长度确定后，要对容积进行微调，使长度适应于缠绕工艺。缠绕工艺的要求要保证纤维在内衬表面位置稳定、不打滑、不架空，这就要求纤维螺旋缠绕的线型是测地线[16]。

对于椭圆封头曲面，其测地线方程：

内衬筒身段转过的角度为

内衬两端封头转过的角度为：

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