文 献 综 述

课题研究背景：目前，人类越来越意识到必须解决的一个现实问题是如何防止地球环境恶化。人口的增长和城市工业化进程的加速促进化石燃料使用量的增加，这样导致空气中的二氧化碳含量增高及气温升高。为了应对气候变化及环境污染，各种天然气汽车、液化石油气汽车、氢燃料电池汽车被开发出来。为了减轻这些汽车的燃料储罐自重、增加储量，复合材料逐渐被广泛使用在这些车载气瓶中。

课题目的与意义：随着科技的发展，当今世界上新材料的发展趋势是多样化和复合化，复合材料作为一种先进的工程材料，以其具有高比强度、比模量、耐高温抗腐蚀、抗疲劳性好、可设计性强等优异性能，在航空航天与民用领域都具有重要和广泛的应用。与传统材料相比，复合材料具有的可设计性、复合材料结构的多层次性为复合材料及其结构设计带来了极大的灵活性，复合材料的力学性能和机械性能都可按照结构的使用要求和环境条件要求，通过组分材料的选择匹配、铺层设计及界面控制等材料设计手段，最大限度的达到预期目的，以满足工程设备的使用性能。近年来，我国也在对铝胆复合气瓶进行研制，并逐步推广使用。本课题研究纤维缠绕复合材料气瓶的失效及优化设计。复合气瓶是压力容器的一种，由于压力容器工作时承受不同的压力载荷及局部应力比较复杂、接触腐蚀性介质、高温或深冷等因素的共同作用，因此，压力容器是一种比较容易发生事故的特种设备。为了保障人们的人身和财产安全，复合气瓶的失效研究具有非常重要的意义。

国内外研究情况：伴随着国家汽车工业的高速发展，能源的巨大消耗和尾气排放导致的空气污染问题越来越严重，而以压缩天然气为燃料的清洁能源汽车，能够极大地缓解能源紧缺和空气污染这两大问题。近年来，随着先进复合材料的快速发展以及缠绕铺放成型工艺的改进和完善，其成本逐年降低，车用压缩天然气(CNG)气瓶在国内外已得到大量使用^[1~3]。近20 年来，国内外诸多学者对气瓶的设计进行了大量的理论以及实验研究。Gotsis P K 等^[4]对承受内压的纤维缠绕压力容器的破坏过程(包括损伤的发生、发展、传播、破坏)进行了分析，并且讨论了该容器的极限损伤问题。陈汝训^[5~6]根据网格理论对复合材料压力容器封头壳体进行了承载能力分析，研究了纤维缠绕壳体爆破压力和圆筒壁厚的算公式。Kabir M Z^[7]把气瓶内衬作为一个理想化的塑性材料，将缠绕层视为弹性材料，采用先漏后破坏作为设计标准，研究了容器封头应力的分布。Zu L等^[8]基于非测地线研究了环形压力容器的缠绕线型的优化设计和工艺分析，评估了环形压力容器缠绕线型轨迹的稳定性。黄再满等^[9]应用 ALGOR FEAS有限元分析系统对铝合金内衬全缠绕复合材料天然气气瓶的预紧压力进行了设计，研究了复合材料气瓶的疲劳寿命。段成红等^[10]采用有限元法分析了复合气瓶的爆破问题，按最大应力准则和最大应变准则分别预测了爆破压强。

此次研究需解决的问题：

1、确定复合材料气瓶的结构设计。根据网格理论设计气瓶的内衬和纤维缠绕层的结构。

2、利用强度理论进行强度校核。

3、纤维缠绕复合材料气瓶的有限元分析。

4、复合材料气瓶的失效主要是纤维层的失效，常用的失效准则有应力准则、最大应变准则、Tsai-Hill准则等。将对不同的失效准则进行研究。

5、提出复合材料气瓶的优化设计。采用有限元优化设计研究设计变量对复合材料气瓶性能的影响，并对整体结构进行优化设计。