摘 要

复合材料气瓶相比于传统的气瓶有着显著的优点，如复合材料气瓶使用的材料质量比传统的钢制气瓶小，可以更好地密封气体，不漏气，并且外围缠有纤维增强层，可以适应更大的工作压力。因此复合材料气瓶的研究有很大的实际意义和非常好的发展前景。利用有限元软件分析可大大简化了复合材料气瓶的设计和优化，在现在的研究中使用的越来越频繁。

压力容器在设计过程中由于壁厚相对于其尺寸较小，可以忽略不计，因此一般都被看成一个薄壳体，本文中同样视复合气瓶为薄壳，在实际加工的要求约束下设计了气瓶内胆的尺寸，并且利用网格理论分析方法^[1]计算了纤维层的角度和厚度。

本文中使用ABAQUS软件对气瓶进行了有限元分析，在建模时使用将整体分割成多个小段来实现封头部分逐渐加厚的情况的分析，对每一小段进行单独的材料铺层厚度的设计。最后对软件的分析结果进行描述。

关键词：复合材料气瓶；有限元分析；铝内衬

Abstract

Compared with the traditional gas tank, the composite gas tank has obvious advantages, for example, the material quality used in the composite gas cylinder is smaller than that of the traditional steel gas cylinder, and it has better gas sealing performance and no air leakage. The composite gas cylinder is reinforced by fiber, which can adapt to greater working pressure. The research of composite gas cylinder has great practical significance and very good development prospect. Using the finite element software to analyze the pressure vessel greatly simplifies the design and optimization of composite gas cylinder, which is used more and more frequently in the current researchers.

In the design process of general pressure vessel, because the wall thickness can be ignored relative to its size, it can be regarded as a thin shell. In this paper, the composite cylinder liner is also regarded as a thin shell. Under the constraints of the actual processing requirements, the size of the cylinder liner is designed and the angle and thickness of the fiber layer are calculated by using the mesh theory analysis method.

In this paper, ABAQUS is used to carry out the finite element analysis of the gas tank. When modeling, the whole gas cylinder is divided into several small sections to realize the analysis of the gradual thickening of the head part. Each small section is designed with a separate material layer thickness.

Key Words：Composite gas cylinder；finite element analysis；aluminum lining

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.2.1 国内现状 1

1.2.2 国外现状 2

1.3本文主要研究内容 3

1.4本章小结. 3

第2章 复合材料气瓶 4

2.1 复合材料气瓶的结构 4

2.2 复合材料气瓶的材料 5

2.2.1 内衬材料 5

2.2.2 纤维缠绕复合材料 5

2.3复合材料气瓶成型工艺 6

2.4本章小结. 6

第3章 复合材料气瓶结构设计 7

3.1复合材料气瓶基本参数 7

3.2内衬设计 7

3.2.1内衬封头设计 7

3.2.2内衬接嘴设计 8

3.2.3内衬筒体设计 9

3.3.复合材料气瓶缠绕层设计 11

3.4.本章小结 12

第4章 复合材料气瓶有限元分析 14

4.1.复合材料气瓶模型建立 14

4.1.1.创建part模块 14

4.1.2材料属性 15

4.1.3.设置复合材料铺层 15

4.1.4.划分网格 18

4.1.5建立分析步和场输出施加载荷 18

4.2.复合材料气瓶软件结果分析 19

4.3本章小结 26

第5章 总结 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

化石燃料等许多不清洁能源的过度使用使得我们生活的环境越来越差，进入21世纪后，我们慢慢认识到环境的质量下降使我们的生活受到了影响。人们在制造汽车时考虑的重点从省油逐渐开始到排放方面，相对于省油一定要汽车尾气中污染达到标准才行。这就使得近些年人们倾向于研发无污染的车用能源，这类研究也越来越多。像氢气，天然气，太阳能都在研究之列。氢气燃烧只生成水，是一种很好的清洁能源，但是它的储存有一定的困难。国内外许多研究人员深入研究了氢气的利用和储存，因此氢燃料电池和得到了很快的发展。氢气的储存方式研究使得气瓶在汽车上的应用不断增加。复合材料是研究者通过不同的加工方法将不同的材料混合成一种材料，使其获得更优秀的材料性能。一般的复合材料质量都比复合前的质量小并且它高比强度，比模量高，高耐腐蚀性。复合材料车用气瓶相比于普通的气瓶，不仅综合了了金属内衬的诸多优点如在加工过程中有非常好的流动性，易于加工，又由于是金属制品有较高的韧性和强度,而且复合材料气瓶的一部分为复合材料，比密度比金属要低得很，相对于纯金属质量更轻，在危险情况下产生的惯性就小，危险度较低，纤维材料又有很高的强度，这使气瓶可以承受更高的压力。复合材料车用气瓶有随着技术的发展有了更多地设计方法，不局限于理论计算了，现在有很多的软件可以进行有限元分析和优化技术，设计时就可以发现气瓶哪些部位的强度不符合要求，然后进行单独的加强。

1.2 国内外发展现状