复合材料CNG气瓶的结构设计与研究

工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald128①作者简介：吴庆锋(1968，9—)，男，汉族，辽宁沈阳人，硕士，中级工程师，主要从事压力容器制造相关工作。

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2018.25.128CNG复合材料缠绕气瓶的安全分析①吴庆锋(沈阳欧施盾新材料科技有限公司 辽宁沈阳 110000)摘 要：随着经济的发展，人民生活水平日益提高，汽车也不再遥不可及，早已走入了寻常百姓家。

汽车在便利了我们工作、生活的同时，也带来了不容小觑的能源、污染问题。

面对日益恶化的环境和石油资源的枯竭,新能源以其独特的低污染和可再生资源优势迅速普及，特别是作为清洁能源应用典型的CNG复合材料气瓶，使用量也在呈逐年增加的趋势。

CNG复合材料气瓶质量轻便、安全性高，这些独一无二的优势很快便得到了大范围应用。

但是，随着CNG复合材料气瓶的普及应用，一些安全问题也随之而出，在使用过程中也发生了一些安全故障，造成了不小的影响，使得社会对CNG气瓶的安全分析也越来越备受关注，如何确保CNG复合材料缠绕气瓶的安全，至关重要。

基于此，本文阐述了CNG复合材料气瓶的分类及发展现况，分析了复合材料CNG 气瓶的构造，简要介绍了主要制造工艺，并就如何进一步强化CNG复合材料气瓶的安全提供了几点建议，以期为提供现实帮助。

关键词：变电运行 安全管理 事故防范 策略中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2018)09(a)-0128-02随着汽车工业的快速发展,汽车尾气排放造成的能源消耗和环境污染急剧增加,给复合压力容器带来了新的机遇。

以压缩天然气为燃料的清洁能源汽车可以有效地缓解这两个问题。

复合CNG气瓶在汽车运行中节能轻便，更有优势。

近年来,随着科技的不断发展进步，复合材料生产成本不断降低，成型工艺也在不断改进,生产成本的降低加上生产效率的提高，为CNG复合材料气瓶的推广应用提供了便利条件，CNG气瓶备受青睐。

科技成果——复合材料天然气气瓶（CNG气瓶）主要研究内容天然气（CNG）是优质、高效的清洁能源。

用天然气替代传统的汽油、柴油作为汽车燃料，可使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，噪音减少40%，是汽车行业实现环保、节能的一种有效方式之一。

复合材料气瓶（CNG气瓶和LNG气瓶）具有高比强度、高比模量的特点，是贮存压缩天然气的关键容器，已被列入国家新材料领域重点发展的方向。

哈尔滨工业大学在国家“863”计划、国家自然基金和省市等相关科技计划的支持下，经过十余年的科研攻关，研制出了一系列具有独立自主知识产权的高性能轻量化复合材料高压气瓶，相对同容积、同压力的金属压力容器减重70%，达到国际先进水平，获授权发明专利13项，先后荣获国家技术发明二等奖1项、黑龙江省技术发明一等奖1项、国防技术发明二等奖1项。

制定“复合材料压力容器”国家军用标准2项。

现已形成容积6L-1500L、工作压力5MPa-36MPa、重量6kg-66kg的系列化高性能复合材料气瓶产品系列。

大庆作为国内第一大油田，是我国重要的石油化工基地，具有雄厚的基础。

本项目可结合哈尔滨工业大学在复合材料气瓶设计与制备方面的科研实力以及大庆在油气、天然气资源的开发、利用方面的优势，合作开发复合材料天然气气瓶，开拓新的经济增长点。

市场前景复合材料天然气气瓶的研发具有广阔的市场前景，尤其对气体能源的存储、新能源汽车的设计制造有着重要的影响。

据统计，国民生产总值每增加1%，压力容器的需求量就增加1.5%，而国际市场每年大约以5%的速度增长。

据悉，全世界有300万只复合材料气瓶在运行。

到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。

寻求新的汽车能源，降低汽车排放污染是燃气汽车发展的动力。

高性能超轻量化复合材料压力容器的发展已被列入国家新材料领域的重点项目，符合国家及地区经济发展的需求。

同时，复合材料高压气瓶还可以应用在航空航天、石油化工、民用储气贮液等领域。

《工程塑料》课程论文论文题目： 复合材料CNG 气瓶的结构设计与研究 专业班级： 材 控 F1101 班 姓 名：学 号：指导教师：完成时间： 2014年06月12日复合材料CNG 气瓶的结构设计与研究摘要：介绍了复合材料压缩天然气(CNG)气瓶的国内外发展情况，对车用复合材料CNG气瓶的基本结构及主要制造工艺进行了研究，阐述了复合材料CNG 气瓶的安全问题及发展趋势。

关键词：复合材料；CNG气瓶；结构；制造工艺Structure Design and Research on CNG Composite Cylinders Li Quan(Henan University of Technology,Mechanical and Electrical Engineering, Materials Forming and Control Engineering F1101 class)Abstract：The development of composite CNG cylinders at home and abroad was presented．The structure and main manufacturing processes of composite CNG cylinders were studied．The safety issues and development trends of composite CNG cylinders were explained．Keywords：composite；CNG cylinder；structure；manufacturing process汽车工业推广压缩天然气(CNG)燃料，这给复合材料压力容器带来了新机遇。

随着天然气汽车的发展，复合材料CNG气瓶应运而生。

复合材料CNG气瓶在汽车运行节能上更具有优势，同时其在受到撞击或高速冲击而发生破坏时不会产生具有危险的碎片，从而降低或避免了对人员和车辆的损害。

复合材料气瓶的结构、性能和应用研究冯刚【摘要】摘要对复合材料气瓶的成型工艺进行介绍,阐述了国内外复合气瓶的应用进展,并介绍了复合材料气瓶的结构和性能研究.【期刊名称】工程塑料应用【年(卷),期】2011(039)007【总页数】3【关键词】关键词复合材料气瓶结构有限元分析压力容器是化工、机械、原子能、轻工、航天、冶金、海洋开发等领域普遍采用的一种重要设备,以往大多采用金属材料加工制造,如钢瓶、钛合金气瓶等[1].为了最大限度地减轻气瓶质量,科技人员开始将金属气瓶转为纤维缠绕的复合材料气瓶[2].1 复合材料气瓶的分类复合材料气瓶一般采用两种分类方法,一是按照应用领域分为:(1)作为天然气燃料汽车的压缩天然气(CNG)贮罐;(2)应用于呼吸器系统,包括背负式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具;(3)应用于航空或航海,主要包括逃生滑梯冲气装置和航空吸氧装置[3].二是按内胆材料和增强材料分类:按内胆材料可分为金属内胆缠绕气瓶和塑料内胆缠绕气瓶;还可按增强材料分为高强玻璃纤维缠绕气瓶、碳纤维缠绕气瓶、芳纶纤维缠绕气瓶.由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳能力强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点,目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用[4].2 复合材料气瓶的成型工艺复合材料气瓶的成型包括内衬的制造和纤维增强复合材料层缠绕成型.现以铝内胆碳纤维缠绕复合材料气瓶为例,说明其制造工艺,如图l所示.内衬的制造主要包括金属板热压、拉伸、旋压、热处理、后加工、检验等工序,可以参照GB/T 11640-2001《铝合金无缝气瓶》标准.纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维经过树脂浸胶或采用预浸胶纤维,按照一定的规律缠绕到芯模上,然后在加热或常温下固化,按照一定条件的修整,制成一定形状制品的一种生产工艺.3 国内外复合材料气瓶的应用进展3.1 国外研究进展气瓶的研制己经有50多年的历史,国外对复合材料气瓶的研究最早开始于20世纪50～60年代,主要用于国防和航空、航天领域,如军用飞机喷射系统,紧急动力系统和发动机重新启动应用系统使用的复合材料气瓶,以及航空试验室的氧气罐和导弹系统的压力源[5].制造复合材料气瓶是一项高技术,它吸引了国外技术力量雄厚的纤维缠绕大公司投入力量来开发,如美国著名的火箭及纤维缠绕壳体公司Thiokol公司,美国Brunswick军工企业等.他们利用自身的设备、技术、人才及军工生产方面的经验和优势,试图在气瓶的开发生产中占有一席之地,无疑这将推动气瓶制造技术快速发展[6].早期的复合材料气瓶采用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上,虽然其质量比钢质气瓶轻,但由于玻璃纤维复合材料的强度及静态疲劳寿命较低,气体渗透率较大,设计时需要采用较高的安全系数[7]才能保证其可靠性.20世纪60年代,复合材料气瓶中开始使用金属内胆.如果内胆足够厚,允许纤维全缠绕或环向缠绕增强,那么采用金属内胆的复合气瓶渗透率要比采用橡胶内胆的气瓶低得多,但前者的疲劳寿命却受到限制[7].20世纪70年代,复合材料气瓶在商用系统中的应用大大增加,玻璃纤维和芳纶纤维缠绕于铝内胆或钢内胆上[7],用于消防呼吸器和民用飞机滑梯充气,以及相类似的气瓶用于海军救生筏充气.3.2 国内研究进展和现状我国研究气瓶开始比较晚,在新材料的应用上经历了和国外相似的历程,目前国外有的新材料我国大都有产品或正在进行研制.但是我国研制的气瓶品种单一、性能较差、制造工艺和设备相对较为落后,这和我国的基础工业水平较差和工艺水平落后有着很大关系.目前我国除玻璃纤维/环氧复合材料气瓶进行工程应用外,其它类型的纤维增强复合材料气瓶虽然也开展了大量研究,但离工程化应用还有很大距离.现有的高性能有机纤维、碳纤维还需依靠进口,这也制约了我国复合材料气瓶技术的发展[8].在我国,有很多公司和院校投入大量资金和人力对复合材料气瓶进行各方面的研究.目前国内复合材料气瓶的生产单位主要有北京天海工业有限公司、西安向阳气瓶有限公司、四川自贡格瑞复合材料公司、沈阳中复科金压力容器有限公司和北京航空制造工程研究所.其中北京天海工业有限公司能设计、生产种类繁多的气瓶,已有7条生产线,年产100万只气瓶.其中一条就是从美国引进的纤维缠绕气瓶及呼吸气瓶生产线.该公司生产车用压缩天然气、机动车用液化石油气钢瓶和缠绕气瓶.钢质缠绕气瓶已取得美国NGV2-2000标准设计和制造许可证.现在市面出租车上所用的CNG气瓶,多是"天海"的钢质内胆外加环向纤维缠绕形式的气瓶.纤维采用的是玻璃纤维,基体用环氧树脂.沈阳中复科金压力容器有限公司的主导产品有碳纤维缠绕气瓶和缠绕气瓶用铝合金内胆.仅铝合金内胆而言,从1.4 L到20 L就有14个规格之多.四川自贡格瑞复合材料公司引进德国BSD设备和技术,于2000年6月生产CNG复合材料气瓶,年生产能力为5万只(按复合材料气瓶计算).自贡久大盐业集团公司、中国节能投资公司、哈尔滨玻璃钢研究所等为该公司的股东.哈尔滨玻璃钢研究所能提供四工位微机控制的气瓶专用缠绕机[9-10].另外国内的一些高校也投入到复合材料气瓶的研究中,哈尔滨工业大学下属的复合材料研究所,在气瓶复合材料层的黏弹性结构关系上做了大量研究,综合考虑了固化度、化学反应热、纤维张力、树脂黏度和固化反应等因素对外纤维缠绕层的影响,建立了固化过程中树脂的流动模型,并根据复合材料特有的性质建立了合理的气瓶模型.南京航空航天大学对全复合材料气瓶做了市场考察,在技术可行性方面提出全复合材料气瓶的关键技术是疲劳设计技术和制造技术.北京玻璃钢研究院在全复合材料气瓶的研制方面,将内胆采用了变壁厚的设计,使气瓶结构更加合理.另外武汉理工大学有自行研制的张力、含胶量微机控制系统;有高压气瓶纤维缠绕设备和工艺一体化制造技术.四川大学科技园也发出复合材料高压(CNG 气瓶)容器生产线招商消息.4 国内外复合材料气瓶性能和结构的研究情况目前,国外复合材料气瓶的研究主要集中在对复合材料本身的性能及容器本身的各种极限问题的研究上.Krikanov[11]采用数值方法,考虑了封头强度必须由螺旋缠绕层来提供,并用层合板参数进行了压力容器优化,并结合实验进行了优化设计.M.W.K.Rosenow[12]利用经典层合理论分析了薄壁复合容器的缠绕角度在15°～85°之间变化时的应力应变;对于环向应力和轴向应力之比等于2的圆筒形容器,均衡性缠绕角最优值为55°.M.Z.Kabir[l3]把内衬视为理想塑性材料,而缠绕层视为弹性材料,研究了容器的等应力封头应力分布,同时又利用接触单元研究了纤维层与内衬界面应力分布问题.Adali等[l4]则应用弹性理论和Tsai-Wu破坏准则来计算容器的最大破坏压力,在此基础上采用鲁邦多维法进行了优化分析.Chamis等[15]研究了复合容器的断裂破坏问题.Ahlstrom[16]研究了复合容器的形状优化问题,并优化了纤维缠绕角.Martin[17]利用膜应力理论对复合容器进行了优化设计.国内的研究主要在结构设计以及数值模拟方面.陈汝训[18]对复合材料压力容器进行了设计,给出了具有衬里的纤维缠绕压力容器纤维厚度的设计计算方法;通过对具有内衬的压力容器的分析,提出了如果内衬选取塑性性能较高的材料时,可实现内衬和纤维缠绕壳体同时破坏,以提高壳体的承载能力;并指出对于具有内衬的厚壁纤维缠绕压力容器的分析是不能采用网格理论的.许贤泽等[19-20]对纤维缠绕复合材料气瓶壳体进行了弹性和弹塑性分析.刑志敏[9]分析了气瓶的弹性力学几何方程、气瓶的内力等;采用非电量电测法分别对复合材料气瓶和内衬铝胆的应变进行测试,并得出其应变分布曲线,分析出复合材料气瓶在压力加载下的轴向应变和环向应变主要发生在筒身部分,在封头和过渡区域的应变比较小;并利用AN-SYS对复合材料气瓶及其铝胆进行建模和分析计算,得出铝胆的工作应力水平是影响复合材料CNG气瓶工作性能的关键因素之一.许贤泽和刑志敏还对气瓶的破坏机理进行了探究和分析.苏文献等[21]对CNG燃料汽车气瓶进行了水压试验,同时进行了爆破试验,预测出该气瓶的实际爆破压力.结果证明,有限元分析结果与实际情况吻合得较好.嵇醒等[22-23]讨论了对复合材料气瓶采用预紧工艺的必要性及其实现方法,并使用有限元分析软件分析了预紧压力对工作压力下气瓶应力的影响,得出预紧压力可以降低工作压力下气瓶的应力水平和提高气瓶的疲劳寿命[24].5 结语复合材料气瓶属于朝阳产业,目前正方兴未艾.国内外在复合材料气瓶的研究方面都投入了很大的人力和物力,我国的复合材料气瓶产业刚刚起步,目前还存在很多问题.但是我国的纤维缠绕技术有深厚的根基,把纤维缠绕技术和其它技术相结合,另外加强Ansys软件在复合材料气瓶方面的应用,在不久的将来便会收获成就和喜悦.参考文献[1]王明寅,刘文博,王士巍,等.复合材料高压氮气气瓶的结构设计与试验分析[J].纤维复合材料,2003,32(2):53-54.[2]赵颖.复合气瓶的界面及缠绕方式研究[D].辽宁:辽宁工程技术大学,2002.[3]解越美,谭轶谦.复合材料气瓶在美国的现状及发展[J].锅炉压力容器安全技术,2002,24(6):15-17.[4]张克铜.空气呼吸器复合气瓶及定期检验[J].中国个体防护装备,2009,17(5):40-44.[5]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[6]张璇.铝合金内胆碳纤维缠绕气瓶结构分析与研究[D].长沙:国防科技大学,2007.[7]Vey R,Cederbergar,Schimentijd.Design and analysis techniques for composite pressure tankage with plastically operating aluminum liners,AIAA29022345[R].New York:AIAA,1990.[8]张洁.国内复合材料气瓶发展及气瓶标准概况[J].纤维复合材料,2007,36(3):39-42.[9]邢志敏.复合材料CNG气瓶的力学性能研究[D].北京.北方工业大学,2005.[10]周海成,阮海东.纤维缠绕复合材料气瓶的发展及其标准情况[J].压力容器,2004,21(9):32-36.[11]Krikanov.Minimum weight design of pressure vessel with constraints on stiffness and strength[C].Proceedings of the 10th ASC Technical Conference on Composite material.Santa Monica,CA,1995:107-113. 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碳纤维缠绕车载CNG气瓶设计及有限元分析近年来由于环境污染和石油匮乏等原因,我国正大力推动压缩天然气(Compressed natural gas,CNG)汽车的发展,车载CNG气瓶作为汽车的关键储能部件需求量也越来越大。

复合材料具有良好的力学性能,其比强度和比刚度远高于金属材料,而且具有使用寿命长和设计性强的特点,使得复合材料CNG气瓶成为车载高压气瓶研究领域的热点之一。

这类气瓶能够很好地发挥复合材料的特性,应用前景十分广阔。

随着复合材料气瓶的推广,相信会在节约能源、改善生态环境等方面发挥重要作用。

本文分别介绍内衬和纤维增强层的成型工艺,并对缠绕成型工艺中常用的几种工艺方法进行简要介绍,为后续复合材料气瓶的设计提供工艺基础。

接下来介绍了复合材料力学的基础知识和几种常用的失效形式为气瓶的有限元分析提供理论依据。

应用薄膜理论和网格理论推导得到内衬和纤维缠绕层的计算公式,完成70L铝合金内衬复合材料气瓶的结构设计。

运用ABAQUS软件对设计的复合材料气瓶进行力学分析,按照铝内衬全缠绕碳纤维增强复合气瓶的基本要求(DOT-CFFC)对设计方案进行验证。

本文设计了两种不同加载方案,方案二在方案一中已有的工况基础上增加自紧压力和零压力工况,通过对方案一和二的结果进行对比,验证气瓶制作完成后进行自紧处理的必要性。

基于最大应力准则和Hashin失效准则对复合材料气瓶的纤维层进行校核。

基于最大应变失效准则预测气瓶发生爆破的临界压力。

通过分析,经过自紧处理的气瓶在工作压力下内衬的应力水平下降19%,证明为提高气瓶的使用寿命对气瓶进行自紧处理是十分必要的。

自紧处理后气瓶在各种工况下能够达到DOT-CFFC的要求,证明设计方案是可行的,能够用于实际生产中。

当自紧压力为43MPa时,内衬的应力水平是最低的。

基于最大应力失效准则和Hashin失效准则校核纤维层的安全性,利用最大应变失效准则预测气瓶的爆破压力为125MPa,爆破压力是工作压力6倍左右,气瓶在使用过程中安全系数较高。

复合材料CNG气瓶的力学性能研究近年来，随着环境保护意识的增强和对替代能源的需求日益增加，压缩天然气（CNG）作为一种清洁、可再生的能源逐渐受到人们的关注。

由于CNG具有高能量密度和低污染排放的特点，被广泛应用于汽车、工业和家庭等领域。

CNG气瓶作为储存CNG的重要装置，在使用过程中承受着巨大的压力。

传统的CNG气瓶主要由金属材料制成，如钢材和铝材。

然而，金属材料存在一些缺点，如重量大、易受腐蚀、不易成型等。

为了克服这些问题，复合材料CNG气瓶应运而生。

复合材料CNG气瓶由纤维增强材料和树脂基体材料组成，具有重量轻、高强度、耐腐蚀等优点。

本研究旨在探究复合材料CNG气瓶的力学性能，为其在实际应用中提供理论依据和技术支持。

首先，我们选取了几种常见的复合材料，如碳纤维增强聚合物基复合材料和玻璃纤维增强聚合物基复合材料。

然后，通过实验方法对这些材料进行了力学性能测试。

我们测量了它们的拉伸强度、压缩强度、弯曲强度等参数，以评估其力学性能。

实验结果表明，复合材料CNG气瓶具有较高的强度和刚度，可以承受较大的压力和载荷。

与传统的金属气瓶相比，复合材料CNG气瓶具有更低的重量，可以减少汽车的整体重量，提高燃油效率。

此外，复合材料具有良好的耐腐蚀性能，可以延长气瓶的使用寿命。

然而，复合材料CNG气瓶也存在一些问题需要解决。

首先，复合材料的制造成本较高，需要进一步降低成本，以提高其竞争力。

其次，复合材料的破损难以修复，一旦发生破损，可能导致气瓶失效。

因此，我们需要研究复合材料气瓶的修复方法，以提高其可靠性和可维修性。

综上所述，复合材料CNG气瓶具有良好的力学性能，是一种理想的CNG储存装置。

然而，还需要进一步研究和改进，以满足不同应用场景的需求，并解决其存在的问题。

相信随着技术的不断进步，复合材料CNG气瓶将在未来得到更广泛的应用。

复合材料紧缩天然气车用气瓶1、项目背景1.1 CNG气瓶介绍紧缩天然气（CNG－Compressed Natural Gas）作为汽车动力源已有几十年历史。

作为CNG 贮存容器的气瓶是CNG动力的关键部件。

1.1.1CNG气瓶利用要求CNG气瓶的利用条件在CNG容器的标准中都有明确规定：CNG气瓶利用寿命不超过20年；CNG 气瓶的工作压力：车用气瓶为20MPa，站用瓶为25MPa。

设计平安系数为2.25～3.0。

其设计的利用温度为15℃。

由于环境温度的转变，当温度升高时，许诺其工作压力达到125%；气体压力循环的最大数量为750～1000次/年。

汽车运行时的外部环境温度可在-40℃～+82℃之间转变，容器内所包括的气体温度不超过57℃。

按NGV的要求，紧缩天然气的杂质和其它有害气体含量的规定为：HS和硫化物的分压最大2S的含量小于20Ppm，不合有甲醇；水蒸气含量为：在车辆工作的特定的地理位为344.5Pa，或H2置，紧缩天然气的气体压力下，燃料罐内无水蒸气冷凝发生。

美国消防协会规定，在站用瓶的储气的分压为0.048MPa。

条件下，水蒸气含量为16mg/m3（15℃，15MPa），并规定CO21.1.2 CNG气瓶的资质认证CNG气瓶的资质认证实验用于证明气瓶的设计在其利用寿命范围内是不是是平安的。

关于每一个新设计的气瓶要求进行内容普遍的实验进程和实验项目；可是为了修正已有的气瓶设计，那么可采纳简化的实验运行。

资质认证实验的具体实验项目如下：（1）水爆实验：该项实验要紧用于验证各类容器的设计是不是大体正确，关于钢质气瓶，实验其平安系数的大小是不是与设计的一致；关于纤维复合材料增强的各类气瓶，还将验证其增强复合材料的应力比。

（2）室温循环实验：该项实验要紧用于证明CNG容器或内衬知足其利用寿命要求而不发生泄漏，同时也为了证明气瓶是不是具有平安破坏的特点，即在破裂前发生泄漏。

（3）环境循环实验：该项实验要紧用于查验CNG容器或内衬是不是能够经受在利用条件下可能碰到的各类流体如酸、碱等溶液的侵害；酸性溶液对玻璃纤维和芳纶纤维增强的复合材料性能具有明显的阻碍，其它液体也会侵蚀增强纤维和树脂基体；压力循环将会增进基体树脂的裂纹张开：从而有助于流体溶入复合材料层内。