我学到了论文中学不到的复合材料气瓶缠绕设计经验！

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：本文来自仿真秀APP用户的投稿，作者来自上海工程技术大学车辆工程专业（研三）。和其他理工科学子一样，通过注册仿真秀平台，自学仿真秀平台的线上精品课，学习复合材料气瓶缠绕设计和仿真技能和经验，然后学以致用。本文来自他原创的案例，与大家分享，如有不当，欢迎批评指正。

一、写在前面

随着世界环境的逐步恶化，环保意识与新能源的开发与使用渐渐被人们重视。氢具有燃烧热值高的特点，是汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢燃烧的产物是水，是世界上最干净的能源，且资源丰富，满足可持续发展。氢的存储成为氢能源使用中必不可少的重要一环，复合材料缠绕气瓶是常用的氢燃料存储容器，它具有质量轻、安全性高等特点。然而其结构的复杂性也给产品的设计带来了一定的难度。

复合材料缠绕气瓶由内衬、纤维增强层、气瓶阀门组成。一般结构设计主要集中于内衬层与复合材料层的结构。其中内衬筒身到封头的复合材料层变厚度设计、封头回转曲面方程、极孔大小、复合材料层的缠绕角度、双螺旋缠绕铺层顺序、封头纤维厚度等等，都是设计过程中重要变量。

复合材料缠绕气瓶内衬可以选择金属材料，如30CrMo、铝合金，也可以是非金属如塑料。复合材料可以是碳纤维、玻璃纤维增强复合材料等。每一种材料选择都是一种新的设计，不同的设计变量之间有着多种组合，各个组合之间也有着相应的约束条件。如何选择这些变量，如何保证设计出来的气瓶满足国家标准与使用要求。

一次偶然机会，参加了仿真秀平台组织的复合材料气瓶缠绕公开课，进而认识了高级攻城狮，他原创的精品课《储氢高压复合材料气瓶结构设计及10讲》让我受益匪浅。通过这套课程的学习，让我能够了解车载复合材料纤维缠绕层的设计过程。通过本课程的学习可以感受到老师是一位有着丰富实际工程经验的业内人士，介绍了许多气瓶设计的工程经验以及工艺细节，这些是书中或是论文中无法获取的。

二、复合材料气瓶纤维缠绕层的材料选择

在复合材料气瓶设计的菜鸟时期，我总是拿着各种参考书，查阅相关材料属性，如纤维增强材料三个方向上的模量、泊松比等等。纤维作为复合材料气瓶的主要承载材料，当我们具体进行设计选材的时候，怎么办呢？是选碳纤维、玻璃纤维还是其他，纤维选择什么公司什么型号。基体如何选择？以上均会影响复合材料的性能。

课程中老师带着我们选择了日本东丽公司的T700-24K纤维。其基本性能如下所示

图1 东丽公司T700纤维材料属性

但官网给出的T700纤维拉伸强度并不能直接使用，实际设计带入的数值应该是通过国家标准中规定的实验测试得到。如果直接使用官网给出的材料属性，那最后设计的结果将会出现较大的偏差。老师在视频中使用了《GBT 1458-2008 纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》来测试计算纤维实际的发挥强度，这使得在实际设计过程中的精度提高。

图2 纤维NOL环力学性能测试模具示意图

三、复合材料气瓶纤维缠绕层的铺层设计（网格理论）

通过本课程的学习，了解到复合材料气瓶纤维缠绕层的初步设计一般采用“网格理论”。相信对于复合材料气瓶有所了解的同学们都不会对“网格理论”感到陌生。网格理论的核心思想为设计纤维缠绕层时忽略树脂基体的作用，将复合材料气瓶载荷看作完全由纤维承担。其两个主要假设如下：

（1）均衡条件假设：假定纤维网格只进行相似性变化，保证纤维最大程度发挥自身强度。
（2）连续性假设：在气瓶失效前，纤维与内衬之间始终保持连续且没有任何相对滑动。

网格理论的基本公式如下所示：

其中最重要的设计参数为纤维缠绕角a 。纤维缠绕角满足测地线缠绕公式，如下所示：

其中r0 是极孔半径，R是筒身半径。那这么说缠绕角在气瓶结构确定的同时也就确定了吗？这么easy？？

当然不是啦，too young too simple！上面计算缠绕角的公式的前提条件是‘纤维在极孔处与极孔圆相切’。然而如果每一束纤维都与极孔相切，那么在极孔处就会发生非常严重的纤维堆积。再者复合材料气瓶缠绕过程中只是采用一个缠绕角，这样真的合理吗？那么这可如何是好呢？复合材料经典教材《复合材料力学与结构设计》中对于这种问题的解决如下：

图3 教科书上关于扩孔的解决

对于刚接触复合材料气瓶的同学看到这些内容也许会认为书中都没有详细讲，可能认为扩孔不重要，而对于需要实际设计复合材料气瓶的同学来说，在设计之中这是必不可少的流程，却往往无法得到有效的指导。通过课程的学习，我才知道初步设计中扩孔缠绕具体是如何操作。书中告诉我们“等应力点”处的缠绕角为45°，那么工程中如何扩孔，扩孔次数，每次扩孔角度都需要有一定经验的人指导。视频中给出了初步设计中的解决方案：先按照相同的角度扩孔，然后根据爆破压力取动态地调整扩孔策略，最后结合有限元分析验证优化。

老师在本课中，不仅告诉了我们网格理论的适用情况、设计的工程细节、工程经验，而且还教授了很多设计中的技巧，如采用excel表格对网格理论进行气瓶设计。通过excel表格引入网格理论的公式，将设计参数进行关联，这样在改变设计参数的时候，相关的结果也会自动更新，这样就避免在反复迭代设计的过程中，因为疏忽而导致参数出错，可以极大的提高设计效率。

四、复合材料气瓶纤维缠绕层强度的快速优化验证

依靠“网格理论”的初步设计只是给了我们一个理论上可行的方案。其中许多参数如扩孔次数，铺层顺序等都是我们设计人员按照经验事先指定的。实际设计中，无论哪一个环节的哪一个参数的改动都会对最后气瓶的受力特性有一定的影响，因此后期采用其他软件以及有限元的分析验证必不可少。

本课中老师使用了ESAComp软件进行复合材料纤维缠绕层的快速分析与验证。ESAComp软件本身带有强大的材料数据库，在库中我们可以直接选择我们想要的材料，如东丽T700S碳纤维，如图4所示。选择基体后，采用纤维增强复合材料的细观理论，可以快速地计算出单层板的属性参数。通过指定铺层顺序、单层厚度可以快速地构成可分析的层合板结构。