70MPa铝合金内衬纤维缠绕压力容器的铺层设计及有限元分析技术

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导读：70MPaⅢ型复合材料气瓶主要由金属铝合金内衬、碳纤维缠绕层以及玻璃纤维保护层共同组成，其目前由于具有国家标准，并且储氢密度最大可达到6%以上，已经成为国内储氢气瓶的研发重点，但是其复合材料层设计较为复杂，除了要满足爆破压强外，同时还要满足高指标的疲劳性能需求，为储氢复合材料气瓶设计的重点以及难点。

图1 70Mpa Ⅲ型复合材料气瓶实物图

近日笔者在仿真秀基于以往的课程基础，推出“70MPa铝合金内衬纤维缠绕压力容器的铺层设计以及有限元分析技术”课程，结合了网格设计理论、Abaqus-wcm以及Fe-Safe软件，建立了70Mpa Ⅲ型70L复合气瓶的复合材料层设计方法。

一、国家标准的基本要求以及设计输入

基于Ⅲ型储氢复合材料气瓶国家标准的解读，完成储氢气瓶的设计输入的拟定，从而为后续的计算提供了基本设计输入条件。针对疲劳的使用特性，创新性的引入Ⅲ型70MPa复合材料气瓶疲劳的设计准则以及方法。

图2 70MPa Ⅲ型70L复合气瓶的基本要求

二、70MPaⅢ型复合材料气瓶纤维缠绕层结构设计

基于网格理论，选取了T800S-24K纤维并且进行了材料的选型以及缠绕基本工艺参数的确定，引入平衡方程，最终采用Excel表格完成了复合材料气瓶缠绕层的结构设计，最终设计的爆破压强达到199.9MPa。创新性的采用Excel表格，引入公式的简易方法，快速实现70MPa厚壁复合材料气瓶的缠绕铺层设计。

图3 基于网格理论的气瓶缠绕层结构设计

三、70MPa复合气瓶建模分析及爆破压强预测

笔者采用以上设计的铺层，通过Abaqus-wcm插件进行复合材料气瓶的建模以及有限元分析，并且通过UVRAM子程序的复合材料失效判据进行复合材料气瓶的爆破压强预测，并且与网格理论计算的爆破结果进行比对，验证有效性。实现可以通过纤维方向最大应力准则、纤维方向最大应变准则以及Hashin纤维方向的失效准则，进行高压复合材料气瓶的爆破压强预测，预测的最终爆破压强约204MPa，与Excel表格设计的爆破压强结果较为接近。

图4 基于Abaqus-WCM的复合材料有限元模型建立

四、70MPa车载复合材料气瓶的自紧压力的有限元分析以及疲劳性能预测

笔者会介绍了Ⅲ型复合材料气瓶自紧压力的基本原理，采用Abaqus软件通过实例讲解了自紧压力以及疲劳试验压力的设置方法，最后将分析出来的结果ODB文件引入Fe-Safe软件，进行了金属铝合金内衬的疲劳性能预测，从而为合理的自紧压力的选择提供了依据。

图5 不同自紧压力下复合材料气瓶内衬的疲劳次数预测

六、70MPa车载复合材料气瓶设计仿真

《储氢高压气瓶应用技术20讲：70MPa铝合金内衬纤维缠绕气瓶的铺层设计以及有限元分析》课程研究了纤维缠绕层数、内衬的表面粗糙度、内衬筒身段壁厚的增加、缠绕过程中的预应力以及自紧压力对内衬疲劳性能的影响，并且总结出了明确的规律，可为高使用压力高疲劳性能复合材料气瓶的研制，提供基础理论数据以及工艺参数指导，具有较高的工程应用价值。

综上所述，本课程建立了一种Ⅲ型70MPa复合气瓶缠绕层结构设计以及有限元分析方法，可用于指导优化纤维缠绕层，从而满足Ⅲ型复合材料气瓶爆破以及疲劳性能的要求。