文 献 综 述

储气瓶受力分析的有限元模拟

1、lt;!--[endif]--gt;课题研究的意义及背景

由于经济的发展人类可利用的石油资源日趋枯竭，世界各国在寻求经济发展的过程中都在寻求新的可利用能源和新的可持续发展政策。在这种形势下大力发展和应用复合材料CNG气瓶，对于节约能源、保护环境具有重要意义。但随着我国CNG汽车工业的快速发展，CNG气瓶的安全问题越来越受到广泛的关注。承装压缩天然气的气瓶，是可重复性充装的移动式高压压力容器，容易发生弹塑性疲劳破坏、内部腐蚀、密封失效等危害现象。高压储气瓶采取金属内胆，外部缠绕碳纤维结构。金属内胆主要起防气体泄漏的作用，外部的纤维缠绕层起主要的承载作用，所以说，对于整个气瓶的强度而言，主要取决于外部纤维缠绕层的力学性能。气瓶在受高压又接触腐蚀介质(硫化氢溶液)时, 由于局部腐蚀产生凹痕或裂隙, 并受拉应力作用, 这些凹痕或裂隙的根部就会产生裂纹。应力又使裂纹顶端的脆性氧化膜破坏, 暴露出新的阳极, 裂纹侧面仍被钝化, 形成阴极, 从而使电化学腐蚀过程继续, 促进了进一步开裂。当裂纹扩大到一定程度时, 裂纹就会在应力作用下以极快的速度扩展造成脆断 。因此，有必要对储气瓶受力分析进行有限元模拟。

2、国内外对大型复合材料储气瓶的研发进展

外国发达国家在大型复合材料CNG气瓶的研制和开发方面走在世界的前列，尤其是工业发展较快经济水平较高的国家。有设计显示在未来十年将研制出气瓶同船体结合为一体的专业运输船，为天然气的输送创造更多的方便。国内较著名的复合材料气瓶生产厂家也对全复合材料气瓶进行了大量研究，发展较快的有北京天海工业有限公司、重庆益峰高压容器有限公司、西安天洁航天科技有限公司。天海工业有限公司从美国引进了纤维缠绕气瓶及呼吸气瓶生产线，现在国内市面上所用的复合材料缠绕气瓶大多是”天海”的产品。”益峰公司”主要将产品定位在铝内胆外玻璃纤维缠绕气瓶上。”天洁公司”依托航天用固体火箭发动机的纤维缠绕技术，独立研发了全复合材料气瓶。除此之外，北京科泰克科技有限责任公司、黑龙江华安工业集团、沈阳中复科金压力容器有限公司等都在从事全复合材料气瓶的研制与开发。对于发达的经济技术水平较高的国家在利用天然气有一定的历史的国家已经具备了生产大型天然气压缩瓶的能力。国外公司制造复合材料CNG气瓶时采用纤维缠绕成型技术，使用的树脂体系一般是双酚A(如E51或E51与TDE85、环氧6360等复配)／酸酐体系，考虑到价格和生产效率因素，使用的纤维一般是T300级或T700级12k以上大丝束碳纤维。挪威CETech公司于2002年开始大型复合材料CNG气瓶的研究，并申请了一项美国专利(us7757621 B2)。其所开发的CNG气瓶直径可达6m，长度可达40m，工作压力为15～30MPa，工作温度为一60％一60℃。气瓶的内衬采用热塑性塑料，如高密度聚乙烯(HDPE)，筒体部分的壳体采用碳纤维环氧树脂预浸料干法缠绕成型(生产1个CNG气瓶需要使用碳纤维至少1．5吨)，两端的封头采用不锈钢，且封头直接粘结到缠绕成型的筒体部分。该公司2008年完成了大型CNG气瓶的各项性能测试，构想将气瓶竖立安装在天然气运输船上，然后在港口通过专用管道卸载天然气，预计很快会将之用于海洋天然气的运输。美国Lincoln公司开发并生产了一系列大型复合材料CNG气瓶，主要型号包括TITAN 气瓶、TI．TAN 大型气瓶模块、Tuffshell型储存气瓶及Tuffshell型燃料气瓶等。加拿大TransOceanGas公司最早从事玻璃钢气瓶的生产，近年来开始了碳纤维复合材料大型CNG气瓶的研究。其开发的CNG气瓶直径达1．2m，长度达3m，工作压力为25～75MPa，工作温度为-40～ 40qc，安全系数为3．0，设计寿命可达25～35年。气瓶的内衬也采用高密度聚乙烯(HDPE)，内衬端部的气体接口采用专业的无焊接PYPLOK型不锈钢端口。复合材料壳体采用碳纤维环氧树脂湿法缠绕成型。在实际应用时，该公司采用的思路与美国Lincoln公司类似，即8个气瓶置于专门设计的具有钢制框架的集装箱内，形成一个气瓶模块单元，以便于在货轮、公路和铁路运输使用。该公司已完成了大型CNG气瓶的各项性能测试，于2010年l0月开始了大型CNG气瓶的商业化生产。

3、复合材料气瓶的结构设计内容

复合材料气瓶的结构设计包括内衬设计和纤维缠绕层设计

3. 1 气瓶内衬封头的设计

在压力容器制造技术中，常常采用受力分布较均匀、存储空间利用率高的椭球形封头。在椭球形回转壳体中，椭球比( 长短轴比) m 是影响椭球封头受力和变形的重要参数。