轻质高压纤维缠绕结构储氢气瓶设计理论概述

基金项目：本文系2023年山东省高等学校大学生创新创业训练计划项目-校级-“碳纤维内胆Ⅳ型车载储氢气瓶设计与仿真”（项目编号：X202310452271）阶段性成果之一。

摘要：高压储氢气瓶以其轻量化、高压力、高储氢密度、长寿命等特点正成为全世界的研究热点。其中，纤维缠绕方式对于复合材料气瓶的应力分布和承载能力具有重要影响。本文归纳了纤维增强层不同的设计理论，并在此基础上分别介绍了国内外的研究现状。

引言

同传统压缩天然气气瓶相比，高压储氢气瓶具有轻量化、高压力、高储氢密度、长寿命等的优势。纤维缠绕方式对于复合材料气瓶的应力分布和承载能力具有重要影响，选择合适的缠绕方式，可有效提升气瓶的承载能力，减少纤维的使用量，提高气瓶的疲劳寿命，降低制造成本。常见的缠绕方式包括环向缠绕、螺旋缠绕和纵向缠绕[1]，如表1。轻质高压纤维缠绕结构储氢气瓶设计的关键是分析纤维增强层的应力和找出最优的纤维缠绕方案。本文归纳了纤维增强层不同的设计理论，并在此基础上分别介绍了国内外的研究现状。

1 经典层合板理论

假定层合板之间连在一起并且有变形，可认为层合板具有可变形性，单层合板处于平面应力状态，层合板满足直线法向假设。与其他应力相比，平行于中间平面的截面上的法向应力较小，可以忽略不计。根据经典层合板理论和由层合板组成的每个单层合板的机械性能参数加上厚度、层方向、层顺序和层数，进行坐标变换和数学推导则能够确定出层合板的平面模量和弯曲模量，通过计算得出层合板的应力-应变和弯矩旋转关系[2]。需要注意的是，确定层合板机械性能的参数需要与拥有相同加工技术的机械性能测试来计算得出。

在计算和分析过程如下：（1）参照给定的单层板性能和堆叠方式，计算出每块单层板的柔韧性、刚度和用载荷参数表示的应变及应力；（2）利用最大应变理论和Tsai-Hill 准强度理论，计算出每个单层板的破坏参数，确定单层板的首次破坏及其应变和应力；（3）选择 Tsai-Wu失效判据降低标准以降低破坏层的刚度，并重新计算出层合板的刚度和柔韧性。

2 网格理论

网格理论是一种简化的设计方法，基于假设只考虑纤维在承受压力时的行为，并假设每根纤维具有相同的承载能力。该方法主要关注纤维方向上的压力传递，忽略了基体材料的承载能力以及其他因素如基体树脂、缠绕层、缠绕张力和不均匀力对纤维性能的影响。在复合结构的初步设计中，网格分析方法用于估算周向和纵向纤维的强度，并确定各个方向上的缠绕厚度。然而，该方法所使用的纤维强度指标并非基于单根纤维的强度或带的强度，而是通过模拟小型气瓶的内部压力爆破试验来推导出的爆破压力[3]。需要指出的是，网格分析方法是一种经验性的理想化设计方法，其结果受到模拟实验变量、气瓶尺寸、加工技术和其他因素的影响。因此，在实际应用中，需要综合考虑不同因素的影响，并在设计过程中进行验证和修正。

3 其它设计理论

目前，研究人员在进行复合材料的机械性能研究，基于以上两种经典理论，得出相关设计理论和技术方法[4-6]。根据三维弹性准则，假设内部压力和多层纤维增强圆柱体各层不均匀性，求得圆柱体应力应变的精确弹性解：因每层纤维的缠绕角度不同，其圆周应力与轴向应力之比也会不同，即使气瓶壁较薄，其周向应力与轴向应力之比也不再是2：1 [7]。对于具有高刚度的复合压力气瓶来说，俄罗斯Kricanov [8]运用图形算法来优化纤维增强层的厚度，对传统的缠绕方法和复合结构提出意见：若限制气瓶的轴向应变，应将螺旋缠绕结构改变为φ（角度可以通过图形算法获得）；若限制圆周应变，最佳方法为提高绕组材料的刚度。犹他大学的 StephenR.Swanson [9]在内部压力和轴向拉压载荷下制作了纤维缠绕圆筒缠绕角度[0°/±45°/90°]，进行了层合板的压力测试和双向测试，将纤维方向的额定应力或应变作为破坏准则来试验，发现网络分析方法能借助层压增强材料来提高其精确度。目前，Tsai-Hill 失效判据、Hoffman 失效判据、Tsai-Wu 失效判据、Hashin 失效准则和三维失效准则都很普遍。其中，三维失效准则计算出的结果最为保守；根据网格理论，圆柱的最佳缠绕角度为 54.74°，叠层板理论得出最佳缠绕角度52.1°，三维破坏准则的缠绕角度最大，因为该准则更多考虑圆周应力的作用网络[10，11]。

结论：纤维缠绕方式对于复合材料高压储氢气瓶的应力分布和承载能力具有重要影响。本文归纳了纤维增强层不同的设计理论。对我国而言，高压储氢气瓶相关技术仍处在一个不断发展、不断进取的阶段，需不断努力完善相应技术理论，为今后Ⅳ型气瓶的研发打下坚实基础。

参考文献：

[1].Newhouse NL， Veys RB， et al. Boss for a filament wound pressure vessel[P]： US，US5429845.

[2].佟安时. 纤维金属层板的静力学性能及模型研究[D]. 东北大学， 2018.

[3].张鑫. 基于 ANSYS 的复合材料仿真分析[D]. 西安电子科技大学， 2009.

[4].于斌， 刘志栋， 靳庆臣， 等. 国内外空间复合材料压力气瓶研究进展及发展趋势分析（一）[J]. 压力气瓶， 2012， 29（3）： 13.

[5].王瑛琪， 盖登宇， 宋以国. 纤维缠绕技术的现状及发展趋势[J]. 材料导报， 2011， 25（5）：4.

[6].Rafiee R. On the mechanical performance of glass-fibre-reinforced thermosetting-resinpipes： a review[J]. Composite Structures， 2016， 143： 151～164.

[7].Liang C C， Chen H W， Wang C H. Optimum design of dome contour for filament-wound composite pressure vessels based on a shape factor[J]. Composite Structures， 2002， 58（4）：469～482.

[8].张靖. 纤维缠绕复合材料的等效刚度性能研究[D]. 大连理工大学， 2016.

[9].Xia M， Takayanagi H， Kemmochi K. Analysis of multi-layered filament-wound composite pipes under internal pressure[J]. Composite Structures， 2001， 53（4）： 483～491.

[10].Aceves S M， Martinez-Frias J， Garcia-Villazana. Analytical and Experimental Evaluation of Insulated Pressure Vessels for Cryogenic Hydrogen Storage. International Journal of Hydrogen Storage Energy[J]. 2000， 25： 1075-1085.

[11].Krikanov A. Composite Pressure Vessels with Higher Stiffness. Composite Structure[J].2000， 48：119-127.