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35MPa车用全缠绕复合材料气瓶设计及充气温升数值模拟

陈彦辉  
【摘要】:为了减轻车用天然气气瓶重量、增加天然气汽车行驶里程,本文对车用35MPa全缠绕复合材料气瓶进行理论设计。根据相关标准和技术指标,结合气瓶几何约束条件,对复合材料气瓶内胆进行结构设计,包括气瓶封头椭球比、内胆壁厚、内胆直径、瓶口直径等参数。通过网格理论及纤维缠绕工艺要求,对气瓶纤维缠绕层进行设计,包括纤维缠绕角度、纤维缠绕厚度、纤维缠绕层数等参数。为了验证复合材料气瓶在各工况下是否满足强度要求,按照TSG R0006-2014规定,纤维缠绕复合气瓶的瓶体设计应当采用应力分析设计方法。本文详细介绍了ACP(ANSYS Composite Prep Post)在处理复合材料结构方面的功能及流程,国内首次应用ANSYS Workbench平台下的ACP模块对玻璃纤维全缠绕复合气瓶进行几何建模和应力分析。依据GB24160-2009设计准则,通过优化设计得出了该气瓶的最佳自紧压力,并分别计算了气瓶在自紧压力、工作压力、卸载零压和最小设计爆破压力下的结构应力。最后,通过已有文献所介绍的试验与ANSYS ACP计算结果进行对比分析来验证ANSYS ACP建模的准确性。考虑到气瓶复合材料层对温度的敏感性,根据GB24160-2009规定,气瓶的使用温度不超过82℃。本文通过Fluent17.2建立复合材料气瓶充气温升数值模型,应用该模型对气瓶充气过程中的温升进行数值计算,得到了气瓶内部气体及壁面的温度分布情况。结果表明:充气结束后,气瓶复合材料层最高温度未超出复合材料气瓶许用温度范围,可证明在该工况下充气的安全性。最后,采用同样的方法对一种长管拖车用大容积气瓶的真实充气过程进行数值计算,并与该大容积气瓶试验结果进行对比分析来验证Fluent17.2建模的准确性。


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