车用全复合材料CNG气瓶的安全可靠性分析

摘要

压缩天然气(CNG)汽车的发展非常迅速，车载高压气瓶是汽车的关键零部件之一。全复合材料气瓶是车载高压气瓶的主要发展方向之一，该类气瓶具有质轻、强度高、耐腐蚀、气密性好、抗爆性好、可靠性高、耐疲劳等优点。全复合材料气瓶的研制与应用对天然气清洁能源的应用与发展具有非常重要的理论价值和现实意义。
　　 到2007年底北京的天然气公交车已达到 4100余辆，已安装车用压缩天然气全复合材料气瓶约18000只。作为一种新兴产品，尽管有很多优点，但是国内对全复合材料气瓶的研究还相对缺乏，气瓶在制造过程中存在一定的技术性缺陷、气瓶质量的不一致性、疲劳损伤、外界条件等的影响，气瓶发生失效的比例较高，这也使得人们对全复合材料气瓶的安全性能提出了质疑。因此，迫切需要对全复合材料气瓶的安全性能进行全面合理地评价。
　　 本论文主要针对全复合材料气瓶进行了以下几方面的研究：
　　 (1)对北京市车用气瓶检验站提供的全复合材料气瓶近10年来的定期检测数据进行统计分析，发现该类气瓶现存的主要问题，并进一步分析导致该气瓶失效的原因。
　　 (2)利用ANSYS有限元分析软件，采用自上而下的建模方法，对全复合材料气瓶进行建模，计算全复合材料气瓶在工作压力，试验压力，爆破压力下的应力应变情况，分析在这三种工况压力下的有限元计算结果。
　　 (3)对全复合材料气瓶进行耐疲劳试验，对全复合材料气瓶内胆进行力学性能试验，全面分析全复合材料气瓶安全可靠性的影响因素。
　　 通过以上研究，论文得出如下结论：
　　 (1)全复合材料气瓶存在的主要问题是气瓶内胆鼓包、裂纹。产生这问题的主要原因是气瓶内胆与外玻璃纤维缠绕层膨胀系数不一致。除此之外，不合理气瓶的定检工艺，也是导致全复合材料气瓶失效报废率较高的原因之一。
　　 (2)ANSYS软件模拟结果与气瓶实际失效部位一致，在工况压力和试验压力下全复合材料气瓶的强度满足气瓶的设计要求。全复合材料气瓶在73MPa下，达到的爆破极限，但全复合材料气瓶内胆的强度不够，有待加强。
　　 (3)全复合材料气瓶的疲劳试验证明，全复合材料气瓶的耐疲劳性能符合气瓶的设计要求，不影响全复合材料气瓶的安全可靠性。