复合材料LNG车用气瓶设计及有限元分析

摘要

液化天然气（liquefied natural gas，LNG）气瓶作为液化天然气汽车的能源存储容器，是车上的一个关键部件。传统气瓶以金属材料制成，一方面金属密度大导致了气瓶自身质量大的缺点，另一方面由于金属良好的导热性也使绝热层的制作成本更高。随着航空航天领域的发展，复合材料低温贮箱技术已经十分成熟，如果能及时将这项技术转为民用，开发全复合材料LNG气瓶，可以解决这两方面问题，实现整车的轻量化，降低能耗。 首先本文在给定气瓶工作环境的前提下，通过总结标准选取了缠绕成型的气瓶成型工艺，并确定了气瓶包括缠绕厚度、缠绕角度、绝热层厚度的重要参数。接着结合对气瓶进行了压力试验有限元仿真，验证了气瓶的安全性；对气瓶的工作状况进行了有限元仿真，发现气瓶预冷后充装与常温充装相比可以降低气瓶筒身段的应力峰值，并预测了气瓶工作时的临界失效压力与危险位置。最后，对气瓶进行温度场模拟，对气瓶的绝热性能进行了研究。 根据仿真结果结合Hahsin失效准则得到以下研究结果：在给定工作环境内压载荷0.8MPa，-162℃，气瓶预冷后充装的条件下，气瓶可以正常工作。当内部压力高达4.4MPa时，气瓶才失效而无法正常工作。同时在此工作条件下，气瓶内LNG液体在55h内温度无明显变化。仿真结果表明，所设计的全复合材料LNG车用气瓶可以在工作环境下正常使用，有较好的安全性与绝热性。

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