一种新型车用轻量化高压复合气瓶的设计与制备

针对目前市场上CNG-2型车用钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶的轻量化趋势要求,设计采用薄壁钢内胆、高强玻璃纤维及环氧树脂为原料,参照国际标准设计制作出新型CNG-3型车用钢质内胆玻璃纤维全缠绕气瓶,并对气瓶进行了自紧工艺试验、水压测试、压力循环和水压爆破试验。结果表明,新研制的钢质内胆玻璃纤维全缠绕气瓶,与市场上传统CNG-2型钢质内胆玻璃纤维环向缠绕气瓶在相同外形尺寸、同容积情况下重量减少13%左右,2~26 MPa压力循环试验15 000次未泄漏,水压爆破压力为72.3 MPa,性能满足标准要求,符合设计预期,所研制产品符合CNG气瓶低成本、轻量化的要求。     

CNG-2环向缠绕气瓶纤维缠绕残余预应力的优化设计

复合材料气瓶压力容器的纤维缠绕预应力对容器的性能有很大的影响,合理设计纤维预应力可提高复合材料容器的综合性能。借助ANSYS有限元软件,建立了带有纤维缠绕残余预应力的环向缠绕气瓶的有限元参数化模型。在模型中,将纤维缠绕层视为复合材料层合板。按照GB 24160—2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》的规定,并结合各工况下应力水平的要求建立数学模型,对环向缠绕气瓶的纤维缠绕残余预应力进行优化,得到纤维缠绕残余预应力的最优值,使内胆在工作压力下有较低的应力水平,提高了气瓶的可靠性。     

钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶内胆强度计算分析

介绍了钢质内胆玻璃纤维环缠绕气瓶的应用、特点及主要材料的相关状况,描述了产品标准的采用情况和目前设计计算中通常采用的方法,阐述了内胆强度计算在环缠绕气瓶强度计算中的重要性;通过对内胆及纤维的受力分析,确定了在环缠绕气瓶爆破压力下内胆和纤维的应力状态以及环缠绕气瓶的爆破形式,并依据内胆材料的应力-应变曲线,提出了内胆强度的具体计算方法。     

一种大容积钢质内胆碳纤维全缠绕高压气瓶的研制

大容积钢质内胆碳纤维全缠绕高压气瓶研制的关键技术包括钢质内胆的旋压成形、内胆热处理、碳纤维全缠绕固化工艺技术。以上技术决定高压气瓶的质量性能和制造成本。本文阐述了以上工艺技术的研发过程、形成的工艺评定及可行性的试验验证。     

内胆壁厚变化对环缠绕复合气瓶疲劳性能的影响

受气瓶用无缝钢管壁厚偏差影响,环缠绕复合气瓶内胆实际壁厚可能存在0~+30%的变化。内胆实际壁厚变化会影响复合气瓶的自紧效果,从而影响复合气瓶的抗疲劳性能。采用有限元方法对壁厚不同的钢质内胆玻璃纤维环缠绕复合气瓶进行了应力分析。结果表明,随着内胆壁厚增大,相同自紧压力下内胆预压缩应力减小,工作过程中内胆平均应力增大,这会减弱气瓶的抗疲劳性能;但内胆疲劳交变应力幅减小,这对气瓶的抗疲劳性能又有增强作用。因此,分别基于Goodman和SWT平均应力修正方程,对计算所得的平均应力和疲劳交变应力幅进行了等效处理,两种方法所得等效交变应力幅均随内胆壁厚增大而减小。这表明二者的共同作用对环缠绕复合材料气瓶的抗疲劳性能有小幅度的提高,内胆实际壁厚的增大不会降低环缠绕复合气瓶的抗疲劳性能。     

钢制内胆环缠绕气瓶壁厚设计方法对比分析

由于相关钢制内胆环缠绕气瓶设计制造标准中未明确指定内胆壁厚的设计公式,使得市面上同样规格的环缠绕气瓶内胆壁厚和自紧压力等参数存在一定差异,给监管工作带来不便。首先全面总结了环缠绕气瓶钢制内胆的设计方法,然后根据设计结果建立有限元分析模型,对比分析了不同标准体系设计的气瓶内胆壁厚的差异,以及由于壁厚差异而引起的纤维应力比和自紧压力的变化。结果表明,GB 5099相比于其他两种标准体系内胆设计壁厚偏大,相差约4.35%~6.0%;导致相应的环缠绕气瓶纤维应力比相差3.5%~30.8%,自紧压力的合理范围也存在差异。     

复合材料气瓶的优化设计

随着能源结构的变化和环境污染问题的日益加剧,汽车工业的研究重点开始转向清洁能源领域,采用天然气为能源的汽车已经越来越受到人们的欢迎,而作为天然气的盛装载体——气瓶的发展必将会迎来全新的挑战.借助有限元分析软件,对车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶进行了有限元分析,得出了各工况下复合材料气瓶应力分布关系,为复合材料气瓶的优化设计提供了思考和借鉴.     

自紧压力对全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响

为了提高天然气汽车的续航里程,设计了30 MPa车用全缠绕压缩天然气气瓶。本文基于有限元软件平台下的复合材料分析模块,研究了不同的自紧压力对采用小角度螺旋缠绕、大角度螺旋缠绕加环向缠绕三种混合缠绕的全缠绕复合气瓶疲劳性能的影响,分析时采用SWT平均应力修正方程对交变应力幅进行了修正。结果表明:对气瓶进行自紧处理,基本不会改变内胆的交变应力幅,但是却可以降低其平均应力;在满足纤维应力比的前提下得出其最佳自紧压力为52 MPa,此时其疲劳循环次数约为15000次。     

大容积纤维缠绕气瓶的X射线数字成像检测方法研究

为了验证数字射线对大容积钢内胆纤维缠绕气瓶主要缺陷的检出能力,并给出检出能力的定量数据,本文针对气瓶在使用和制造过程中可能出现的纤维层断裂、划伤、气孔及内胆腐蚀、裂纹等缺陷,在纤维层和内胆上制作了系列刻槽和平底孔等人工缺陷,以模拟上述自然缺陷,通过优化后的透照参数,拍摄人工试样影像。检测结果表明,数字射线检测方法能够检出纤维层上深度为0.25 mm的纵向刻槽和深度为0.5 mm的环向刻槽,同时还能检出内胆上深度为0.25 mm的纵、环向刻槽等人工缺陷。由此证明了数字射线检测能用于大容积钢内胆纤维缠绕气瓶危害较大缺陷的初期检测,为其安全使用提供有力支持。     

含缠绕层缺陷大容积钢内胆复合材料气瓶爆破压力分析

采用有限元软件构建大容积钢内胆复合材料气瓶模型,并在缠绕层表面建立三个体积型缺陷。详细阐述了数值模型的构建过程,重点分析了在设计爆破压力(50 MPa)下含不同缠绕层表面缺陷的气瓶内胆和缠绕层应力分布及大小,通过最大应力准则预测了各自情况下的爆破压力,与气瓶水压爆破试验数据进行了对比,并在此基础上研究了不影响爆破压力的缠绕层表面临界缺陷尺寸。模拟结果表明:缺陷对内胆应力影响较小,但缠绕层应力会因此急剧增大;爆破压力则是明显减小,且深度对其影响更大;针对本文讨论的气瓶,给出了临界面积为200 mm×200 mm,临界深度为1 mm这一结论。     

大容积钢质无缝气瓶致脆风险的防范措施

本世纪初,国产大容积钢质无缝气瓶,逐渐取代进口,占领国内市场,并进军国际市场。钢瓶盛装和运输的气体当中,一部分是氢气、天然气等具有致脆风险的气体。国产钢瓶如何在质量上、安全上占领优势,让国内外客户放心,如何防范钢瓶的氢脆,在钢瓶的材料、设计、制造、检验等方面有哪些措施,本文进行了较详细的论述。     

复合材料天然气气瓶预紧压力的研究

本文针对铝内衬全缠绕复合材料天然气气瓶,应用ALGOR FEAS有限元分析系统进行了气瓶材料的弹塑性历程分析,设计了气瓶的预紧压力。采用轴对称的应力－应变关系对气瓶金属内衬、复合材料进行了应力分析,确定了气瓶的应力分布状态。研究表明,通过预紧压力设计,降低了铝内衬工作状态下的最大拉应力,实现了提高复合材料气瓶疲劳寿命的目的。     

薄壁钢内衬CF圆筒承压性能仿真及水压爆破试验

针对含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒典型结构,建立三维有限元模型,采用温度参数法逐层计算内衬剩余应力,并预测其承压性能;基于水压爆破试验,研究了多缠绕角下缠绕张力、不同碳纤维等级对钢内衬及复合材料圆筒承压能力的影响,并结合钢内衬的声发射振铃计数特征判别载荷屈服点。试验结果表明,含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒的最佳缠绕张力为75 N左右,T700,T300两种强度碳纤维复合圆管的钢内衬最大屈服载荷基本相同。     

DOT－3AAX气瓶及其运输设备的安全设计

介绍了DOT－3AAX标准对大容积钢制无缝气瓶的材料、壁厚设计、开孔连接、热处理及水压试验等方面的要求及特许标准E8009对盛装压缩天然气的3AAX气瓶的特殊要求,并分析了气瓶组合式运输设备的安全设计。     

压缩机缸套断裂原因及改进

分析了氮氢气压缩机四段缸套断裂原因，对缸套设计进行重新计算校核，对缸套进行重新选材、设计，优化了缸套装配结构，实现了设备长周期稳定运行。     

充装量及筒体长度对车载LNG气瓶共振频率影响的数值模拟分析

以大容积车载液化天然气(LNG)气瓶为研究对象,分析不同充装量和不同筒体长度下的各阶共振频率随这两个参数变化的规律。当筒体长度不变时,随着充装量的增加,气瓶共振频率逐渐减小,按照标准最大允许充装率90%时,气瓶一阶共振频率已减小到国标允许的40 Hz以下,使用时容易引起气瓶内胆轴向窜动引发失效。当充装率90%保持不变时,随着筒体长度的增加,气瓶共振频率也呈现减小的趋势,当筒体长度为原长的0.8倍时,气瓶共振频率便低于40 Hz,而且随着长度增加将进一步降低,产生共振可能性加大,不满足国家对车载气瓶共振频率的要求。上述研究说明,评价气瓶抗振性能时应考虑内部介质充装率的影响,建议采用最大充装率为90%的气瓶作为判定该类型气瓶共振频率是否达标的条件。另一方面,当采用增加筒体长度扩大盛液容积时要注意共振频率随筒体长度降低的问题,避免结构振动破坏。     

进口往复式压缩机气缸磨损原因分析与改进

某厂一台进口往复式新氢压缩机,累计运行时间半年,运行能力就达不到设计要求,振动超标,检查发现了一段缸缸套磨损严重,活塞环槽出现不同程度磨损和活塞环断裂等问题.从机组和管系震动、气缸组件材质选用等方面入手开展失效分析,提出改进措施.通过降低机组和管系震动,对活塞和缸套进行技术改造,经过半年的运行取得了成功,压缩机运转平稳,运行能力达到了设计的要求.