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25MPa车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶的优化设计方案一、设计背景随着世界经济的发展，全世界的汽车产量和汽车保有量都在不断增加；目前全世界的汽车产量已超过5000万辆，汽车保有量已达7亿辆，汽车运行消耗石油量占全世界石油产量的一半以上；依据国外1994年的研究报告及世界上石油的蕴藏资源和消耗量的预测，全世界的石油资源仅能够供人类使用约50年；即到21世纪中叶，汽车以石油作燃料的时代将会结束。因此天然气等气体作为汽车燃料，不仅资源丰富，价格仅为汽柴油的50%一60%，人类对能源的选择主要取决于成本、储量和环境保护三个方面；燃气汽车具有安全、经济、减少污染等一系列优点；所以发展燃气汽车是提高我国公路运输效率，促进国民经济可持续发展，促进形成一系列新的产业的一项综合工业；这正是世界各国竞相发展天然气汽车的原因所在。发展燃气汽车的重要和关键零部件之一是加气站的高压气瓶和燃气汽车用的压缩天然气(CNG)气瓶，气瓶的性能和质量高低不仅会影响到燃气汽车的发展，而且直接影响到燃气汽车的使用安全，必须做到万无一失。然而气瓶的重量与汽车的本身的重量匹配必须在合理的范围内，标准规定是汽车本身重量的5%，因此在相同容积下我们汽车安装的气瓶在保证安全的情况下，越轻越好，这就是我们气瓶设计的容重比的问题。我们知道压缩天然气CNG为常温高压储存（20MPa），是一种理想的车用替代能源，具有成本低、效益高、无污染、使用安全便捷等优点。CNG的生产输送过程是将低压天然气增压至20MPa～25MPa，再通过气瓶出口管路的减压阀将高压天然气减压到汽车可用的压力等级。该方案技术难度低，成熟度高，安全性可基本保证。在25MPa的情况下，天然气可压缩至原来体积的1/300，大大降低了储存容积，但压力的增大，也对CNG技术中的关键设备——储气瓶的质量提出了更高的要求。为了解决这个问题，提高车用缠绕气瓶的压力储存等级，我们需将气瓶的工作压力提高到25MPa进行设计。国内外进行了不同内衬的复合材料气瓶的研究。这类气瓶综合了复合材料的高比强度、可设计性以及内衬的良好气密性、优良的耐蚀性等诸多优点，使其达到高承压能力、高疲劳寿命、质轻、耐腐等优良性能的完美结合，这也使得对复合材料CNG气瓶的研制开发成为国内外的一大热点。随着国内对钢管制造工艺的不断进步，CNG钢瓶的热处理工艺、力学性能、断裂韧性、内外表面的强化方法及其它影响钢质气瓶的因素进行了系统研究，取得了一些有意义的、有应用价值的成果。同时对钢质内衬环向复合材料增强的气瓶进行了系统的研究，对气瓶设计、结构和受力情况进行了有限元分析；对气瓶进行优化设计，对气瓶的制造工艺进行了全面分析，提出了优化制造工艺；对钢内衬和复合材料层在疲劳试验中的模量匹配问题进行了深入研究，综合考虑了表面的压应力、疲劳应力、钢和玻纤的弹性模量及其在疲劳中的应变量和变形匹配，提出和完善复合材料层的张力缠绕工艺，对内胆的壁厚进行优化设计。通过设计计算全面贯彻GB24160-2009《车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶》、TSGR0009-2009《车用气瓶安全技术监察规程》和相关标准的规定，确定气瓶的型式、结构、几何形状尺寸、材料以及相关附件等，为工艺设计和生产制造、检验奠定基础。气瓶结构型式为A型，工作压力25MPa，水压试验压力为37.5MPa，钢内胆的最小爆破压力为32.5MPa，缠绕气瓶的最小爆破压力为62.5MPa的钢质内胆环向缠绕气瓶，由于该缠绕气瓶是钢质内胆环向缠绕气瓶，该气瓶的重量主要来自于钢内胆，经过分析与试验，对该缠绕气瓶的钢内胆壁厚进行优化设计，选取最优的设计壁厚。二、设计方案1、Φ325系列工作压力为25MPa缠绕气瓶的设计方案:为保证设计的安全性能和使用性能，充分考虑了产品的经济性等方面。材料选用：钢质内胆材料选用30CrMo,复合缠绕层材料选用：E玻璃纤维和环氧树脂。在经过大量的设计计算以及有限元应力分析得出最优化的具体方案为，钢质内胆的筒体最小设计壁厚为6mm，内胆瓶底最小设计壁厚大于13mm，气瓶嘴外径为45mm长度为30mm，缠绕复合层的厚度6mm，缠绕气瓶的外径尺寸337±2mm，缠绕气瓶内胆选用旋压成型的方式，热处理的方式和20MPa的缠绕气瓶钢内胆热处理方式一样采用连续调质热处理，缠绕和固化方式和20MPa的缠绕气一样。2、Φ356系列工作压力为25MPa缠绕气瓶的设计方案:为保证设计的安全性能和使用性能，充分考虑了产品的经济性等方面。材料选用：钢质内胆材料选用30CrMo,复合缠绕层材料选用：E玻璃纤维和环氧树脂。在经过大量的设计计算以及有限元应力分析得出最优化的具体方案为，钢质内胆的筒体最小设计壁厚为6.6mm，内胆瓶底最小设计壁厚大于14mm，气瓶嘴外径为45mm长度为30mm，缠绕复合层的厚度6.5mm，缠绕气瓶的外径尺寸369±3mm，缠绕气瓶内胆选用旋压成型的方式，热处理的方式和20MPa的缠绕气瓶钢内胆热处理方式一样采用连续调质热处理，缠绕和固化方式和20MPa的缠绕气一样。3、Φ406系列工作压力为25MPa缠绕气瓶的设计方案:为保证设计的安全性能和使用性能，充分考虑了产品的经济性等方面。材料选用：钢质内胆材料选用30CrMo,复合缠绕层材料选用：E玻璃纤维和环氧树脂。在经过大量的设计计算以及有限元应力分析得出最优化的具体方案为，钢质内胆的筒体最小设计壁厚为7.6mm，内胆瓶底最小设计壁厚大于16mm，气瓶嘴外径为45mm长度为30mm，缠绕复合层的厚度7.5mm，缠绕气瓶的外径尺寸421±4mm，缠绕气瓶内胆选用旋压成型的方式，热处理的方式和20MPa的缠绕气瓶钢内胆热处理方式一样采用连续调质热处理，缠绕和固化方式和20MPa的缠绕气一样。