车载高压气瓶标准.docx

天然气汽车车载高压气瓶

目   录
1         范围                                                  
2         参考                                                   
3         定义                                                  
4         工作条件                                              
5         批准和认证                                            
6         CNG-1 金属气瓶要求                                   
7         CNG-2 环向缠绕气瓶要求                                
8         CNG-3 全缠绕气瓶要求                                 
9         CNG-4 全复合材料气瓶要求                             
10     标记                                                  
11     准备                                                  
附件 A 测试方法与标准                                     
附件 B 超声波探测                                        
附件 C 批准和认证程序                                    
附件 D 有缺陷气瓶进行循环，通过无损检测确定缺陷尺寸      
附件 E 报告表                                            
附件 F 环境测试                                           
附件 G 使用应力表确定应力比                             
附件 H 制造商对气瓶检查、使用、放置的建议                
简介
车载天然气气瓶要求重量轻，同时要具有比其他压力容器更高的安全水平。可通过下列方法达到上述要求：
a) 精确而全面地指定工作条件，以此作为气瓶设计和使用的坚实基础。
b) 使用恰当方法估算循环压力疲劳寿命，来确定所允许的金属气瓶或内胆上缺陷尺寸。
c) 要求设计质量测试。
d) 进行无损检测，检查所有生产的气瓶。
e) 从每批成品气瓶中抽取气瓶和气瓶原材料进行破坏性测试。
f) 要求制造商保留全面的质量体系文件，并认真执行。
g) 定期检查，如有必要可根据制商的要求进行再次检测。
h) 要求制造商在他们的设计中气瓶的安全使用年限。
设计须符合下列标准：
a) 超过指定工作寿命的疲劳寿命。
b) 当进行压力循环至气瓶失效时，气瓶应泄露而不是破裂。
c) 进行水压爆破测试时，“爆破压力应力”的系数大于“工作压力应力”系数，超过此种气瓶设计和所用材料的数值。
遵守该标准的制造商和用户应主意，气瓶是在特定条件下规定时间内能安全使用。每支气瓶上都标记了失效期，制 造商和用户有责任确保气瓶在规定条件下使用，按制造商要求检测。
1 范围
本标准包含了天然气汽车车载高压可充装气瓶的最低要求，不包括因撞车而产生的外来冲击等工作条件。
本标准中包括钢、铝或非金属材料制成按特定工作条件下的气瓶，
1-1   性能   所有环节中都包含性能要求，无一例外。
    NGV 2-1  金属
    NGV 2-2  金属内衬外面环向缠绕纤维
    NGV 2-3  金属内衬外面全缠绕纤维
    NGV 2-4  非金属内衬外面全缠绕纤维
7866 1999   气瓶----可充装无缝铝合金气瓶—设计、制造、测试
4.2  最大工作压力
该标准是建立在15℃ 200 BAR，最大充装压力260BAR 的条件下。其他工作压力可按适当比例调节。如250 BAR 工作压力要求压力乘1.25。
除了工作压力以这种方式进行调节，气瓶应设计适合在下列压力范围内使用：
a)        压力为温度15℃ 200 BAR
b)       不管充装条件或温度变化，最大充装压力不超过260 BAR。
4.3    设计充装次数
     使用期内每年在15℃ 200 BAR条件下，按设定的气体温度充装1000次。
4.4  温度范围
4.4.1 气体温度
a)        气瓶内的气体温度介于 －40℃和65℃间
b)       充气和卸气的气体温度可能超过这一范围。
4.4.2 气瓶温度
a)        气瓶材料温度可介于－42℃和82℃间
b)       超过65℃的地区仅是少数，或持续时间短，气瓶内气体温度不得超过65℃，除了4.4.1 b 规定的内容外。
4.5  气体成份
    气瓶充装的天然气应符合下列干性或湿性气体。甲醇或乙二醇不得添加到天然气中。
a)  干性气体
    水蒸气应少于32mg/m3（比如200 BAR 压力下露点为－9℃）
    成份
    硫化氢和其他可溶性硫化物           23mg/m3            最多
    氧                                 1%                 最多
    氢（当气瓶由钢制成，拉伸强度超过950MPa） 2%                 最多
b)  湿性气体
    含水份多于干性气体。
    硫化氢和其他可溶性硫化物           23mg/m3            最多
    氧                                 1%                 最多
    二氧化碳                           4%                 最多
    氢                                 0.1%               最多
4.6  外表面
    气瓶外表面应能抵卸下列条件的冲击：
a)        水
b)       盐，如汽车在沿海地区使用。
c)       阳光中的紫外线
d)       砾石的冲击
e)        溶剂、酸、碱、肥料
f)        汽车内液体、包括汽油、水溶液、电池酸液、乙二醇和油等。
g)       废气
5  批准和认证
应由认可的机构进行检测，检查员应具备专门资格。
5.2.2  设计通过
    气瓶的设计须由检查员通过。制造商应提供下列信息：
a)       使用条件说明，见5.2.3
b)      设计数据，见5.2.4
c)      制造数据，见5.2.5
d)      质量体系，见5.2.6
e)       断裂性能，NDE 缺陷大小，见5.2.7
f)       规格表，见5.2.8
g)      附加数据，见5.2.9
5.2.3使用条件说明
a)       声明气瓶设计符合第四条中规定的使用条件。
b)      使用寿命声明
c)      气瓶使用中最低程度测试/或检测的说明
d)      卸压装置和绝缘的说明
e)       支持方法，保护层和其他要求但未提供的部件。
f)       气瓶设计的描述
g)      其他保证气瓶安全使用和检测的信息
5.2.4  设计数据
5.2.4.1 图纸
图纸应标出下列内容
a)       名称、参考号码、日期、修改号码及日期
b)      参考的标准及气瓶类型
c)      所有尺寸及公差，包括收口形状、最小壁厚、开口
d)      气瓶质量（重量）、公差
e)       材料规格、机械、化学性能或公差范围，金属内衬或气瓶，应提供硬度范围。
f)       其他数据，如最小测试压力、防火装置和外保护层、挤压硬化内表面的压力范围
5.2.4.2 应力分析报告
应进行有限元分析或其他应力分析。
提供计算的应力表。
5.2.4.3 材料性能数据
提供设计中使用材料性能数据，也应提交按照本标准第四条中条件下使用，能反应材料机械性能的测试数据。
5.2.4.4 防火装置
测试数据应证实防火装置的有效性。
5.2.5 制造数据
应提供加工工艺、无损测试、生产测试和批量测试的结果。
应说明生产工艺的公差，如热处理、末端收口、树脂混合比例、纤维张力、缠绕速度、固化时间、温度和挤压硬化内表面的压力。
应说明表面喷漆、螺纹细节、超声波探测合格标准、批量测试每批气瓶的最多数量。
5.2.6 质量控制
制造商应说明根据质量保证要求所采用的方法和程序，并符合气瓶使用国家的相关规定。
5.2.7 破裂性能和无损检测（NDE）的缺陷尺寸
制造商应说明无损检测（NDE）的最大缺陷尺寸以确保气瓶在破裂前泄露，防止气瓶在使用中因金属疲劳而失效。
最大缺陷尺寸应根据设计采用适当的方法确定。附件D中给了一个例子。
5.2.8 规格表
按照5.2.2规定在规格表中给出设计气瓶的资料，名称、参考号码、修改号码、原签发日期及每份资料的版本信息。所有资料须有签发人签名。
5.2.9 附加数据
有助于气瓶使用的附加数据，如拟应用的材料使用状况，或一种专门气瓶设计在其他工作条件的使用状况。
5.3 型号批准证书
如果气瓶设计及原型气瓶的测试符合6.5、7.5、8.5、或9.5的要求，检查员可签发型号批准证书。附件E是型号批准证书样品。
6  CNG-1 金属气瓶的要求
6.1 通用要求
设计应确保气瓶在正常使用中因压力部件可能的老化而发生“破裂前泄露”模式。
6.2 材料
6.2.1 通用要求
材料应符合条件4的要求，设计中不得将不溶合材料互相接触。
6.2.2 化学成分
6.2.2.1 钢
钢中不得含有铝或硅。所有钢的化学成分应声明，按下列内容归类：
a)       碳、锰、铝、硅含量
b)      铬、镍、钼、硼、钒含量，和加入的其他合金成分。
铸模分析中硫和磷的含量不得超过表1的要求。
表1 硫和磷含量的最高界限
拉伸强度
< 950 Mpa
  > 950Mpa
硫
0.020%
0.010%
磷
0.020%
0.020%
硫和
0.030%
0.025%
6.2.2.2 铝
    铝合金符合本标准的要求，也可以用来制造内衬，铅和铋含量不超过30ppmm。
6.3  设计要求
6.3.1 测试压力
制造中的最小测试压力为300 BAR （1.5倍工作压力）。
6.3.2 爆破压力
实际最小爆破压力不少于450 BAR。
6.3.3 应力分析
气瓶的应力值包括200 BAR，测试压力、设计的爆破压力。正确计算应力分布以确定设计的最小壁厚。
6.3.4 最大缺陷尺寸
金属气瓶任何部位的最大缺陷尺寸应保证气瓶符合压力循环和“破裂前泄露”的要求。
6.3.5 开口
只能在气瓶顶部开口，开口的中心线与气瓶的纵轴一致。
6.3.6 防火装置
气瓶设计中应有卸压装置。气瓶、材料、卸压装置应整体设计以保证在A.15 测试中有足够的安全性。出于最大化考虑安全因素，制造商应说明替换的PRD位置用于在车上安装。
卸压装置应在气瓶使用国家的检查员认可合格。
6.3.7 附件
附件材料须与气瓶材料相适应，采用非焊接方法与气瓶相连接。
6.4 制造和工艺
6.4.1 末端收口
每支气瓶在壁厚和表面喷漆前应认真检查。
铝气瓶底部不得用成形工艺封闭。
钢气瓶底部经成形工艺封闭后应进行无损检测。
末端收口工艺中不得加入金属。
6.4.2 热处理
末端收口后，气瓶进行热处理，使其硬度达到设计要求，不允许局部热处理。
6.4.3 瓶口螺纹
螺纹应切割干净，无间断，符合国际标准。
6.4.4 外部保护
气瓶的外表面应符合A 14酸环境测试的要求。可使用下列方法：
a)       表面喷漆
b)      保护层，如果外层是设计的一部分，应符合A9 要求。
c)      密封层阻挡A14中的化学物质。
气瓶表面的保护层不得影响气瓶的性能。
附件F 中提供了环境性能测试以检查保护层的有效性。
6.5 原型测试程序
6.5.1 通用要求
每种新气瓶须经原型测试，成品测试，并加盖辨别标记。检查员选择气瓶并目睹6.5.2的测试内容。如果标准要求用更多的气瓶进行测试，所有结果应记录。
6.5.2 原型测试
6.5.2.1 所要求的测试内容
在型号批准过程中，检查员应选择测试所需气瓶并目睹测试过程：
    1 个气瓶进行6.5.2.2 或6.5.2.3（材料测试）的测试内容。
3 个气瓶进行6.5.2.4（水压爆破测试）的测试内容。
2 个气瓶进行6.5.2.5（室温压力循环测试）的测试内容。
3 个气瓶进行6.5.2.6（破裂前泄露测试）的测试内容。
1个或2个气瓶进行6.5.2.7（火烧测试）的测试内容。
1个气瓶进行6.5.2.8（穿透测试）的测试内容。
6.5.2.2 钢气瓶的材料测试
钢气瓶应进行下列材料测试：
a)       拉伸测试
按A1内容进行成型钢气瓶的材料性能测试，并符合其要求。
b)      冲击测试
按A2内容进行成型钢气瓶的冲击性能测试，并符合其要求。
c) 耐硫化物应力裂纹测试
当钢气瓶拉伸强度超过950Mpa，按A3内容进行成型钢气瓶的耐硫化物应力裂纹性能测试，并符合其要求。
6.5.2.3 铝合金气瓶材料测试
铝合金气瓶应进行下列材料测试：
a)       拉伸测试
按A1内容进行成型铝合金气瓶的材料性能测试，并符合其要求。
b)      腐蚀测试
按A4内容进行成型铝合金气瓶的耐腐蚀性能测试，并符合其要求。
c)      持续载荷裂纹测试
按A5内容进行成型铝合金气瓶的持续载荷裂纹性能测试，并符合其要求。
6.5.2.4水压爆破测试
3 个气瓶按A12内容进行进行水压爆破测试直到气瓶破裂。气瓶爆破压力应超过设计中经应力分析计算的最小爆破压力，至少450 BAR。
6.5.2.5室温压力循环测试
2 个气瓶按A13内容进行室温压力循环测试直到气瓶破裂或至少循环45000次。气瓶在达
到规定的使用寿命年限乘以1000次循环前不得破裂。气瓶在超过规定的使用寿命年限乘以1000次循环时应泄露而不是破裂。超过45000循环而未破裂的气瓶应继续循环或水压测试直到破裂。应记录破裂时的循环次数和破裂位置。
6.5.2.6破裂前泄露测试
按A6内容进行气瓶的破裂前泄露性能测试，并符合其要求。
6.5.2.7火烧测试
1个或2个气瓶按A15内容进行火烧测试，并符合其要求。
6.5.2.8穿透测试
1个气瓶按A16内容进行穿透测试，并符合其要求
6.5.3 改变设计
改变设计是指非正常制造公差而产生的结构材料或体积的变化。
小范围的改变设计可通过减少测试项目达到质量合格。表2中的改变设计要求进行表中规定的原型测试。
表2 CNG-1 气瓶改变设计
改变设计
测试种类
水压爆破
室温循环
破裂前泄露
火烧
穿透
A12
A13
A6
A15
A16
金属气瓶材料
X
X
X
X
X
直径变化≤20%
X
X

直径变化＞20%
X
X
X
X
X
长度变化≤50%
X

X2)

长度变化＞50%
X
X

X2)

工作压力变化≤20%1)
X
X

封头形状
X
X

开口大小
X
X

制造工艺变化
X
X

卸压装置

X

1)      只有在壁厚变化与直径或压力变化成比例时
2)      只有在长度增加时才进行测试
6.6 批量测试
6.6.1 通用要求
应进行批量测试，并加盖辨别标记。如果标准要求用更多的气瓶进行测试，所有结果应记录。批量测试的气瓶从每批中随机选择。
符合 9809-36标准的气瓶不要求进行定期的压力循环测试，如果在气瓶型号定型中，气瓶经过至少15，000次从20 BAR到不少于300 BAR（按A6要求）的压力循环或至少30，000 次从20 BAR到不少于260 BAR（按A13要求）的压力循环而不破裂。
6.6.2 测试项目
6.6.2.1 每批气瓶进行下列测试：
a) 1 个气瓶
  1）按A12 进行水压爆破测试
b) 另1个气瓶，或成品气瓶热处理样品，
1）  按设计检查关健尺寸（见5.2.4.1）
2）  按A1内容进行拉伸测试，测试结果应符合其要求。
3）  钢气瓶按A2内容进行3次冲击测试，测试结果应符合其要求。
4）  当保护层是设计中的一部分时，按A24内容进行保护层批量测试。若保护层测试不合格，这批气瓶要逐个检查，将有相同缺陷的保护层取下。可重新加保护层，进行测试。
批量测试不合格的全部气瓶按6.9处理。
6.6.2.2 成品气瓶应按A13定期进行压力循环测试。
a)       每批气瓶中抽1个气瓶进行压力循环测试，次数为规定的使用寿命年限乘以1000次，至少循环15000次。
b)      如果同一设计类型的气瓶（相同的材料和工艺，见6.5.3）有连续10批气瓶进行压力循环测试，其泄露或破裂时循环次数达到了规定的使用寿命年限乘以1500次（至少22，500 次），则压力循环测试可降低为每5批中抽取1个气瓶。
c)      如果同一设计类型的气瓶有连续10批气瓶进行压力循环测试，其泄露或破裂时循环次数达到了规定的使用寿命年限乘以2000次（至少30，000 次），则压力循环测试可降低为每10批中抽取1个气瓶。
d)      如果自最后1次压力循环测试经过了3个月以上，下一批气瓶中抽取1个气瓶进行压力循环测试以保证b)或c)中降低了频率的批量测试。
e)       如果b)或c)中气瓶降低测试频率，循环次数未能达到压力循环的要求（25，000和30，000次），则按a)内容连续进行至少10批气瓶测试才能达到b)  c)中降低测试频率的要求。
如果a) b) c)中气瓶检测时未能达到规定的使用寿命年限乘以1000次的循环次数（至少循环15000次），应找原因，按6.9处理。从这批气瓶中再抽3个气瓶进行压力循环测试。如果这3个气瓶有任何1个气瓶未能达到规定的使用寿命年限乘以1000次的循环次数（至少循环15000次），这批气瓶报废。
6.7 每个气瓶的测试
一批中的每个气瓶应进行检查和测试，无损测试应按标准进行。
每个气瓶在制造和成型后进行下列检查：
a)       按附件B或其他方法进行无损检测，确保最大缺陷尺寸不超过6.3.4的规定。
b)      体积和重量在设计允许的公差内。
c)      表面漆、开口、收口、瓶肩等处的褶皱、凹陷。
d)      标记
e)       按A8对热处理气瓶进行硬度测试。
f)       按A11进行水压测试。如果选择1，制造商应确定使用压力带来的体积永久膨胀率，但不得超过10%。
6.8 批量合格证书
按6.6  6.7 的批量测试合格，制造商和检查员应共同在合格证书上签名。附件E 是合格证书的样本。
6.9 不能达到测试要求
若不能达到测试要求，下列条件经检查员同意可重新测试。
a)       如果测试中有错误，或测量有误，可重做测试。如果合格，可忽略上一次的测验结果。
b)      如果测试方法正确，则要找出失败的原因。
1）如果是热处理的问题，气瓶再进行一次热处理。如果是原型测试或批量测试不合格，重新测试前所有气瓶进行热处理。若单个气瓶测试时遇到不合格的情况，只对发现问题的气瓶进行再次热处理和测试。
   无论何时进行热处理，应保证最小壁厚。
   只有需要证明新的一批气瓶合格，才再次进行原型或批量测试。如果气瓶在一个或多个测试结果部分不合格，所有气瓶报废。
   2）如果不是热处理导致的测试结果不合格，有缺陷的气瓶或者报废或者按要求的方法修复。若修复的气瓶能通过相应的测试，可仍做为原来这批气瓶的一部分。
7 CNG-2 环向缠绕气瓶的要求
7.1 通用要求
设计应确保气瓶在正常使用中因压力部件可能的老化而发生“破裂前泄露”模式。如果金属内衬泄露，只能是因疲劳裂纹的增长而导致。
7.2 材料
7.2.1 通用要求
材料应符合条件4的要求，设计中不得将不溶合材料互相接触。
7.2.2 化学成分控制
7.2.2.1 钢
钢中不得含有铝或硅。钢的化学成分应声明，按下列内容归类：
a)       碳、锰、铝、硅含量
b)      铬、镍、钼、硼、钒含量，和加入的其他合金成分。
铸模分析中硫和磷的含量不得超过表3的要求。
表3 硫和磷含量的最高界限
拉伸强度
< 950 Mpa
  > 950Mpa
硫
0.020%
0.010%
磷
0.020%
0.020%
硫和
0.030%
0.025%
7.2.2.2铝
    铝合金符合本标准的要求，也可以用来制造内衬，铅和铋含量不超过30ppmm。
7.2.3 复合材料
7.2.3.1 树脂
树脂体系采用热固性树脂或热朔性树脂。通常采用环氧树脂，增强环氧树脂，聚脂，乙烯热固性塑料，聚乙烯和聚酰胺热朔性树脂。
树脂材料的玻璃传递温度应符合ASTM D 3418-97的要求。
7.2.3.2 纤维
结构增强材料采用玻璃纤维、芳纶纤维、或碳纤维。如果使用增强碳纤维，设计中应考虑金属气瓶的电腐蚀问题
制造商应保存复合材料的规格说明书，材料制造商提供的存放方法，每批材料符合规格要求的证明书。
7.3 设计要求
7.3.1 测试压力
制造中的最小测试压力为300 BAR （1.5倍工作压力）。
7.3.2 爆破压力和纤维应力比
金属内衬实际最小爆破压力不少于260 BAR。
实际最小爆破压力不少于表4中的规定。复合材料层在持续载荷和循环加载下应有高可靠性，高可靠性来自达到或超过表4中的复合增强应力比。应力比是纤维在规定的最小爆破压力下内部应力与在工作压力下应力之比。爆破比是实际爆破压力与工作压力之比。
计算应力比包括：
a)       非线性材料的分析方法（计算机编程或有限元分析）
b)      内衬材料的弹性-塑性 应力-应变曲线正确建模
c)      复合材料机械性能的正确建模
d)      计算挤压硬化内表面压力、挤压硬化内表面后的零压力、工作压力、最小爆破压力、
e)       补偿来自缠绕张力的预应力。
f)       最小爆破压力 计算出的最小爆破压力下的应力除工作压力下的应力应该达到使用的纤维应力比要求。
g)      分析使用混合纤维的气瓶时，考虑不同纤维不同弹性模量引起的载荷分布。
附件G中给出了可行的使用应变仪表测量应力比的方法。
表4 CNG-2 气瓶最小实际爆破值和应力比
纤维种类
应力比
爆破压力 BAR
玻璃纤维
2.75
500 1)
芳纶纤维
2.35
470
碳纤维
2.35
470
混合纤维
2)
1)      最小爆破压力。 根据7.3.2计算符合最小应力比要求。
2)      爆破压力和应力比根据7.3.2计算得出。
7.3.3 应力分析
预应力后的复合材料和内衬的应力值包括零压力、200 BAR、测试压力、设计的爆破压力。使用合适的分析方法考虑内衬非线性材料特性计算应力分布。
采用挤压硬化内表面提供预应力的设计中，挤压硬化内表面压力应在规定的范围内。采用控制缠绕张力提供预应力的设计中，应计算温度、每层要求的张力和内衬的最终预应力。
7.3.4 最大缺陷尺寸
金属气瓶任何部位的最大缺陷尺寸应保证气瓶符合压力循环和“破裂前泄露”的要求。
7.3.5 开口
只能在气瓶顶部开口，开口的中心线与气瓶的纵轴一致。
7.3.6 防火装置
气瓶设计中应有卸压装置。气瓶、材料、卸压装置应整体设计以保证在A.15 测试中有足够的安全性。出于最大化考虑安全因素，制造商应说明替换的PRD位置用于在车上安装。
卸压装置应在气瓶使用国家的检查员认可合格。
7.4 制造和工艺
7.4.1 通用
气瓶是内衬外面缠绕连续纤维制成，缠绕采用数控或机械控制，纤维在张力控制下缠绕到内衬上，之后在控制的温度下固化。
7.4.2 内衬
金属内衬须符合7.2，7.3.2或 7.5.2.2 或7.5.2.3相对应气瓶的要求。
7.4.3 瓶口螺纹
螺纹应切割干净，无间断，符合国际标准。
7.4.4 复合层
7.4.4.1 纤维缠绕
缠绕过程中，应监视一些变量在允许的公差内，并记录下列变量：
a)       纤维种类和尺寸
b)      浸渍方法
c)      缠绕张力
d)      缠绕速度
e)       纱团数
f)       纱带宽度
g)      树脂类型和成分
h)      树脂温度
i)        内衬温度
j)        缠绕角
7.4.4.2 热固性树脂的固化
如果使用热固性树脂，缠绕后应固化。固化中应记录固化（如时间-温度）周期。
铝合金内衬的气瓶最长固化时间和温度应低于影响金属性能的时间和温度。
7.4.4.3 挤压硬化内表面
如果使用挤压硬化内表面方法，则应在水压测试前进行。挤压硬化内表面压力在7.3.3规定的范围内。
7.4.5外部保护
气瓶的外表面应符合A 14酸环境测试的要求。可使用下列方法：
a)       表面喷漆
b)      使用适当的纤维和树脂材料。
c)      保护层，如果外层是设计的一部分，应符合A9 要求。
d)      密封层阻挡A14规定的化学物质。
气瓶表面的保护层不得影响气瓶的性能。
附件F 中提供了环境性能测试以检查保护层的有效性。
7.5 原型测试程序
7.5.1 通用要求
每种新气瓶须经原型测试，成品测试，并加盖辨别标记。检查员选择气瓶并目睹7.5.2的测试内容。如果标准要求用更多的气瓶进行测试，所有结果应记录。
7.5.2 原型测试
7.5.2.1 所要求的测试内容
在型号批准过程中，检查员应选择测试所需气瓶并目睹测试过程：
    1 个内衬进行7.5.2.2 或7.5.2.3（材料测试）的测试内容。
1个内衬和3 个气瓶进行7.5.2.4（水压爆破测试）的测试内容。

摘要：本文针对铝胆复合材料气瓶设计与制造过程中提出的有限元应力分析问题，根据 标准，对若干关键技术进行了综述和研究，突出的应用成果说明了这些技术的可靠性与实用性。

1 CNG气瓶设计及其应用背景

气瓶作为一种没有固定使用地点和环境、无专职使用和操作人员的特殊压力容器，已经在国内外得到了广泛的研究和应用。突出的范例有医护领域的自救呼吸装置及数以百万计的各类公交汽车用的压缩天然气气瓶。其中，复合材料缠绕气瓶是用钢胆或铝胆作为内衬，外面用高强度纤维复合材料缠绕制成，具有良好的抗疲劳、抗晶间腐蚀性能，且有较轻、便于搬运及应用等优点。目前，发达国家已有300多万只复合材料缠绕气瓶在安全的使用着。

传统工程意义的“薄膜理论”，“网格理论”，对复合材料气瓶的设计与分析计算，已不能满足要求。气瓶作为一种特殊的压力容器，在安全性、稳定性及可靠性等性能评定方面，根据 国际标准的要求，有严格的设计、制造、实验及性能验证的规范。
本文涉及的CNG-3型气瓶，是 标准中其制造技术最为复杂的一种，内胆材料为铝，纤维全缠绕。目前，铝内胆的设计与制造工艺，国内外已经形成十分先进与稳定的专利技术。作者针对全缠绕的CNG-3型气瓶，进行了材料非线性有限元分析方面的探索，并充分利用ANSYS的二次开发平台，开发了适合CNG-3等类型气瓶在各种压力工况下的应力分析与性能评定的软件，从而能够准确、快速、方便地确定复合材料气瓶是否符合工程应用环节的要求。

2 对CNG-3型气瓶进行应力分析的若干关键技术

根据设计制造CNG-3型气瓶的基本实践，我们必需面对并真正解决若干关键技术问题。

2.1 对复合气瓶的应力分析要求

根据国际标准，此类气瓶总体上被分为四类，即CNG-1，CNG-2，CNG-3和CNG-4。其中，CNG-1指全金属型气瓶；CNG-2指金属内衬纤维缠绕浸渍树脂型气瓶，其纤维缠绕方向只是周向单向缠绕；CNG-3也指金属内衬纤维缠绕浸渍树脂型气瓶，但其纤维缠绕方向是全方向的；CNG-4指非金属内衬纤维缠绕型气瓶，即全复合材料气瓶（如内衬为塑料材料）。

根据我们的理解，对于CNG-3，设计规范的基本要求为：

§ 建立可用的材料非线性分析方法与流程；
§ 建立正确的材料非线性的弹-塑性、应力-应变模型；
§ 建立全缠绕状态的复合材料机械性能参数计算方法；
§ 建立多纤维缠绕层或不同纤维材料构成的材料本构方程与平衡方程；
§ 分析纤维缠绕张力作用下的预应力；
§ 不同压力工况的应力分析；必须进行紧缩压力、零压力、工作压力、水压试验压力、最小爆炸压力等工况下的材料非线性应力计算；
§ 最大的缺陷尺寸，应能确保在循环压力工况下的安全可靠性，同时可保证LBB性能（爆炸前先泄露）。

2.2 铝胆与复合材料缠绕层的组合模型

对于铝胆复合材料气瓶，其外部纤维缠绕层是由高强度增强纤维及其基体，如玻璃纤维/环氧树脂、有机纤维/环氧树脂及碳纤维/环氧树脂等缠绕而成的。因此，它们具有比强度大、比刚度高等诸多的优点。在高压下，铝胆很快进入塑性，而纤维增强复合材料还在弹性状态。实验表明，这种组合模型至少在一个材料方向上呈现出应力-应变关系的非线性。同时，石墨纤维/环氧树脂、Kevlar纤维/环氧树脂及硼纤维/环氧树脂具有相当高的剪切非线性；硼纤维/铝复合材料具有相当高的横向或剪切非线性；碳/碳复合材料在各材料主轴方向均存在着较高的非线性等。这种非线性主要是由于基体性能的非线性和在受载过程中所产生的损伤缺陷引起的，它与基体的种类、纤维的形态、复合体积比率、纤维缠绕方向及承受载荷形式有关。显然，这是一个复合材料本构关系问题，通过应力-应变的物理非线性表现出来。如何准确地描述本构关系，对于我们能否较精确地进行力学分析和结构设计是非常重要的。材料非线性是指材料本构关系的非线性。若不考虑变形对材料的影响，平衡方程简化成线性，同时应变和位移的关系也是线性的，这就是小弹塑性问题。在塑性区域内，应力和应变之间不存在弹性范围的广义虎克定律。塑性变形的过程是不可逆的，变形功部分转化为热能，最后状态的应力与变形途径有关。

2.3预应力结构与材料非线性

正确应用预应力技术，是纤维缠绕复合材料气瓶的一个显著特点，也是气瓶应力分析中的一个重要环节。预应力结构形式是在60年代由预应力钢丝缠绕结构发展起来的。随着航空航天工业的发展，以及许多部门如原子能工业中的高速离心机和导弹武器系统等对机械结构高强度、低重量和高可靠性方面提出了更高的要求，碳纤维等非金属材料缠绕式预应力结构得到快速的发展和应用。

预应力容器的基本力学特点是，内壁是其强度最薄弱之处，起关键作用的是切向拉应力，而径向压缩应力恒等于内压之负值，这是无法改变的。预应力容器的基本设计思想，就是在内壁预先建立一种切向压应力—预应力，和拉伸的工作切向应力叠加，以大大减少甚至于完全消除切向拉应力，在合成状态建立起切向压应力或压应变。这样，就带来一系列静强度和疲劳强度上的优点，它们是：

§ 材料的不同力学性能得到充分发挥；
§ 承载能力大；
§ 抗疲劳强度高；
§ 安全可靠，无爆炸危险。

2.4 金属材料双线性各向同性强化模式

铝胆复合材料气瓶应力分析的的关键性技术之一，是实现铝胆复合材料气瓶的材料非线性有限元分析。铝胆复合材料气瓶在设计中充分利用了结构的材料非线性特点，通过自紧压力（AUTOFRETTAGE）的拉伸, 使金属铝胆达到屈服状态，产生塑性效应（即Bauschinger 效应），但外层缠绕的复合材料由于高强度而处在线性变形状态。当结构进行卸载至零压力，铝胆因塑性变形不能恢复原始状态，受到外层材料的紧缩压力，产生了自紧应力。

图1表明了铝胆的Bauschinger效应，拉伸方向的屈服应力增加，导致后继的压缩屈服应力在数量上降低，因此屈服应力高低之间存在2sy的差异。这种材料双线性各向同性强化模式代表了应力—应变曲线以及Von Mises的屈服准则。

图1 铝胆的Bauschinger效应
2.5 ANSYS与数值模拟技术

许多工程分析问题，都归结为在给定边界条件下求解它们的控制方程（常微分方程或偏微分方程）的问题。但是，能用解析方法求出精确解的只有方程性质比较简单，且几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的几何形状复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析解。因此，人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助于现代高速计算机来获得满足工程要求的数值解，这种数值模拟技术是现代工程学形成和发展的最重要推动力之一。

有限元法作为工程应用中的一种最重要的数值模拟技术的地位越来越得到人们的公认。ANSYS系统是国际上最具知名度的有限元分析软件之一，也已作为我国压力容器标准委员会推荐的基础软件之一，用于压力容器性能分析与评定。它不仅是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，而且还为用户提供了一个不断改进功能的二次开发平台，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、优化设计、接触分析、自适应网格划分、大变形/有限转动功能以及利用ANSYS参数设计语言（APDL）的扩展宏命令功能。

FEACAC（The Finite Element Analysis for the Cylinder of Aluminum-liner with Composites），便是在ANSYS二次开发平台发展的，它使CNG的设计分析与性能评定完全实现了三“化”（通用化、系列化、参数化），成为CNG快速设计与性能评定的重要基础手段。

3 基于 及ANSYS的FEACAC开发

国际上先进的CNG设计制造商提供的EPDRP技术报告（Engineering Preliminary Design Review Package）表明，对复合材料气瓶进行有限元应力分析计算是气瓶设计最重要的基础技术。其中，七种工况（自紧压力、零压力、工作压力、实验压力、最小爆炸压力等）的结构非线性应力分析，是设计的核心关键技术，也是CNG-3国际标准认证所要求的基本技术环节。

我们在 ANSYS二次开发平台上发展的FEACAC， 包括了三个宏程序包。它们是：

（1）ALUM-------专用于金属内胆的