复合材料CNG气瓶的结构设计开题报告
2020-05-30 11:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1. 文献综述
1.1复合材料CNG气瓶的研究背景及研究意义
汽油和柴油价格的不断上升已迫使很多运输公司和车辆所有者去寻找一种可代替的能源，同时汽车尾气对城市环境的污染越来越引起人们的重视,将燃烧汽油的汽车改装成燃烧压缩天然气的工程已因此逐渐展开。天然气污染程度低，最优车用燃料，所以压缩天然气汽车的推广运用能获得较大的社会经济和环境效益。而车用压缩气瓶是压缩天然气汽车的危险性关键零部件，气瓶的安全可靠性直接影响汽车的安全运行，因此，需极其重视对气瓶质量的控制把关。目前，在用的压缩天然气瓶主要有：钢制气瓶和复合材料气瓶，分类如图1。相对于全金属气瓶，复合材料气瓶具有显著的优势，那就是复合材料气瓶具有质量轻、刚度好、容器特性系数高、可靠性高、负载工作寿命长、高冲击强度、零腐蚀等特点。而这些压缩天然气气瓶都存在着一些缺陷，例如钢气瓶质量大，气瓶发生爆炸性事故的后果极为严重；如果使用复合材料气瓶，即在内胆上环缠绕和全缠绕纤维材料，虽然可以巧妙地减轻其重量同时减少燃料消耗，并且承受较高的压力，在发生爆破时不会产生危险性的碎片，降低或避免了对人员和车辆的损害，但是，复合材料CNG气瓶的气密性并不是很完善。对于早期用玻纤维浸渍环氧树脂缠绕于橡胶内胆上的复合材料CNG气瓶,由于玻纤的抗应力断裂和静态疲劳能力较低,气体渗透率较大,需对其提高安全系数。复合材料气瓶在航空领域中也占有一席之位，正在逐步取缔全金属气瓶，因为复合材料气瓶具有爆破前先泄露（LBB）和无高能量冲击碎片的枪击失效模式等特点。复合材料CNG气瓶在汽车工业、医疗设备和其它领域的应用已有几十年历史，它已成为海洋油田天然气储存和运输的最佳载体之一，也是目前世界各国海洋能源工业研究的热点之一。目前，在各种场合中应用的复合材料CNG气瓶的长度一般不超过2m，直径一般不超过0.6m，不能满足海洋油田天然气的高效、低成本的储存和运输，因此需研究长度达几十米、直径达几米的大型复合材料CNG气瓶。
综上，研究开发复合材料CNG气瓶的安全可靠性、气体密封性和大尺寸容器等对实现海陆上天然气的高效、低成本的储存和运输具有重要意义。
图1.CNG气瓶分类
1.2复合材料CNG气瓶国内外发展状况
国内外对复合材料CNG气瓶的研制已有二十几年，国外技术相对于国内技术较为先进成熟，复合材料气瓶标准也较为规范。目前，中国不仅需要提高研制复合材料CNG气瓶的技术还需要系统规范产品研发设计的标准，以确保安全性、可靠性。
国内外有很多企业和科研机构从事复合材料CNG气瓶的研发与生产，例如国外的单位有美国SCI 公司、美国Lincoln公司、挪威CETech公司等，国内有北京天海工业有限公司、重庆益峰高压容器有限责任公司等。
1.2.1复合材料CNG气瓶国外发展状况
1)美国
l SCI 公司
SCI公司为斯科集团下属公司，上个世纪70年代开始生产复合材料气瓶，它的复合气瓶以产品质量安全可靠远近闻名，其中尺寸较大的长度达到了3.048m,直径达0.439m,容积为312L,工作压力为25MPa,使用寿命可达到15年。SCI目前为美国航空研制了复合材料供氧气瓶、用于B2轰炸机气动系统中的复合气瓶等。SCI规定了研制用于航空的碳纤维复合材料气瓶的安全系数最小值为3.4，与实际研制存在差异，实际的安全系数典型范围在3.6～3.7之间。
l Lincoln公司
Lincoln公司开发生产了一系列大型复合材料CNG气瓶，主要型号：TITANTM气瓶、TITANTM大型气瓶模块等。对于TITANTM气瓶，内衬用高密度聚乙烯，具有高密度聚乙烯的属性，如表1，外壳用碳纤维环氧树脂缠绕复合材料壳体，具有良好耐疲劳性能，外表面是聚氨酯涂层，提高了气瓶的耐磨性和防水性，另有由镀镍的碳钢材料制成的专用接口用于卸载天然气，具有高力学强度和耐腐蚀性能。Lincoln公司研制生产的TITANTM气瓶直径可达1.068m,长度可达11.6m，能完成4500次压力循环，压力不超过37.5MPa。
表1.高密度聚乙烯的材料性质
|
密度(g/cm3) |
拉伸强度(MPa) |
弹性模量(GPa) |
泊松比 |
|
0.92-0.95 |
10-16 |
69.2 |
0.499 |
2）挪威
l CETech公司
为满足对大型复合材料CNG气瓶的需求，自2012年起，挪威CETech公司开始了对大型复合材料CNG气瓶的研究，并申请了一项美国专利(US7757621 B2)。其中，大型复合材料CNG气瓶的直径可达6m，长度可达 40m，工作压力为 15～30MPa，工作温度范围60～60℃，该公司于2008年完成了对大型复合材料CNG气瓶的各项性能测试，于是市面上将会有大量CETech公司的大型复合材料CNG气瓶出现，在海洋天然气的运输中得以运用。
1.2.2复合材料CNG气瓶国内发展状况
l 北京天海工业有限公司
北京天海工业有限公司涉及了大、中、小三种压缩气瓶的研制，目前有六条生产线，其中纤维缠绕气瓶等生产线是从美国引进的。
在现今的中国市场上，绝大部分运用的复合材料缠绕气瓶是由北京天海工业有限公司生产出售的。
l 重庆益峰高压容器有限责任公司
目前中国最大的CNG气瓶制造企业之一就是重庆益峰高压容器有限责任公司，它同时也是中国西部最大的高压无缝气瓶制造基地，主攻铝内胆外玻纤维缠绕气瓶。重庆益峰高压容器有限责任公司为确保气瓶的安全性和可靠性，用从美国引进先进的ANSYS对气瓶进行应力分析和模拟仿真。它生产的车用气瓶主要用于轿车、公交车、卡车，不仅在国内市场销售优秀，还能满足一些其他国家的需求。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
1. 研究或解决的问题和采用的研究手段（途径）
对于车用复合材料cng气瓶发生事故的主要原因有三种：泄露、燃烧和爆炸。
对全塑cng复合材料气瓶和碳纤维复合气瓶分别进行分析。
