Engineering and Management Science

本文分析了复合材料高压气瓶缠绕的碳纤维设计，结合网格理论和ANSYS有限元方法，建立了基于优化缠绕线型和张力递减控制的缠绕设计方法。通过对螺旋缠绕与环向缠绕组合的线型分析，探讨筒体和封头各区域强度分布对封头最佳缠绕角计算、采用薄膜理论获取复合层厚度和爆破压力的映射关系。基于ANSYS建立含有金属内衬和碳纤维复合层的多层结构模型，采用Shell91单元模拟复合材料的正交各向异性性能，并通过对缠绕张力、层间剪切应力对疲劳寿命影响的分析，得到了合适的缠绕张力制度为70-0.5N递减式张力，56L气瓶的设计爆破压强可以达到95MPa，ANSYS仿真结果和爆破试验结果差值在3.2%以内，证明了对螺旋缠绕层切根位置进行优化，避免了应力集中现象发生的可行性，为高压储氢容器的轻量化设计提供了技术依据。