基于扩孔缠绕的Ⅲ型储氢气瓶铺层优化及应力分析

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.011

复合材料科学与工程 ›› 2026, Vol. 0 ›› Issue (5): 78-88.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20260528.011

基于扩孔缠绕的Ⅲ型储氢气瓶铺层优化及应力分析

金树峰, 王静泊, 张智贤, 刘丹, 代紫璇

兰州理工大学石油化工学院,兰州 730050

收稿日期:2025-02-28 出版日期:2026-05-28 发布日期:2026-07-01
作者简介:金树峰(1990—),男,博士,副教授,主要从事低温储运技术方面的研究,jinshufeng100@163.com。
基金资助:
甘肃省市场监督管理局科技计划项目(2024MK129)

Layer design and stress analysis of type Ⅲ hydrogen storage cylinders based on hole-expansion winding

JIN Shufeng, WANG Jingbo, ZHANG Zhixian, LIU Dan, DAI Zixuan

School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

Received:2025-02-28 Online:2026-05-28 Published:2026-07-01

摘要/Abstract

摘要： 为提高Ⅲ型储氢气瓶的承载能力和使用安全性,针对Ⅲ型储氢气瓶定角度缠绕导致的纤维堆积应力集中问题,基于扩孔缠绕的优化设计方法,对气瓶的缠绕层铺层方案进行了研究,并运用ABAQUS-WCM软件建立气瓶有限元模型,分析扩孔前后气瓶的应力分布规律及其对承载能力的影响。研究结果表明,通过改变气瓶纤维缠绕孔径,可降低环向缠绕层应力,提高螺旋缠绕层应力,改善气瓶的应力集中现象,使环向缠绕层与螺旋缠绕层应力分布更加均匀。根据最大应力失效准则进行失效分析,结果表明,气瓶扩孔后最小爆破压力从100.1 MPa提升至103.4 MPa,增加了3.3%,增强了纤维的承载能力。环向缠绕层和螺旋缠绕层在各方向应力分担中发挥了更大作用,从而提升了气瓶整体的结构强度和性能。

关键词: 复合材料储氢气瓶, 扩孔缠绕, 有限元分析, 铺层优化, 应力分布

Abstract: To enhance the load-bearing capacity and operational safety of type Ⅲ hydrogen storage cylinders, this study focuses on addressing the stress concentration caused by fiber accumulation in fixed-angle winding. Utilizing an optimized design method of expanded-aperture winding, the layup scheme of the cylinder’s winding layers was investigated. Finite element models of the cylinder were developed using ABAQUS-WCM software to analyze stress distribution patterns and their effects on load-bearing performance before and after aperture expansion. The results demonstrate that adjusting the fiber winding aperture reduces stress in the hoop winding layers, increases stress in the helical layers, mitigates stress concentration, and achieves a more uniform stress distribution between the two types of layers. Failure analysis based on the maximum stress failure criterion revealed that the minimum burst pressure increased from 100.1 MPa to 103.4 MPa after aperture expansion, representing a 3.3% enhancement and improved fiber load-bearing capacity. Both hoop and helical winding layers play a more significant role in stress distribution across multiple directions, thereby enhancing the overall structural strength and performance of the cylinder.

Key words: composite hydrogen storage cylinders, flare winding, finite element analysis, layer optimization, stress distribution

中图分类号:

TB332

金树峰, 王静泊, 张智贤, 刘丹, 代紫璇. 基于扩孔缠绕的Ⅲ型储氢气瓶铺层优化及应力分析[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(5): 78-88.

JIN Shufeng, WANG Jingbo, ZHANG Zhixian, LIU Dan, DAI Zixuan. Layer design and stress analysis of type Ⅲ hydrogen storage cylinders based on hole-expansion winding[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2026, 0(5): 78-88.

参考文献

[1] 杨洋. 氢气储存技术研究进展[J]. 石化技术, 2023, 30(8): 22-24.
[2] 马全胜, 王文义, 卢钊钧. 复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展[J]. 高科技纤维与应用, 2023, 48(3): 13-19.
[3] 杨文刚, 李文斌, 林松, 等. 碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展[J]. 玻璃钢/复合材料, 2015(12): 99-104.
[4] HARTUNG R F. Planar-wound filamentary pressure vessels[J]. AIAA Journal, 1963, 1(12): 2842-2844.
[5] KNOELL A. Structural design and stress analysis program for advanced composite filament-wound axisymmetric pressure vessels (COMTANK): JPL-TR-32-1521[R]. Washington, DC, USA: NASA, 1971.
[6] GRAMOLL K, ONODA J, NAMIKI F. Dome thickness of filament wound pressure vessels[J]. Transactions of the Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, 1990, 33(100): 66-79.
[7] GRAMNLL K C, 眉山. 纤维缠绕压力容器的圆顶厚度[J]. 导弹与航天运载技术,1991(3): 66-75.
[8] 矫维成, 王荣国, 刘文博, 等. 纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度预测[J]. 复合材料学报, 2010, 27(5): 116-121.
[9] 顾付伟, 朱晓磊, 陆晓峰, 等. 一种改进的复合材料压力容器封头纤维厚度预测方法[C]//第十届全国压力容器学术会议论文集(上). 合肥: 中国机械工程学会压力容器分会, 2021: 422-432.
[10] 许家忠, 张殿鑫, 栾胜罡, 等. 纤维缠绕压力容器封头壁厚预测方法分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2016(7): 14-19.
[11] 胡俊, 李鹏, 吴耀楚. 螺旋缠绕厚壁压力容器封头段的线型调整[J]. 化工机械, 2003, 30(1): 26-28.
[12] 刘亚君, 金玉娟. 车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶设计要点[J]. 压力容器, 2009, 26(12): 28-33.
[13] 陈旦. 碳纤维缠绕Ⅳ型复合材料压力容器的结构设计与研制[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2019.
[14] 贾子璇. 塑料内衬复合材料储氢气瓶的结构设计及有限元验证[D]. 北京: 北京化工大学, 2020.
[15] 刘培启, 杨帆, 刘岩, 等. 扩孔工艺对复合材料气瓶强度的影响[J]. 压力容器, 2018, 35(12): 26-33.
[16] 鄢家乐, 陈学东. 70 MPa车载Ⅳ型储氢气瓶铺层设计与实验验证[J]. 西安交通大学学报, 2022, 56(10): 71-80.
[17] 全国气瓶标准化技术委员会. 车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶: GB/T 35544—2017[S]. 北京: 中国标准出版社, 2017.
[18] 王华毕, 程硕, 祖磊, 等. 复合材料储氢气瓶的纤维厚度预测与强度分析[J]. 复合材料科学与工程, 2020(5): 5-11.
[19] 秦泽林. 碳纤维复合材料储氢容器缠绕成型工艺及强度分析研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2023.
[20] 黄泽升, 竺铝涛, 沈伟, 等. 纤维缠绕工艺在复合材料压力容器上的研究进展[J]. 现代纺织技术, 2023, 31(2): 230-243.

基于扩孔缠绕的Ⅲ型储氢气瓶铺层优化及应力分析

Layer design and stress analysis of type Ⅲ hydrogen storage cylinders based on hole-expansion winding

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[1]	朱从云, 朱云龙, 院蕾. 复合材料层合板边界条件的声辐射特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(5): 98-103.
[2]	刘国春, 沈赫, 孙华伟. 复合材料泡沫夹层结构非穿透损伤修理的四点弯曲性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(4): 63-71.
[3]	张云峰, 李炳君, 杜展祥, 滕振超, 王桐, 许耀祥. 冻融循环后GFRP管约束钢筋混凝土柱轴压性能试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(3): 82-91.
[4]	覃育参, 王兵兵, 吴金森, 金万军, 何超, 唐正强. 不同加载速率对CFRP/Al单双剪铆接强度的影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(2): 65-71.
[5]	王昕煜, 周金龙, 孙慧玉. 高低温下飞艇囊体材料撕裂性能试验与仿真研究[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(1): 16-23.
[6]	许欣怡, 马连华, 周伟. 基于直接多尺度法的单向纤维复合材料弯曲渐进损伤分析[J]. 复合材料科学与工程, 2026, 0(1): 39-44.
[7]	李雯芮, 刘平, 尹灵芳. PVDF膜材裂缝扩展演化过程试验与数值模拟研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(8): 43-53.
[8]	康元春, 杨建华. CFRP/铝材料轮毂轻量化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(6): 94-100.
[9]	朱遂安, 张鸿, 李湘萍, 刘兵飞. 基于宏细观模型的黏弹性复合材料层合板阻尼预测[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(5): 73-80.
[10]	张云峰, 马锦辉, 张佳睿, 滕振超, 王桐, 梁晨光. GFRP-十字形钢骨混凝土柱轴压试验及力学性能研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(5): 117-124.
[11]	石林鑫, 王海军, 王洪磊. CFRP基材矿用安全头盔轻量化设计与优化[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(4): 125-134.
[12]	刘佳鑫, 林再文, 邹志伟, 程显贺, 曹延君, 田涯. 碳纤维H形截面支撑环脱模工艺仿真及优化[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(3): 71-78.
[13]	伊文昭, 刘璐璐, 徐凯龙, 陈伟. 考虑湿热老化的单向纤维增强复合材料纵向脱黏行为的数值模拟[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(2): 46-53.
[14]	肖潇, 马超, 张铁山. 螺栓和胶栓混合连接的GFRP梁柱新型端板节点的抗震性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(2): 108-116.
[15]	舒沈云浩, 卢红龙, 轩立新. 大厚度蜂窝固化受压过程的精细结构仿真研究[J]. 复合材料科学与工程, 2025, 0(11): 48-54.