摘　要：纖維纏繞復合材料氣瓶具有高比強度和比模量、抗疲勞、抗腐蝕等優點，已經成為研究的焦點. 文中分析了纖維纏繞復合材料氣瓶在國內外的研究進展，并進行了歸納總結，主要內容包括：纖維纏繞復合材料氣瓶的國內外標準、制造過程中應考慮的主要因素、失效準則、失效模式以及優化設計. 通過對比發現，Tsai-Wu失效準則預測的失效壓力與實驗值接近. 提出了一些預防復合材料氣瓶失效的措施，對氣瓶的安全使用有一定的借鑒作用. 后指出了未來研究的重點.
關鍵詞：復合材料氣瓶；纖維纏繞；失效準則；失效模式；優化設計

　　隨著科學技術的發展，復合材料已廣泛應用在航空、航天、能源、化工、海洋工程、生物醫藥、武器工業等領域. 在日益崇尚環境友好的今天，燃油汽車的使用導致能源枯竭和城市環境污染已引起的關注. 各國政府正在采取各種措施來解決這一問題，措施之一就是使用清潔燃料，如壓縮天然氣（compressed nature gas，CNG）和H₂等，代替柴油和汽油；但這些清潔燃料需要使用壓力容器. 一般使用鋼制氣瓶，這勢必會增加車重、占用貨箱的空間以及增加汽車行駛的能耗等. 采用纖維纏繞復合材料氣瓶代替傳統的鋼制氣瓶能夠克服上述缺點，已經成為研究的熱點.
　　纖維纏繞復合材料氣瓶具有以下優點：1）氣瓶重量輕、剛性好、強度高；2）金屬材料的疲勞破壞通常是沒有明顯預兆的突發性破壞，而復合材料中的增強物與基體的結合既能有效地傳遞載荷，又能阻止裂紋的擴展，提高了氣瓶的斷裂韌性；3）復合材料中的大量增強纖維使得材料過載而少數纖維斷裂時，載荷會迅速重新分配到未破壞的纖維上，使整個氣瓶在短期內不至于失去承載能力；4）復合材料氣瓶在受到撞擊或高速沖擊發生破壞時不會產生具有危險性的碎片，從而減少或避免了對人員的傷害；5）無需特殊處理就能滿足耐腐蝕的要求.
　　纖維纏繞復合材料氣瓶一般由金屬內襯、纖維、樹脂等組成. 復合氣瓶內襯內壁直接與介質接觸，它的主要作用是氣密、防腐、耐溫和耐壓；因此要求內襯材料具有良好的氣密性、耐腐蝕性、耐溫和高強度、高韌性等特點. 常用的內襯材料有鋁和塑料2種. 纖維纏繞增強復合材料層的主要作用是保證氣瓶在受力的情況下，具有足夠的強度、剛度和穩定性. 復合材料纏繞層承擔絕大部分（75%~95%）的壓力載荷，其中纖維是主要的承載體，樹脂對纖維起粘結作用，并在纖維之間起著分布和傳遞載荷的作用；因此，選擇高強度、高彈性的增強纖維和性能良好的樹脂是提高結構承載能力的重要措施. 通常采用高強玻璃纖維環氧樹脂或碳纖維環氧樹脂和凱夫拉（Kevlar）纖維環氧樹脂等高性能復合材料.
　　復合材料氣瓶一般采用2種分類方法，一是按照應用領域分為：1）天然氣、氫氣等燃料汽車的燃料氣瓶；2）用于呼吸器系統，包括背負式呼吸器、小型呼吸器以及逃生用的呼吸面具等；（3）用于航空或航海，主要包括逃生滑梯充氣裝置和航空吸氧裝置等. 二是按內膽材料和增強材料分類：按內膽材料可分為金屬內膽纏繞氣瓶和塑料內膽纏繞氣瓶；還可以按增強材料分為高強玻璃纖維纏繞氣瓶、碳纖維纏繞氣瓶、芳綸纖維纏繞氣瓶等. 由于鋁內膽具有密封性好、抗疲勞性能強、循環壽命長、穩定性高及質量輕等優點，目前在碳纖維纏繞氣瓶中得到了廣泛的應用.

1　復合材料氣瓶標準

　　國際上對于復合材料氣瓶沒有統一的標準. 目前使用較多的標準有美國制定的DOT-CFFC《鋁內襯全纏繞碳纖維增強復合氣瓶的基本要求》，氣瓶的大水容積≤90.7 L，工作壓力≤34.5 MPa. 美國標準所（ANSI）于1992年8月次出版了NGV-2天然氣汽車儲氣瓶標準，該標準包括了金屬環向纏繞、金屬內膽全纏繞、非金屬內膽全纏繞. 對非金屬內膽全纏繞，玻璃纖維的安全系數是3.5，芳綸纖維是3.0，碳纖維是2.25. 1989年ISO/TC58/WG17也著手《車用壓縮天然氣氣瓶》國際標準的制定工作，于1992年提出標準草案，經過多次修改，ISO 11439《車用壓縮天然氣高壓氣瓶》現已被在內的上大多數認可，標準第1版已于2000年9月正式頒布，它包括CNG-1金屬氣瓶、CNG-2金屬內膽環向纏繞氣瓶、CNG-3金屬內膽全纏繞氣瓶和CNG-4塑料內膽全纏繞氣瓶. 此標準是在過去20年來各國經驗的基礎上制定的，因此目前國內車用壓縮天然氣氣瓶也參考該標準. 國際標準化組織ISO于2002年批準了纖維纏繞復合氣瓶標準――ISO 11119《復合結構氣瓶―規范和實驗方法》. 該標準主要包括環向纏繞復合氣瓶、承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶、非金屬內膽和不承載金屬內膽纖維增強全纏繞復合氣瓶. 此標準適用于容積450 L以下的容器，用于儲存和運輸壓縮氣體和液化氣體，其水壓實驗壓力≤65 MPa. 纏繞的纖維可為碳纖維、玻璃纖維、有機纖維或其混雜，但對環向纏繞標準中規定也可采用鋼絲纏繞進行周向加強. 關于碳纖維復合氣瓶主要的歐洲標準是英國HSE-A1-FW2以及歐洲大陸已批準的衍生版本――歐洲標準化技術委員會（CEN）編制的復合氣瓶規范EN 12245-2002《可運輸氣瓶―全纏繞復合材料氣瓶》，以及EN 12257-2002《可運輸氣瓶―無縫環向纏繞復合材料容器》等. 我國關于纖維纏繞復合材料氣瓶的標準比較少，很多企業都參考國外標準，通過消化吸收國外先進技術和標準，制定了企業內部的標準. 我國參考國外的標準以及實際的生產和使用經驗制定了GB 24160-2009《車用壓縮天然氣鋼制內膽環向纏繞氣瓶》. 該標準適用于設計、制造公稱工作壓力為20 MPa或25 MPa，公稱水容積為30~450 L，工作溫度為-40~65℃，設計使用壽命為15年的纏繞氣瓶. 該標準還給出了試驗方法和檢驗規則等. 內膽需要進行的試驗項目有底部密封性試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、冷彎試驗、金相檢查、底部解剖、無損檢測、水壓爆破試驗等；纏繞氣瓶需要進行的試驗項目有纏繞層層間剪切強度試驗、纏繞層抗拉強度試驗、纏繞層外觀試驗、水壓試驗、水壓爆破試驗、氣密性試驗、常溫壓力循環試驗、極限溫度壓力循環試驗、加速應力破裂試驗、槍擊試驗、火燒試驗、裂紋容陷試驗、酸環境試驗、未爆先漏試驗、高溫蠕變試驗等. 而我國至今還沒有關于全復合材料CNG車用氣瓶的技術標準. 為此，應在有關廠家生產實踐的基礎上，參照國外先進標準以及國內使用特點，盡快制定出此類氣瓶的制造標準、定期檢測標準和安全評定標準.

2　復合材料氣瓶的制造

　　復合材料氣瓶的纖維增強層主要的作用是承受壓力，所以纖維層對復合材料的力學性能有很大的影響. 在制造復合材料氣瓶時纖維增強層主要考慮的因素有氣瓶的纏繞張力、鋪層順序、纏繞角度、纏繞厚度、纖維纏繞的線型等.
　　復合材料氣瓶在纏繞制造過程中需要對纖維施加一定的張力，一方面是為了使纖維在內膽上按照設計線型排列，另一方面是為了使氣瓶內膽和纏繞層產生一定的預應力，從而改善氣瓶的抗疲勞性能. 陳汝訓提出影響纖維強度發揮的重要原因是沿氣瓶厚度方向各纖維受力不均勻，而纏繞張力又是纖維受力不均勻的重要因素，對壁厚較厚的氣瓶尤其如此；因此，如何合理控制纏繞張力是提高氣瓶纖維強度發揮的重要環節. 張宗毅等提出了一種等效降溫法，將纏繞張力產生的預應力等效為復合材料層降溫產生的預應力，并通過有限元軟件研究了纏繞張力對環向纏繞復合材料氣瓶應力的影響. 研究結果表明：隨著纏繞預應力的增大，環向纏繞復合材料氣瓶內膽工作應力減小，復合層工作應力增大，纏繞張力產生的預應力較大時會抵消自緊工藝的效果. 王欣榮研究了纏繞張力對碳纖維纏繞鋁內膽復合材料氣瓶爆破壓力的影響，模擬結果表明有纏繞張力氣瓶的爆破壓力比無纏繞張力氣瓶的爆破壓力提高了3.03%. Cohen采用實驗設計方法確定了在纏繞工藝過程中纖維預應力對纏繞結構力學性能的影響，發現提高預應力可以有效增加在纖維纏繞結構中纏繞層的纖維體積百分比，從而提高結構的強度.
　　Kalaycioglu等研究了凱夫拉纖維纏繞6061-T6鋁內襯的復合材料氣瓶，主要集中在纖維的纏繞角度連續變化時，對稱與非對稱的鋪層順序對氣瓶性能的影響，結構如圖1所示. 研究結果表明，對稱的鋪層順序相對于非對稱的鋪層順序爆破壓力提高了15%，主要是因為對稱的鋪層順序使得氣瓶纖維層的應力分布得更加均勻，減少了應力集中. Bertin等對聚合物復合材料儲氫氣瓶進行了實驗和模擬研究，主要集中在復合層的鋪層順序對復合材料力學性能的影響上，研究結果如表1所示. 從表中結果可以看出，對稱的鋪層順序失效應力值大. Velosa等研究了以聚乙烯為內襯玻璃纖維纏繞的復合材料氣瓶，結果發現纖維的方向、鋪層的順序和鋪層的層數都會對纖維纏繞層的強度造成影響.

　　Wild等通過網格分析得出纖維纏繞復合材料壓力容器的優角度為54.74°. Parnas等考慮了纖維纏繞復合材料氣瓶的內壓的作用，得出優化的纏繞角主要取決于幾何形狀和使用的失效準則，并給出纏繞角的范圍為52.1~54.2°.Rosenow利用經典層合理論分析了薄壁復合容器的纏繞角度在15°~85°之間變化時的應力與應變情況；對于環向應力和軸向應力之比等于2的圓筒形容器，均衡性纏繞角優值為55°. Erkal等對玻璃纖維纏繞塑料內襯的復合材料壓力容器疲勞破壞進行了實驗研究，玻璃纖維均采用對稱的方式纏繞，纏繞的角度分為±75°、±60°、±55°、±45°，實驗結果表明，當纏繞角度為±55°時，爆破的壓力大，為10.2 MPa.

　　纖維纏繞的厚度并不是越厚越好，纖維纏繞得太厚不僅會增加制造成本，而且外層纖維的強度也得不到充分的發揮，造成材料的浪費. 古海波對容積為2 L的碳纖維纏繞鋁內膽復合材料氣瓶的環向纏繞厚度進行了設計. 隨著環向纖維厚度的增加，工作壓力和小爆破壓力下內膽和纖維的應力水平降低，同時纖維的應力比減小. 根據DOT-CFFC標準，得出纖維單層厚度的取值范圍為0.13≤t≤0.14 mm.
　　對于纖維纏繞結構，纖維纏繞的線型是一個重要的設計參數. 目前基本的纖維纏繞線型有：環向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞3種. 環向纏繞是沿容器圓周方向進行纏繞，只能在筒身段進行，纖維纏繞的角度通常在85°~90°之間，纏繞工藝簡單. 縱向纏繞的纖維軌跡是一條單圓平面封閉曲線，纏繞角度較小，多用于粗短容器. 螺旋纏繞又稱為測地線纏繞，纏繞時導絲頭按特定速度沿芯模繞軸線勻速自轉，可以對筒身段和封頭進行纖維纏繞，纏繞角度約為12°~70°，纏繞工藝復雜. 池秀芬等通過碰撞損傷研究發現螺旋纏繞方式抵抗損傷的能力要高于普通環向纏繞方式，所以在制造復合材料壓力容器時盡量采用螺旋纏繞方式. 在復合材料氣瓶制造中，一般采用螺旋和環向組成的纏繞形式.

3　復合材料氣瓶失效準則

　　復合材料氣瓶的失效主要是纖維層的失效，故設計也主要是設計纖維層的強度. 常用的失效準則有大應力準則、大應變準則、Tsai-Hill準則、Hashin準則、Hoffman準則和Tsai-Wu準則. 大應力準則是指如果某一種材料主方向的應力超過其強度值，材料就破壞，通常適用于對強度有要求的場合. 大應變準則也是將復合材料的各應力分量與基本強度分量相比較，區別是大應變準則考慮了另外一個方向應力分量的影響，適用于對構件形狀變形有嚴格要求的場合. 大應力及Tsai-Wu準則適用于拉、壓應力，Tsai-Wu及Tsai-Hill準則都允許二次應力的相互作用；但Tsai-Hill準則只是二階標準，沒有線性應力，而Tsai-Wu準則有這種線性應力，并適用于平面的所有象限及三圍問題. 其中Tsai-Wu準則用的廣，表達式見式(1)：

　　式中：F為強度系數，X_t、X_c分別為縱向的拉伸和壓縮強度，Y_t和Y_c分別為橫向的拉伸和壓縮強度，S_tc為平面的剪切強度，σ₁、σ₂分別為縱向和橫向拉應力.
　　張曉軍等采用了大應變準則預測了纖維纏繞復合材料氣瓶的爆破壓力約為66 MPa，而2次爆破試驗中測得的爆破壓力分別為65 MPa和68 MPa. 由此可見，大應變準則預測復合材料氣瓶的爆破壓力是比較準確的. Wang等也基于大應變準則，采用ANSYS有限元軟件預測了碳纖維纏繞6061-T6鋁內膽氣瓶的爆破壓力為65 MPa，與實驗值比較吻合. Park等在考慮各種載荷和邊界條件的情況下，采用剪切變形理論和Tsai-Hill失效準則分析了對稱的復合材料層，并獲得了優化的設計方案. 在保持強度不變的情況下，Moharrerzadeh等基于Hoffman準則對復合材料氣瓶的質量進行了優化設計，并且取得了比較理想的結果. Liu等采用Tsai-Wu準則設計了碳纖維纏繞鋁內膽復合材料氣瓶，并采用ANSYS軟件分別計算了復合材料氣瓶在預應力、工作壓力、水壓實驗壓力、小破壞壓力等下的應力值，計算結果均滿足美國制定的DOT-CFFC標準的要求. 這說明了理論設計的可行性，也為工程上的實際應用提供了理論依據. Antunes等也采用了Tsai-Wu準則設計了聚丙烯內襯玻璃纖維纏繞的復合材料氣瓶，并采用有限元軟件計算了內襯、復合層的應力以及小的爆破壓力，計算的結果均滿足EN 12245標準的要求，為實際的生產提供了理論依據. 鄭津洋等研究了碳纖維纏繞鋁內膽的儲氫氣瓶，采用了大應力準則、Hoffman準則、Tsai-Hill準則和Tsai-Wu準則預測了氣瓶的失效壓力，結果如表2所示. 而實驗測得氣瓶的爆破壓力為125~126 MPa，通過對比可以看出，這4種準則預測的爆破壓力與實驗值一致，而Tsai-Wu準則預測的爆破壓力值與實驗值接近.

4　復合材料氣瓶的失效模式

　　氣瓶失效是指氣瓶喪失了其儲存介質的功能. 常見的氣瓶失效模式主要分為彈性失效、屈服失效、脆性斷裂失效、塑性斷裂失效、疲勞斷裂失效、沖擊斷裂失效等類型，其主要表現形式包括瓶身漏氣，內膽鼓包、裂紋，纖維斷裂，基體開裂、沖擊損傷等.
4.1　瓶身漏氣
　　全復合材料氣瓶的塑料內膽一般采用高密度聚乙烯材料，經滾塑工藝加工成型. 塑料內膽主要對氣瓶起密封的作用，而非強度作用；因此，其失效主要是指內膽失去其應有的密封性能，多表現為氣瓶出現各種形式的泄露. 內膽由于漏氣而失效的原因主要包括2個方面：一方面是內膽制造成型時產生的缺陷，這類原始缺陷在氣瓶的使用過程中，經反復疲勞很可能誘發出各種形式的裂紋，終導致內膽泄露；另一方面是氣瓶在運輸、安裝和使用中遇到的沖擊損傷，過大的沖擊力導致內膽出現裂紋等缺陷. 可以通過以下措施來防止瓶身漏氣而導致的失效. 先，要合理選擇氣瓶的制造材料，正確制定和執行標準，實行嚴格的質量管理和工藝過程及質量認證試驗；其次，安裝時要避免碰撞、劃傷等；后，使用過程中充氣的速率應盡可能小一些，充氣氣壓高限值應控制在20 MPa以內.
4.2　內膽鼓包、裂紋
　　據報道在復合材料氣瓶的定期檢驗中發現，不合格氣瓶中發生內膽鼓包、裂紋的氣瓶占全部檢測氣瓶數的84.85%. 顯然內膽鼓包、裂紋是復合材料氣瓶失效的主要形式. 雷閩等為了確定復合材料氣瓶內膽出現鼓包、裂紋缺陷產生的原因，對復合氣瓶內膽材質進行力學性能、微觀分析、纏繞層和內膽材料線膨脹系數測試. 測試結果發現纏繞層和內膽材料的線膨脹系數不同是導致復合材料氣瓶產生鼓包和裂紋的根本原因. 充放氣過程中，內壓和溫度的低周循環也是氣瓶產生缺陷的直接因素. 夏立榮對車用CNG全復合材料氣瓶內膽鼓包的成因進行了研究，研究結果表明，氣瓶受內壓的變化、充放氣過程中內部溫度的變化、內膽材料與纏繞層復合材料線膨脹系數、彈性模量以及延伸率的差異以及結合界面本身粘結性較差等都會造成氣瓶內膽鼓包，這樣在氣瓶內氣壓的高低循環下反復作用，如此一來就會對內膽的薄弱部位產生循環折彎的疲勞損傷過程，造成內膽層微裂紋的損傷貫通，終造成氣瓶整體泄露失效. 可以適當增加內膽的剛度、在內膽與纏繞層之間增加一種緩沖材料、嚴格控制氣瓶的泄壓過程，盡可能使氣瓶保持一定的余壓（2 MPa左右）等措施來防止氣瓶內膽鼓包和裂紋的產生.
4.3　纖維斷裂
　　復合材料氣瓶由于在拆裝、搬運、使用等過程中操作不當，使氣瓶受到外力沖擊、碰撞等損傷，導致復合材料氣瓶表面出現劃痕，進而使氣瓶表面纖維斷裂. 在氣瓶檢測中往往根據經驗來作為氣瓶判廢的標準，如建議在割傷深度超過0.15 mm或磨損露出的纖維深度超過0.25 mm時氣瓶便報廢. 這些做法缺乏一定的理論依據，會造成不必要的浪費. 簽于此，有很多學者對這方面的內容進行了研究. 徐延海等研究了表面損傷對全復合材料車用天然氣氣瓶強度的影響. 文中取了氣瓶嘴附近、上封頭附近、筒身、下封頭附近和筒底附近5個部位，在軸向和周向2個方向上設置了幾種不同長度和深度的表面損傷組合來模擬纖維的斷裂狀態. 研究結果表明，氣瓶在有表面損傷時的應力值比無表面損傷時明顯增大；對于相同尺度的表面損傷，軸向表面損傷對氣瓶應力的影響比周向表面損傷顯著；隨著表面損傷長度的增加，氣瓶在該處的等效應力逐漸增大；筒身表面的損傷比其他部位損傷的危害性小. Makinson等研究了劃痕對碳纖維纏繞聚乙烯內襯的復合材料儲氫氣瓶爆破壓力的影響. 文中研究了劃痕分為縱向和環向，劃痕的長度為57 mm，寬為1 mm，深度分別為復合層厚度11.4 mm的10%、20%、30%和40%，對應的爆破壓力分別為76.14、69.63、59.27和52.98 MPa，而沒有劃痕時的爆破壓力為74.3 MPa，可見隨著劃痕深度的增加，氣瓶的爆破壓力逐漸減小. Kim等研究了劃痕對碳纖維纏繞鋁內襯復合天然氣氣瓶疲勞壽命的影響. 文中研究劃痕深度為1.5、2.0、3.0和4.0 mm，寬度為2 mm，長度分別為50、100和200 mm，一共進行了12組實驗. 實驗結果表明，當劃痕的深度超過3.0 mm，長度超過100 mm時，對氣瓶的疲勞壽命有顯著的影響. 而ISO 19078標準中規定的劃痕的深度要小于1.25 mm，這是比較保守的.
4.4　基體開裂
　　復合層基體開裂主要是由于樹脂脆性大，斷裂延伸率低，在外載荷作用下，樹脂的開裂遠早于纖維的斷裂，使纖維附近的樹脂及樹脂與纖維之間的界面處產生應力集中，形成基體開裂. 基體開裂會導致層間分層以及纖維拉出、斷裂，后導致材料的破壞. 張曉兵等對復合材料壓力容器基體開裂損傷進行了研究，研究結果表明，纏繞張力能使樹脂基體產生預應力，從而可提高基體抵抗開裂的能力. 纏繞張力不合適會造成樹脂不均勻，在循環壓力載荷作用下，將產生基體開裂、裂紋不斷擴展和新裂紋的產生，導致壓力容器的剛度、強度下降，影響使用壽命. 王曉宏等采用漸進損傷的模型對纖維纏繞復合材料壓力容器基體開裂損傷進行了分析，詳細分析了壓力容器不同部位隨外載荷的增加逐漸失效的情況，與真實情況比較符合，為復合材料壓力容器的設計提供了有用的參考價值. Orifici等總結了基體開裂以及失效的準則，采用斷裂力學理論預測了基體開裂對復合材料的破壞. 可以在樹脂中加入其它助劑，在保證樹脂固化后具有高的強度、模量的情況下使樹脂具有一定的塑性和韌性，或者采用熱塑性基體，這樣可以減少基體開裂的發生.
4.5　沖擊損傷
　　復合材料氣瓶在使用的過程中容易受到外來物體的沖擊而產生損傷，并且往往在表面損傷很小，而在氣瓶內表面以及纏繞層之間損傷嚴重. 氣瓶在沖擊載荷作用下的損傷破壞表現為基體開裂、基體擠壓、纖維斷裂、分層損傷等. 沖擊損傷使復合材料層的壽命和強度大大下降，嚴重影響材料的使用. 目前，對復合材料在沖擊載荷作用下的研究主要集中在層合板在不同的沖擊載荷作用下的損傷規律，復合材料層合板的損傷機理等上. Choi等通過實驗和模擬的方法研究了在低速沖擊載荷作用下復合材料層合板破壞的機理. 在沖擊載荷作用下復合層基體開裂是開始的失效模型，由于基體開裂會導致復合層出現分層和微裂紋；初始的微裂紋缺陷會顯著降低復合層抵抗沖擊破壞的性能；并且復合層的堆疊順序對復合層的抗沖擊性能有顯著的影響. 張彥等研究了碳纖維復合材料層合板在低速沖擊作用下層內和層間的失效行為，并采用有限元軟件對復合材料層合板在橫向低速沖擊作用下的損傷和變形行為進行預測分析，模擬的結果與實驗的結果比較吻合. Kaneko等采用有限元的方法對在橫向載荷作用下的復合材料氣瓶的失效進行了分析. 在建模時只考慮氣瓶的筒體部分，筒體復合層外層為玻璃纖維，其余為碳纖維纏繞，并且根據實際的情況考慮了氣瓶的內壓作用. 模擬使用的沖擊器為剛性的半球形，半徑為25 mm，質量為554 kg，沖擊的速度為10 m/s. 模擬結果如圖2所示. 

　　從圖2中可以看出，當氣瓶內壓為17.5~52.5 MPa時，穿透載荷隨著內壓的增加而增加，主要是因為壓力越高，剛度越大；當內壓為70 MPa時，穿透載荷反而小，由于壓力太高，導致了軸向纖維失效的發生. 所以可以提高壓力，但必須小于安全操作壓力可以增強氣瓶抵抗沖擊破壞的能力.

5　復合材料氣瓶的優化設計

　　優化設計的基本原理是通過建立優化模型，運用各種優化方法，求得滿足設計要求范圍內的目標函數極值，得到優化方案. 纖維纏繞復合材料氣瓶的優化主要集中在自緊壓力的優化、質量的優化等上，主要的目的是改變工作壓力下內襯和纖維層的應力分配，充分發揮復合材料高強度的特點，同時在保證強度的條件下盡量減輕氣瓶的質量，提高經濟性.
5.1　自緊壓力的優化
　　自緊常常應用于金屬厚壁高壓容器. 在自緊壓力下，讓容器在靠近內壁的部分厚度范圍內達到屈服而產生塑性變形. 當自緊壓力卸掉后，內壁處產生殘余壓應力. 其目的是使得容器在工作壓力下，容器內外壁的拉應力能夠相近些，以較充分地利用材料. 纖維纏繞復合材料氣瓶不算厚壁容器，但由于內膽和纏繞層材料力學性能的巨大差異，當內膽已經屈服時，纖維還處于低應力狀態，纖維優良的高強度性能得不到充分發揮. 復合材料氣瓶面臨的這個問題恰好通過自緊可以來解決. 古海波等采用有限元軟件對2 L的碳纖維全纏繞鋁內膽氣瓶的預緊壓力進行了優化，得到了預緊壓力對氣瓶應力影響的結果. 并對照DOT-CFFC標準，得到了預緊壓力的范圍為35.9 MPa≤P_pre≤36.6 MPa，取佳的預緊壓力為P_pre=36.6 MPa. 李小明等對某型復合材料氣瓶進行了優化設計，自緊壓力由40 MPa提高到44 MPa，鋪層角度由10°增加到12°，而工作壓力下氣瓶內膽應力減少了25%，可見進行優化分析是有必要的. 鄭津洋等對70 MPa車用輕質高壓復合材料儲氫氣瓶進行了自增強處理，內襯圓柱段的應力從147 MPa下降到135 MPa，而纖維層的應力有少量增加. 自增強處理后，內襯材料的承載能力得到提高，在反復充裝氣體時，不會產生塑性變形的積累. 李瑋采用有限元軟件對4.3 L碳纖維纏繞鋁內膽復合材料氣瓶的自緊壓力進行了優化. 在滿足DOT-CFFC標準的情況下，自緊壓力的取值范圍為55.1~56.2 MPa. 相對未自緊氣瓶而言，通過自緊作用大大提高了氣瓶的力學性能，使氣瓶具有很強的安全性和可靠性
5.2　氣瓶質量的優化
　　在滿足氣瓶強度要求的情況下，氣瓶的質量是設計的重要參數. 纖維的價格相對較高，通過結構優化，減薄纖維層的厚度，可以節省材料，降低成本. 邊文鳳等對纖維纏繞的車用氣瓶進行了整體優化設計，從輕型角度出發給出了優化的目標函數，同時也給出了爆破壓力大的優化約束函數. 這樣做的目的是保證了產品在安全使用的前提下，汽車有較高的動力性和較長的續駛里程. 王志輝等采用零階和一階方法并按照美國DOT-CFFC設計要求對復合材料氣瓶進行了優化設計. 通過優化，纖維強度轉換率得到提高，復合材料層體積由306 cm³減小到232 cm³，氣瓶的容重比由7.24提高到8.22，優化效果明顯. 傅強對碳纖維纏繞鋁內膽的高壓儲氫氣瓶進行了整體優化設計. 綜合考慮筒體與封頭強度、質量、尺寸、纏繞工藝等因素要求，以氣瓶的質量小作為優化的目標函數，以容積、應力、隔阻性和加工工藝等為約束條件，以氣瓶內襯內徑D0為設計參數，建立了優化設計模型并給出了優化方案. Kang等對CNG-2型氣瓶的封頭部分的形狀和厚度進行了優化設計，氣瓶的質量從94.7 kg下降到89.9 kg. 鄭津洋等分別采用蒙特卡羅（Monte Carlo，MC）、遺傳算法（genetic algorithm，GA）、自適應遺傳算法（adaptive genetic algorithm，AGA）和人工免疫系統（artificial immune system，AIS）等方法對碳纖維纏繞鋁內膽復合材料儲氫氣瓶的質量進行了優化設計，結果如表3所示. 從表3中可以看出，在保證氣瓶的爆破壓力的情況下，自適應遺傳算法和人工免疫系統方法優化的氣瓶的質量小.

6　結束語

　　纖維纏繞復合材料氣瓶是復合材料技術在壓力容器中的重要應用，必將隨著復合材料技術的發展而發展. 雖然復合材料在機械強度、質輕、耐腐蝕和制造方面都取得了很大進步；但是復合材料氣瓶的發展仍處在一個不斷研究、不斷進步的階段，沒有形成規?；?、市場化的應用格局，還需要科技工作者不斷的研究和探索，使其結構更加優化、性能更加穩定可靠. 目前，對于全復合材料氣瓶的研究相對較少，也沒有制定相應的制造標準、定期檢測標準和安全評定標準. 全復合材料氣瓶相對金屬內襯復合材料氣瓶具有成本低、質量輕、高壓循環壽命長、防腐蝕等優點，是今后研究的重點. 為了充分發揮復合材料在復合氣瓶中的優勢，需要不斷完善應力分析理論方法和數值方法，另外加上計算機輔助分析和設計，從而使復合氣瓶的結構和制造工藝得到完善. 隨著科技的發展，復合材料氣瓶仍具有很大的研發價值和應用空間.