一种车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶
技术领域
本发明涉及车载储氢气瓶技术领域，具体地说是一种质轻、容重比大、工作压力高、疲劳循环次数多的车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶。
背景技术
高压储氢气瓶是新能源车应用的关键装置，工作压力可达35～70MPa。受限于氢气密度，其储氢量很难大幅提升。现有技术的储氢气瓶在高压和高周疲劳时，采用增加内衬厚度方法，重量急剧增加，影响续航里程。高压下，气瓶瓶嘴常采用热胀连接钢套增强，可能导致瓶嘴螺纹变形与钢套外窜，钢套与瓶嘴或铝合金内衬间难以圆滑过渡，影响缠绕纤维应力分布，严重影响储氢气瓶质量。
发明内容
本发明的目的是针对现有储氢气瓶高压和高周疲劳时重量急剧增加、续航里程较低、瓶嘴螺纹变形与钢套外窜的问题，提供一种质轻、容重比大、工作压力高、疲劳循环次数多的车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶，其特征在于：该储氢气瓶包括变厚度无缝铝合金内衬、安装在变厚度无缝铝合金内衬的连肩瓶嘴上的补强套管、安装在变厚度无缝铝合金内衬外表面和补强套管外表面上的碳纤维缠绕层、安装在碳纤维缠绕层外表面和补强套管外表面上的玻璃纤维抗冲击层，采用铝合金制成的补强套管的内表面上的套管直螺纹和连肩瓶嘴外表面上的瓶嘴直螺纹螺纹连接。
所述的变厚度无缝铝合金内衬包括椭球封底、与椭球封底光滑无缝相连的中间筒体、与中间筒体光滑无缝相连的过渡瓶肩、和与过渡瓶肩光滑无缝相连的连肩瓶嘴，所述的过渡瓶肩为球形圆弧且其圆弧直径与中间筒体的内径一致，所述连肩瓶嘴的内外表面上均开设瓶嘴直螺纹。
所述椭球封底与中间筒体的过渡区域、中间筒体与过渡瓶肩的过渡区域、过渡瓶肩与连肩瓶嘴的过渡区域采用等强度补强或极限载荷补强。
所述的瓶嘴直螺纹上铺设有厌氧型密封胶，该厌氧型密封胶采用丙烯酸树脂、引发剂、促进剂和稳定剂配置而成。
所述的补强套管的管口内表面上设有套管直螺纹，补强套管的外表面上设有沿补强套管的轴向设置的环向微凸，环向微凸的纵向截面为正弦曲面结构且环向微凸的微凸高度以10%～20%的增长率逐级递增，在最后一级微凸的后侧制成圆弧，圆弧的曲率与变厚度无缝铝合金内衬上的连肩瓶嘴和过渡瓶肩的过渡部分一致。
所述的碳纤维缠绕层和玻璃纤维抗冲击层朝连肩瓶嘴的开口方向依次铺设于环向微凸的表面，以提高补强套管的强度并避免补强套管外窜。
所述的变厚度无缝铝合金内衬和碳纤维缠绕层之间设有粘结层，该粘结层在碳纤维缠绕层缠绕前涂刷于变厚度无缝铝合金内衬的外表面，粘接层材料为树脂类液体填料。
所述的碳纤维缠绕层采用T1400碳纤维经浸渍树脂混合胶体，T1400碳纤维含量超过0.52；所述浸渍树脂混合胶体由环氧树脂或改性环氧树脂、固化剂、添加剂配置而成，环氧树脂或改性环氧树脂、固化剂、添加剂的质量比为1:0.4～0.6:0.1～0.2。
所述的碳纤维缠绕层等强度环向缠绕和轴向螺旋缠绕铺设于变厚度无缝铝合金内衬的外表面，碳纤维缠绕层的缠绕方案根据ANSYS软件进行缠绕应力分析设计；所述变厚度无缝铝合金内衬的中间筒体部分采用环向缠绕和轴向螺旋缠绕两种方式按序逐级连续交替缠绕；所述变厚度无缝铝合金内衬的椭球封底、过渡瓶肩以及过渡瓶肩与变厚度无缝铝合金内衬的连肩瓶嘴的过渡部分结合弧度采用变角度轴向螺旋缠绕；所述连肩瓶嘴部分采用环向缠绕。
所述的玻璃纤维抗冲击层采用S型玻璃纤维或E型玻璃纤维，玻璃纤维抗冲击层的缠绕铺设方式为螺旋缠绕和环向缠绕按序逐级连续交替缠绕。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的储氢气瓶结构紧凑、质轻、容重比大、工作压力高、疲劳循环次数多，能够有效提高新能源车续航里程，改善气瓶瓶嘴结构与安全性能，从而确保储氢气瓶运行质量。
附图说明
附图1为本发明的车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶的结构示意图；
附图2为本发明的变厚度无缝铝合金内衬的结构示意图；
附图3为本发明的补强套管的剖面结构示意图。
其中：100—变厚度无缝铝合金内衬；101—椭球封底；102—中间筒体；103—过渡瓶肩；104—连肩瓶嘴；105—瓶嘴直螺纹；106—厌氧型密封胶；200—补强套管；201—套管直螺纹；202—环向微凸；203—圆弧；300—碳纤维缠绕层；400—玻璃纤维抗冲击层。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-3所示：一种车载质轻全缠绕纤维增强铝内衬高压储氢气瓶，该储氢气瓶包括变厚度无缝铝合金内衬100、安装在变厚度无缝铝合金内衬100的连肩瓶嘴104上的补强套管200、安装在变厚度无缝铝合金内衬100外表面和补强套管200外表面上的碳纤维缠绕层300、安装在碳纤维缠绕层300外表面和补强套管200外表面上的玻璃纤维抗冲击层400；变厚度无缝铝合金内衬100和碳纤维缠绕层300之间设有粘结层，变厚度无缝铝合金内衬100与碳纤维缠绕层300之间预先铺设粘接层，该粘结层在碳纤维缠绕层300缠绕前涂刷于变厚度无缝铝合金内衬100的外表面，粘接层材料为树脂类液体填料；碳纤维缠绕层300采用T1400碳纤维经浸渍树脂混合胶体，碳纤维缠绕层300的铺设方式为等强度环向缠绕和轴向螺旋缠绕，碳纤维缠绕层300的缠绕方案根据ANSYS软件进行缠绕应力分析设计；玻璃纤维抗冲击层400铺设方式为环向缠绕和轴向螺旋缠绕按序逐级连续交替铺设。变厚度无缝铝合金内衬100的整体坯料为6061铝合金板材且补强套筒200的整体坯料为6061铝合金无缝管，补强套管200的内表面上的套管直螺纹201和连肩瓶嘴104外表面上的瓶嘴直螺纹105螺纹连接。
如图2所示，变厚度无缝铝合金内衬100包括椭球封底101、与椭球封底101光滑无缝相连的中间筒体102、与中间筒体102光滑无缝相连的过渡瓶肩103、和与过渡瓶肩103光滑无缝相连的连肩瓶嘴104，过渡瓶肩103为球形圆弧且其圆弧直径与中间筒体102的内径一致，椭球封底101与中间筒体102的过渡区域、中间筒体102与过渡瓶肩103的过渡区域、过渡瓶肩103与连肩瓶嘴104的过渡区域采用等强度补强或极限载荷补强；在连肩瓶嘴104的内外表面上均开设瓶嘴直螺纹105，在瓶嘴直螺纹105上铺设有厌氧型密封胶106，该厌氧型密封胶106以丙烯酸树脂为主要材料，辅以少量引发剂、促进剂和稳定剂配置而成。
如图3所示，在补强套管200的管口内表面上设有套管直螺纹201，补强套管200通过内表面的套管直螺纹201、厌氧型密封胶106与连肩瓶嘴104上的瓶嘴直螺纹105相连，补强套管200的外表面上设有沿补强套管200的轴向设置的环向微凸202，环向微凸202的纵向截面为正弦曲面结构且环向微凸202的微凸高度以10%～20%的增长率逐级递增，在最后一级微凸的后侧制成圆弧203，圆弧203与变厚度无缝铝合金内衬100上的连肩瓶嘴104和过渡瓶肩103的过渡区域相切。碳纤维缠绕层300和玻璃纤维抗冲击层400朝连肩瓶嘴104的开口方向依次铺设于环向微凸202的表面，以提高补强套管200的强度并避免补强套管200外窜，延长连肩瓶嘴104的使用寿命。
进一步的说，碳纤维缠绕层300采用T1400碳纤维经浸渍树脂混合胶体，T1400碳纤维含量超过0.52；该浸渍树脂混合胶体由环氧树脂或改性环氧树脂、固化剂、添加剂配置而成，环氧树脂或改性环氧树脂、固化剂、添加剂的质量比为1:0.4～0.6:0.1～0.2。碳纤维缠绕层300等强度环向缠绕和轴向螺旋缠绕铺设于变厚度无缝铝合金内衬100的外表面，碳纤维缠绕层300的缠绕方案根据ANSYS软件进行缠绕应力分析设计；具体方案为：变厚度无缝铝合金内衬100的中间筒体102部分采用环向缠绕和轴向螺旋缠绕两种方式按序逐级连续交替缠绕，给出的一个碳纤维缠绕层300的铺设顺序为：2层环向缠绕+4层螺旋缠绕+4层环向缠绕+6层螺旋缠绕+6层环向缠绕+8层螺旋缠绕+4层环向缠绕+6层螺旋缠绕+2层环向缠绕+4层螺旋缠绕+4层环向缠绕；变厚度无缝铝合金内衬100的椭球封底101、过渡瓶肩103以及过渡瓶肩103与变厚度无缝铝合金内衬100的连肩瓶嘴104的过渡部分结合弧度采用变角度轴向螺旋缠绕；连肩瓶嘴104部分采用环向缠绕。
进一步的说，玻璃纤维抗冲击层400采用S型玻璃纤维或E型玻璃纤维，玻璃纤维抗冲击层400的缠绕铺设方式为螺旋缠绕和环向缠绕按序逐级连续交替缠绕；给出的一个玻璃纤维抗冲击层400的铺设顺序为：2层螺旋缠绕和2层环向缠绕按序逐级连续交替缠绕。
本发明的储氢气瓶结构紧凑、质轻、容重比大、工作压力高、疲劳循环次数多，能够有效提高新能源车续航里程，改善气瓶瓶嘴结构与安全性能，从而确保储氢气瓶运行质量。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
