1.本发明涉及高压气瓶制造技术领域，具体涉及一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶。
背景技术：
2.作为储氢的气瓶，其结构一般包括：内胆，以及由碳纤维缠绕按特定缠绕方式缠绕于内胆外部的碳纤维层。内胆的作用是防止氢气的渗透，碳纤维层的作用是承担内部气体产生的高强度内部压力。形成的碳纤维层的缠绕方向有多种，如环向缠绕、螺旋缠绕等。如何缠绕纤维是提高纤维增强塑料强度利用率的一个重要因素。目前，常规气瓶的碳纤维层通常采用外层为环向缠绕层、内层为螺旋缠绕层，并且环向缠绕层与螺旋缠绕层的层数比为1:1。上述碳纤维缠绕结构的气瓶存在的缺点是：碳纤维层的纤维强度利用率低，导致碳纤维层过厚，提高了气瓶的制造成本。
技术实现要素：
3.本发明的目的是提供一种纤维强度利用率高且气瓶强度高的碳纤维全缠绕高压储氢气瓶。
4.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，包括：内胆，在内胆的外部由内至外依次包覆有由碳纤维缠绕而成的内环向缠绕复合层、螺旋缠绕复合层及外环向缠绕复合层，内环向缠绕复合层与外环向缠绕复合层均是由多层环向缠绕层组成，环向缠绕层为碳纤维采用环向缠绕结构缠绕而成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为80～90
°
，螺旋缠绕复合层由多层螺旋缠绕层组成，螺旋缠绕层为碳纤维采用螺旋缠绕结构缠绕而成，螺旋缠绕层的纤维缠绕角度为30～54.7
°
；并且环向缠绕层的层数、螺旋缠绕层的层数、以及螺旋缠绕层的纤维缠绕角度三者按以下关系进行约束：
5.(n-x)：x≥2
×
cos2α-sin2α
6.其中：n为总缠绕层数，x为螺旋缠绕层层数，α为螺旋缠绕层的纤维缠绕角度。
7.进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其中：在内环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有内过渡环向缠绕复合层，内过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～ 80
°
。
8.进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其中：在外环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有外过渡环向缠绕复合层，外过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～ 80
°
。
9.进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其中：内纤维复合层中各环向缠绕层的宽度由内至外逐层递减，使内纤维复合层的两端能与内胆两端封头平滑过渡。
10.通过上述技术方案的实施，本发明的有益效果是：通过对环向缠绕层与螺旋缠绕层的铺层角度、铺层顺利、以及改变两者层数比例，大大提高了纤维强度的利用率，与传统气瓶相比，达到同样气瓶强度时，本发明气瓶的碳纤维层厚度比传统气瓶的碳纤维层厚度低，大大降低了气瓶的制造成本。
具体实施方式
11.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
12.一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，包括：内胆，在内胆的外部由内至外依次包覆有由碳纤维缠绕而成的内环向缠绕复合层、螺旋缠绕复合层及外环向缠绕复合层，内环向缠绕复合层与外环向缠绕复合层均是由多层环向缠绕层组成，环向缠绕层为碳纤维采用环向缠绕结构缠绕而成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为80～90
°
，螺旋缠绕复合层由多层螺旋缠绕层组成，螺旋缠绕层为碳纤维采用螺旋缠绕结构缠绕而成，螺旋缠绕层的纤维缠绕角度为30～54.7
°
；并且环向缠绕层的层数、螺旋缠绕层的层数、以及螺旋缠绕层的纤维缠绕角度三者按以下关系进行约束：
13.(n-x)：x≥2
×
cos2α-sin2α
14.其中：n为总缠绕层数，x为螺旋缠绕层层数，α为螺旋缠绕层的纤维缠绕角度；在本实施例中，在内环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有内过渡环向缠绕复合层，内过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～80
°
；在外环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有外过渡环向缠绕复合层，外过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～80
°
，这样有利于提高气瓶强度；在本实施例中，内纤维复合层中各环向缠绕层的宽度由内至外逐层递减，使内纤维复合层的两端能与内胆两端封头平滑过渡，这样可以避免环向缠绕层与螺旋缠绕层在内胆封头与内胆筒身的连接处发生架空现象，降低了内胆封头与内胆筒身连接处受到的剪切应力，提高了内胆封头与内胆筒身连接处的强度，从而提高了气瓶整体的强度；
15.下面针对140l，35mpa，75层碳纤维缠绕储氢气瓶进行说明，其螺旋缠绕层的纤维缠绕角度为50
°
，根据公式(n-x)：x≥2
×
cos2α-sin2α，可以计算出螺旋缠绕层层数和环向缠绕层层的厚度，如表1所示；因此气瓶前6层为环向缠绕层且纤维缠绕角度为89.27
°
，第7层为环向缠绕层且纤维缠绕角度为70
°
，第8至68层为螺旋缠绕层且纤维缠绕角度为50
°
，第69层为环向缠绕层且纤维缠绕角度为70
°
，最后6层为环向缠绕层且纤维缠绕角度为89.27
°
。
16.表1
17.螺旋缠绕角度螺旋缠绕层层数环向缠绕层层数5060.5069156414.49308436
18.其中，本实施例中选择气瓶直径的5％作为碳纤维缠绕带的宽度，则环向缠绕角(即：环向缠绕层的纤维缠绕角度)的计算方式为：
[0019][0020]
式中α
hoop
——环向缠绕角度(
°
)；
[0021]dw
——碳纤维缠绕带的宽度(mm)。
[0022]
本发明的优点是：通过对环向缠绕层与螺旋缠绕层的铺层角度、铺层顺利、以及改变两者层数比例，大大提高了纤维强度的利用率，与传统气瓶相比，达到同样气瓶强度时，本发明气瓶的碳纤维层厚度比传统气瓶的碳纤维层厚度低，大大降低了气瓶的制造成本。
[0023]
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而
依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。
技术特征：
1.一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，包括：内胆，其特征在于：在内胆的外部由内至外依次包覆有由碳纤维缠绕而成的内环向缠绕复合层、螺旋缠绕复合层及外环向缠绕复合层，内环向缠绕复合层与外环向缠绕复合层均是由多层环向缠绕层组成，环向缠绕层为碳纤维采用环向缠绕结构缠绕而成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为80～90
°
，螺旋缠绕复合层由多层螺旋缠绕层组成，螺旋缠绕层为碳纤维采用螺旋缠绕结构缠绕而成，螺旋缠绕层的纤维缠绕角度为30～54.7
°
；并且环向缠绕层的层数、螺旋缠绕层的层数、以及螺旋缠绕层的纤维缠绕角度三者按以下关系进行约束：(n-x)：x≥2
×
cos2α-sin2α其中：n为总缠绕层数，x为螺旋缠绕层层数，α为螺旋缠绕层的纤维缠绕角度。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其特征在于：在内环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有内过渡环向缠绕复合层，内过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～80
°
。3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其特征在于：在外环向缠绕复合层与螺旋缠绕复合层之间设置有外过渡环向缠绕复合层，外过渡环向缠绕复合层由一层或多层环向缠绕层组成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为54.7～80
°
。4.根据权利要求3所述的一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，其特征在于：内纤维复合层中各环向缠绕层的宽度由内至外逐层递减，使内纤维复合层的两端能与内胆两端封头平滑过渡。
技术总结
本发明公开了一种碳纤维全缠绕高压储氢气瓶，包括：内胆，在内胆的外部由内至外依次包覆有由碳纤维缠绕而成的内环向缠绕复合层、螺旋缠绕复合层及外环向缠绕复合层，内环向缠绕复合层与外环向缠绕复合层均是由多层环向缠绕层组成，环向缠绕层为碳纤维采用环向缠绕结构缠绕而成，环向缠绕层的纤维缠绕角度为80～90
技术研发人员：何春辉 金碧辉 成志钢 赵亚丽 孙磊 陈晓阳
受保护的技术使用者：江苏国富氢能技术装备股份有限公司
技术研发日：2022.06.17
技术公布日：2022/9/6
再多了解一些
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