本发明属于塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶可靠性设计与计算领域，尤其涉及一种塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法。
背景技术：
1、氢能是一种来源丰富、绿色低碳的二次能源，是能源转型发展的重要载体之一。储氢是连接制氢及用氢的桥梁，车载储氢的关键装备—氢气瓶，是氢燃料电池汽车产业发展与落地应用的研究重点。塑料内胆碳纤维全缠绕储氢气瓶工作压力可达70mpa，而且储氢密度高并且抗氢腐蚀，在国际领域备受关注。
2、目前，塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶落地应用的难点在于成本高、容重比低。尤其碳纤维，占氢气瓶成本的70％以上。因此，亟需突破轻量化卡脖子技术，降低塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的生产成本，提高储氢密度，实现氢燃料电池车辆安全落地应用。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法，有效解决塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的生产成本高的问题。
2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法，所述塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶由塑料内胆以及位于塑料内胆外侧的碳纤维缠绕层组成，所述碳纤维缠绕层包括碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层，所述塑料内胆包括封头、筒身和极孔。
3、包括以下步骤：s1、封头形状轻量化设计：在封头的赤道位置设置突起。
4、s2、封头局部补强设计：首先，分析补强部位的碳纤维缠绕厚度和角度对补强部位应力大小的影响规律，确定补强部位的最佳碳纤维缠绕方案，补强部位的碳纤维缠绕层的厚度与突起的高度一致。其次，根据补强部位的碳纤维缠绕层的层数，设计多个补强部位的碳纤维缠绕层的扩孔方案，根据不同扩孔方案下的碳纤维应力分布及极孔处碳纤维堆积高度，确定最佳扩孔方案。
5、s3、碳纤维缠绕层数设计：在氢气瓶的原始碳纤维缠绕层数的基础上，进一步减少碳纤维缠绕层数，设计碳纤维缠绕方案，然后，根据碳纤维缠绕方案建立氢气瓶模型，在氢气瓶内壁施加最小设计爆破压力，提取碳纤维缠绕层纤维方向的应力以及剪切应力，在碳纤维缠绕层纤维方向的应力以及剪切应力分别满足许用应力的基础上，选择缠绕层数最少的方案。所述许用应力一般为碳纤维复合材料的抗拉强度。
6、s4、碳纤维环向缠绕层位置及碳纤维螺旋缠绕角度的设计：在步骤s3得到的碳纤维缠绕方案的基础上，不改变碳纤维缠绕层数，调整碳纤维环向缠绕层位置及碳纤维螺旋缠绕角度，设计多组碳纤维缠绕方案，然后，根据碳纤维缠绕方案建立氢气瓶模型，在氢气瓶内壁施加最小设计爆破压力，分析碳纤维环向缠绕层位置及碳纤维螺旋缠绕角度对氢气瓶承载能力的影响。
7、s5、在步骤s4的基础上，进一步减少碳纤维螺旋缠绕层数，增加碳纤维环向缠绕层数，获得轻量化设计方案，并根据轻量化设计方案建立氢气瓶模型，在氢气瓶的内壁施加最小设计爆破压力，验证氢气瓶的承载能力，如果氢气瓶的承载能力满足承载要求，则完成氢气瓶的轻量化设计。
8、进一步地，在步骤s2中，补强部位的最佳碳纤维缠绕方案的确定方法包括以下步骤：s21、设置一定的碳纤维缠绕角度，在此基础上，设计多组不同的碳纤维缠绕厚度，建立封头模型，在补强部位的封头的内壁施加一定的内压值进行计算，分析补强部位应力大小随碳纤维缠绕厚度的变化规律。
9、s22、设置一定的碳纤维缠绕厚度，在此基础上，设计多组不同的碳纤维缠绕角度，建立封头模型，在补强部位的封头的内壁施加一定的内压值进行计算，分析补强部位应力大小随碳纤维缠绕角度的变化规律。
10、s23、综合步骤s21中补强部位应力大小随碳纤维缠绕厚度的变化规律和步骤s22中补强部位应力大小随碳纤维缠绕角度的变化规律，确定补强部位的最佳碳纤维缠绕方案。
11、进一步地，采用abaqus软件建立封头模型和氢气瓶模型。
12、与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：(1)在以往传统结构中，氢气瓶封头部位的碳纤维应力水平较高，本发明通过封头局部补强能够承受部分压力，从而降低碳纤维缠绕层的应力，进而减少缠绕层的碳纤维用量，有利于满足承载要求的同时实现轻量化，极大节约生产成本。
13、(2)本发明不局限于特定的氢气瓶体积及尺寸，具有普适性。而且，本发明仅依赖于一种有限元计算软件，不需要过多的软件支撑，方便应用。
14、(3)本发明的操作步骤明确，操作简单，便于本领域技术人员进行操作。
1.一种塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法，其特征在于，所述塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶由塑料内胆以及位于塑料内胆外侧的碳纤维缠绕层组成，所述碳纤维缠绕层包括碳纤维环向缠绕层和碳纤维螺旋缠绕层，所述塑料内胆包括封头、筒身和极孔；
2.根据权利要求1所述的塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法，其特征在于，在步骤s2中，补强部位的最佳碳纤维缠绕方案的确定方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的塑料内胆碳纤维全缠绕氢气瓶的轻量化设计方法，其特征在于，采用abaqus软件建立封头模型和氢气瓶模型。
