CN114183684A - 一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法 - Google Patents

一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，包括以下步骤：(1)计算出环向缠绕层的最小厚度hθ及螺旋缠绕层的最小厚度hα；(2)计算出利用系数及实际环向缠绕层的厚度；(3)建立有限元分析模型；(4)求解有限元分析模型，确定最终环向缠绕层的厚度、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层的厚度、纵向补强层的厚度；(5)进行增材补强作业；(6)进行碳纤维缠绕、固化作业。该方法能单独对需要局部补强的区域进行局部补强作业，而不会涉及其他无需进行补强的部分，避免碳纤维的无用缠绕，大大降低了环向缠绕层、螺旋缠绕层的使用量，降低气瓶的成本，降低气瓶的重量，提高气瓶的稳定性能。

Description

一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法
技术领域
本发明涉及碳纤维全缠绕气瓶，尤其涉及一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法。
背景技术
碳纤维全缠绕气瓶主要有碳纤维全缠绕Ⅲ型储氢瓶和碳纤维全缠绕IV型储氢瓶二种，纤维全缠绕Ⅲ型储氢瓶为采用金属内胆的碳纤维全缠绕气瓶，金属内胆可以是铝内胆、钢内胆等。碳纤维全缠绕IV型储氢瓶为采用塑料内胆的碳纤维全缠绕气瓶，塑料内胆可以是由改性高密度聚乙烯制成的塑料内胆、由改性尼龙制成的塑料内胆等。
随着氢能行业的发展，不管是碳纤维全缠绕Ⅲ型储氢瓶，还是碳纤维全缠绕IV型储氢瓶，均朝着容积越来越大、压力越来越高、碳纤维缠绕层厚度越来越厚的方向发展：储氢瓶的最小工作压力为35MPa，同时向70MPa发展，压力越来越高；储氢瓶的容积也从几升上升到200L，甚至上升到450L；在如此高的压力及大容积下，不管是金属内胆还是塑料内胆，缠绕包裹于内胆上的碳纤维缠绕层的厚度也会随之增厚。
碳纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层构成，随着碳纤维缠绕层的厚度的增加，碳纤维缠绕在内胆的二端封头部分的厚度也同样增加非常明显。由于碳纤维缠绕层的厚度非常厚，环向缠绕层与封头之间会出现架空现象，架空区域的应力集中极大地影响到碳纤维的强度发挥率、碳纤维的疲劳强度、最终爆破的破口位置、爆破压力等。此外，在封头区域的碳纤维缠绕层厚度也非常厚，这会导致封头部分的应力复杂，而不同的封头形状也会导致各封头的各个位置的应力不一样。
采用有限元软件进行有限元分析可以得到碳纤维缠绕层在整个内胆的应力分布情况，经常会发现有时候需要对封头的某一部位进行局部补强。而目前局部补强的办法只能通过在需要补强的区域增加一个或几个螺旋缠绕层，通过这个办法增加需要补强的区域的碳纤维缠绕层的厚度。但采用上述补强方法对需要补强的区域进行补强的同时，其他无需进行补强的部分也必须同时缠绕上对应的螺旋缠绕层，但实际上其他无需进行补强的部分并不需要补强，本身碳纤维缠绕层的厚度已经满足使用需要，这就导致螺旋缠绕在其他无需进行补强的部分产生富余，即碳纤维无用缠绕。而通过缠绕的方式进行补强是一个连续的过程，无法单独对需要补强的区域进行补强，从而导致在碳纤维缠绕过程中，其他无需进行补强的部分产生碳纤维的浪费，增加制造成本，增加碳纤维缠绕气瓶的重量。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，该方法能单独对需要补强的区域进行局部补强作业，而不会涉及其他无需进行补强的部分，避免碳纤维的无用缠绕，大大降低了环向缠绕层、螺旋缠绕层的使用量，降低气瓶的成本，降低气瓶的重量，提高气瓶的稳定性能。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：对于采用先进行碳纤维环向集中缠绕，然后再进行碳纤维螺旋缠绕方式得到碳纤维缠绕层的碳纤维全缠绕气瓶，该碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure RE-GDA0003477815280000031
Figure RE-GDA0003477815280000032
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85。
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的利用系数K1；根据利用系数K1确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h1：
K1＝(hθ+R)/R；
h1＝K1×hθ。
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h1，以及步骤(1) 中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h1以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型。
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4。
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处。
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆依次进行碳纤维环向集中缠绕作业、碳纤维螺旋缠绕作业，得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其中，步骤(4)中采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h1’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h1为最终环向缠绕层的厚度h1’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h1之和为最终环向缠绕层的厚度h1’。
(b)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’。
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4。
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度 h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤 (a)、(b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其中，步骤(5)中采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向或/和纵向铺设于环向补强层部位处。
对于采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式得到碳纤维缠绕层的碳纤维全缠绕气瓶，该碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure RE-GDA0003477815280000081
Figure RE-GDA0003477815280000091
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85。
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的利用系数K2；根据利用系数K2确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h2：
K2＝(hθ+hα+R)/R；
h2＝K2×hθ。
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h2，以及步骤(1) 中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h2以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型。
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度 h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4。
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处。
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆进行碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其中，步骤(4)中采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h2’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h2为最终环向缠绕层的厚度h2’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h2之和为最终环向缠绕层的厚度h2’。
(b)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’。
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4。
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度 h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤 (a)、(b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
进一步地，前述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其中，步骤(5)中采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向或/和纵向铺设于环向补强层部位处。
本发明的有益效果是：通过激光或红外线加热快速融化的热性碳纤维带变成柔软的、可变性的、具有粘性的熔融状热塑性碳纤维带，将该熔融状热塑性碳纤维带按要求铺设于需要补强的区域后通过胶辊压实、迅速冷却粘接凝固在需要补强的区域，对该区域进行增强、填实空隙等作业，避免碳纤维的无用缠绕，大大降低了环向缠绕层、螺旋缠绕层的使用量，降低气瓶的成本，降低气瓶的重量，提高气瓶的稳定性能。此外，在离开激光或红外加热的情况下，熔融状热塑性碳纤维带会迅速冷却硬化，紧密粘附于内胆上，所以无需对补强后的区域再进行固化作业。
具体实施方式
下面结合优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
实施例一
碳纤维全缠绕气瓶上的碳纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层构成，本实施例是基于先进行碳纤维环向集中缠绕，然后再进行碳纤维螺旋缠绕方式的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure RE-GDA0003477815280000151
Figure RE-GDA0003477815280000152
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85。
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的利用系数K1；根据利用系数K1确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h1：
K1＝(hθ+R)/R；
h1＝K1×hθ。
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h1，以及步骤(1) 中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h1以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型。
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4。
其中，采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h1’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h1为最终环向缠绕层的厚度h1’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h1之和为最终环向缠绕层的厚度h1’；
(b)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤(a)、 (b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度 h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处。
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆依次进行碳纤维环向集中缠绕作业、碳纤维螺旋缠绕作业，得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
试验一
本试验以70MPa的碳纤维全缠绕IV型储氢瓶为例进行说明，该气瓶采用先进行碳纤维环向集中缠绕，然后再进行碳纤维螺旋缠绕方式得到碳纤维缠绕层。碳纤维采用东丽T700级别碳纤维，已知碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值为2250Mpa，螺旋缠绕层纤维利用率K＝0.8，则碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值为1800Mpa。已知其他参数如下：
R＝176.5mm；
Pbl＝0MPa(塑料内胆不承载，按零计算)；
Pb＝180MPa；
[σf]＝3461.5MPa；
Vf＝65％；
α＝16°；
K＝0.8。
根据步骤(1)、(2)中的公式，计算求得：
hθ＝15.62mm；
hα＝11.03mm；
K1:1.1；
实际环向缠绕层的厚度h1＝17.18mm。
用有限元软件，如ANSYS或者ABAQUS软件，根据已知参数分别建立内胆与碳纤维缠绕层的有限元分析模型。计算该有限元模型在受到最小设计爆破压力下的应力与应变情况。
通过有限元软件求解计算出来最小爆破压力下的筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力值为2200MPa，与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值2250MPa 进行比较，2200MPa小于2250MPa，因而筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力校核合格。通过有限元软件求解计算出来最小爆破压力下的筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力值为1700MPa，与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值1800MPa进行比较，1700MPa小于1800MPa，因而筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力校核合格。
检查端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的应力，发现有限元解中出现的最大应力出现在筒体与二端封头过渡区域处，该处的碳纤维缠绕层的环向应力值为2210MPa，2210MPa小于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值2250 MPa；该处的碳纤维缠绕层的纵向应力值为1900MPa，1900MPa大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值1800MPa，超过允许范围值，因而该处的碳纤维缠绕层的纵向应力校验值不合格，需要在该处进行纵向补强处理。
可先通过简单的强度比例值来估算需要补强的厚度，即1900/1800＝1.056。需要对过渡区补强5.6％。即在原来螺旋层的厚度取值的11.03mm的基础上增加 5.6％。实践中适当增加最小计算厚度，这里取值为0.7mm，补强缠绕角取值16 度。补强区域需要覆盖有限元强度不足区域，可根据实际情况进行调整，也可采用有限元从窄到宽复核的方法，但一般建议不少于20mm，优选30到50mm，也可以更宽。
根据以上计算结果，重新进行有限元建模，对有限元结果进行复核，筒体与二端封头过渡区域处的纤维缠绕层的纵向应力低于1800Mpa，该处的碳纤维缠绕层的纵向应力校核合格。
然后进行步骤(5)、(6)，制得碳纤维全缠绕气瓶。
试验二
本试验以35MPa的碳纤维全缠绕Ⅲ型储氢瓶为例进行说明，内胆采用铝内胆，该气瓶采用先进行碳纤维环向集中缠绕，然后再进行碳纤维螺旋缠绕方式得到碳纤维缠绕层。碳纤维采用东丽T700级别碳纤维，已知碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值为2250Mpa，螺旋缠绕层纤维利用率K＝0.8，则碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值为1800Mpa。已知其他参数如下：
R：174mm；
Pbl：10MPa(铝内胆承受荷，根据实际内胆爆破值取值)；
Pb：91MPa；
[σf]：3461.5MPa；
Vf:65％；
α:14°。
根据步骤(1)、(2)中的公式，计算求得：
hθ＝7.0mm；
hα＝4.8mm；
K1:1.05；
实际环向缠绕层的厚度h1＝7.35mm。
用有限元软件，如ANSYS或者ABAQUS软件，根据已知参数分别建立内胆与碳纤维缠绕层的有限元分析模型。计算该有限元模型在受到最小设计爆破压力下的应力与应变情况。
通过最小爆破压力下有限元软件求解计算出来的筒体部分的碳纤维缠绕层的应力值为2000MPa，与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值2250MPa进行比较，2000MPa小于2250MPa，因而筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力校核合格。通过有限元软件求解计算出来的筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力为 1750MPa，与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值1800MPa进行比较，1750MPa小于1800MPa，因而筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力校核合格。
检查端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的应力，发现有限元解中出现的最大应力出现在在瓶嘴颈部R角区域，该处的碳纤维缠绕层的环向应力值为2100MPa，2100MPa小于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值2250MPa；该处的碳纤维缠绕层的纵向应力值为1950MPa，1950MPa大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值1800MPa，超过允许范围值，因而该处的碳纤维缠绕层的纵向应力校验值不合格，需要在该处进行纵向补强处理。
可先通过简单的强度比例值来估算需要补强的厚度，即1950/1800＝1.08。需要对过渡区补强8％。由于螺旋缠绕层在颈部区域厚度远高于筒体螺旋层处，一般会增厚到2～3倍，假定该处现有厚度为3倍，则该处厚度为14.4mm。则实际在颈部R角处需要增加的厚度为14.4mm的8％。实践中适当增加最小计算厚度，这里取值为1.5mm，由于根据缠绕规律，在瓶嘴R角处的缠绕角接近90度，由补强缠绕角取值85度。补强的过度区的宽度，需要覆盖有限元计算强度不足的整个区域，可根据实际情况进行调整，也可采用有限元从窄到宽复核的方法，但一般建议不少于20mm，优选30到50mm，或者更宽。
根据以上计算结果，重新进行有限元建模，对有限元结果进行复核，筒体与二端封头过渡区域处的纤维缠绕层的纵向应力还是大于1800MPa，则需要重新进行分析、优化，重新进行补强区域的设计，可增加纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4或者调整补强区域的宽度，直至筒体与二端封头过渡区域处的纤维缠绕层的纵向应力不大于1800Mpa。
然后进行步骤(5)、(6)，制得碳纤维全缠绕气瓶。
实施例二
碳纤维全缠绕气瓶上的碳纤维缠绕层由环向缠绕层和螺旋缠绕层构成，本实施例是基于碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure RE-GDA0003477815280000251
Figure RE-GDA0003477815280000252
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85。
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的利用系数K2；根据利用系数K2确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h2：
K2＝(hθ+hα+R)/R；
h2＝K2×hθ。
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h2，以及步骤(1) 中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h2以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型。
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度 h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4。
其中，采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h2’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h2为最终环向缠绕层的厚度h2’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h2之和为最终环向缠绕层的厚度h2’；
(b)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤(a)、 (b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度 h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处。
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆进行碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
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。
本发明的优点是：通过激光或红外线加热快速融化的热性碳纤维带变成柔软的、可变性的、具有粘性的熔融状热塑性碳纤维带，将该熔融状热塑性碳纤维带按要求铺设于需要补强的区域后通过胶辊压实、迅速冷却粘接凝固在需要补强的区域，对该区域进行增强、填实空隙等作业，避免碳纤维的无用缠绕，大大降低了环向缠绕层、螺旋缠绕层的使用量，降低气瓶的成本，降低气瓶的重量，提高气瓶的稳定性能。此外，在离开激光或红外加热的情况下，熔融状热塑性碳纤维带会迅速冷却硬化，紧密粘附于内胆上，所以无需对补强后的区域再进行固化作业。

Claims (6)

1.一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure FDA0003376524410000011
Figure FDA0003376524410000012
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85；
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的利用系数K1；根据利用系数K1确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向集中缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h1：
K1＝(hθ+R)/R；
h1＝K1×hθ；
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h1，以及步骤(1)中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h1以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型；
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4；
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处；
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆依次进行碳纤维环向集中缠绕作业、碳纤维螺旋缠绕作业，得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：步骤(4)中采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向集中缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h1’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h1为最终环向缠绕层的厚度h1’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h1之和为最终环向缠绕层的厚度h1’；
(b)采用碳纤维环向集中缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤(a)、(b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h1’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
3.根据权利要求1或2所述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：步骤(5)中采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向或/和纵向铺设于环向补强层部位处。
4.一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)计算出碳纤维全缠绕气瓶的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα：
Figure FDA0003376524410000071
Figure FDA0003376524410000072
其中，R是：内胆的外半径(mm)；
Pbl是：内胆的最小爆破压力(MPa)；
Pb是：碳纤维全缠绕气瓶的最小设计爆破压力(MPa)；
[σf]是：碳纤维最小拉伸强度保证值(MPa)；
Vf是：碳纤维计算体积百分含量(％)；
[σf]×Vf是：碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值(MPa)；
[σf]×Vf×K是：碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值(MPa)
α是：纵向平均缠绕角；
K是：螺旋缠绕层纤维利用率，K＝0.6～0.85；
(2)根据步骤(1)中得到的环向缠绕层的最小厚度hθ以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的利用系数K2；根据利用系数K2确定碳纤维全缠绕气瓶采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的实际环向缠绕层的厚度h2：
K2＝(hθ+hα+R)/R；
h2＝K2×hθ；
(3)根据步骤(2)中计算出来的实际环向缠绕层的厚度h2，以及步骤(1)中的螺旋缠绕层的最小厚度hα，采用有限元软件建立有限元分析模型：首先在有限元软件中输入内胆的尺寸，建立内胆的有限元模型，然后在有限元软件中输入实际环向缠绕层的厚度h2以及螺旋缠绕层的最小厚度hα，在内胆的有限元模型上建立碳纤维缠绕层的有限元模型；
(4)采用有限元软件求解步骤(3)中建立的有限元分析模型，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4；
(5)根据内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，对环向补强层部位或/和纵向补强层部位进行增材补强作业：对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向铺设于环向补强层部位处，在环向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于环向补强层部位处；或/和使热塑性碳纤维带熔融后纵向铺设于纵向补强层部位处，在纵向铺设的过程中通过胶辊将熔融状热塑性碳纤维带压实于纵向补强层部位处；
(6)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’，对铺设好环向补强层或/和纵向补强层的内胆进行碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕得到碳纤维缠绕层，对碳纤维缠绕层进行固化作业，制得碳纤维全缠绕气瓶。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：步骤(4)中采用有限元软件求解有限元分析模型的具体求解方式为将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下碳纤维缠绕层的对应的应力与应变，将求解得到的碳纤维缠绕层的环向应力与碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值进行比较，以及将碳纤维缠绕层的纵向应力与碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值进行比较，确定采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时的最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4，具体确定步骤如下：
(a)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终环向缠绕层的厚度h2’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，实际环向缠绕层的厚度h2为最终环向缠绕层的厚度h2’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，增加环向缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值，增加的环向缠绕层的厚度与实际环向缠绕层的厚度h2之和为最终环向缠绕层的厚度h2’；
(b)采用碳纤维环向缠绕与碳纤维螺旋缠绕交替缠绕方式时，最终螺旋缠绕层的厚度hα’的确定方式是：
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，螺旋缠绕层的最小厚度hα为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
最小爆破压力下，筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力大于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，增加螺旋缠绕层的厚度直至筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值，增加的螺旋缠绕层的厚度与螺旋缠绕层的最小厚度hα之和为最终螺旋缠绕层的厚度hα’；
(c)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于该有限元分析模型上，有限元软件求解得到最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力与应变、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力与应变；根据最小爆破压力下缠绕于气瓶的二端封头部分的碳纤维缠绕层的应力、缠绕于气瓶的筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的应力，确定气瓶上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4：
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，环向补强层的厚度h3为零；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，纵向补强层的厚度h4为零；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的环向应力均小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的环向应力小于等于筒体部分的的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于碳纤维复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分碳纤维缠绕层的的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至纵向补强层部分的纵向应力小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的环向应力大于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值的区域为内胆上的环向补强层部分，在环向补强层部分环向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至环向补强层部分的碳纤维缠绕层的环向应力小于等于碳纤维复合材料最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的环向应力，环向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为环向补强层的厚度h3；二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域至少一处碳纤维缠绕层的纵向应力大于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值时，二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域中碳纤维缠绕层的纵向应力大于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力的区域为内胆上的纵向补强层部分，在纵向补强层部分纵向逐层铺设加热的热塑性碳纤维带直至二端封头部分以及筒体与二端封头过渡区域的碳纤维缠绕层的纵向应力均小于等于复合材料螺旋缠绕层最小拉伸强度保证值、且小于等于筒体部分的碳纤维缠绕层的纵向应力，纵向逐层铺设的热塑性碳纤维带的厚度为纵向补强层的厚度h4；
(d)根据最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4重新建立碳纤维缠绕层的有限元模型，将气瓶标准中要求的最小爆破压力施加于有限元分析模型上，重复步骤(a)、(b)、(c)，对最终环向缠绕层的厚度h2’、最终螺旋缠绕层的厚度hα’、内胆上环向补强层部位、纵向补强层部位、环向补强层部位处的环向补强层的厚度h3、纵向补强层部位处的纵向补强层的厚度h4进行校对和修正。
6.根据权利要求4或5所述的一种碳纤维全缠绕气瓶的增材补强及碳纤维缠绕方法，其特征在于：步骤(5)中采用激光或红外线对热塑性碳纤维带加热，使热塑性碳纤维带熔融后环向或/和纵向铺设于环向补强层部位处。
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