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伴随着国家汽车工业的高速发展，能源的巨大消耗和尾气排放导致的空气污染问题越来越严重，而以压缩天然气为燃料的清洁能源汽车，能够极大地缓解能源紧缺和空气污染这两大问题。近年来，随着先进复合材料的快速发展以及缠绕铺放成型工艺的改进和完善，其成本逐年降低，车用压缩天然气(CNG)气瓶在国内外已得到大量使用。
近20年来，国内外诸多学者对气瓶的设计进行了大量的有限元分析以及实验研究。GotsisPK等对承受内压的纤维缠绕压力容器的破坏过程(包括损伤的发生、发展、传播、破坏)进行了分析，并且讨论了该容器的极限损伤问题。陈汝训根据网格理论对复合材料压力容器封头壳体进行了承载能力分析，研究了纤维缠绕壳体爆破压力和圆筒壁厚的计算公式。KabirMZ把气瓶内衬作为一个理想化的塑性材料，将缠绕层视为弹性材料，采用先漏后破坏作为设计标准，研究了容器封头应力的分布。邓京兰等研究了CNG-3和CNG-4型气瓶的优缺点，通过缠绕理论和制造工艺技术设计了不同爆破压强的纤维增强塑料气瓶。ZuL等基于非测地线研究了环形压力容器的缠绕线型的优化设计和工艺分析，评估了环形压力容器缠绕线型轨迹的稳定性。黄再满等应用ALGOFEAS有限元分析系统对铝合金内衬全缠绕复合材料天然气气瓶的预紧压力进行了设计，研究了复合材料气瓶的疲劳寿命。张国研究了纤维缠绕张力对气瓶内衬的影响。段成红等采用有限元法分析了复合气瓶的爆破问题，按最大应力准则和最大应变准则分别预测了爆破压强。
对于纤维缠绕车载CNG气瓶的结构设计，我国复合材料压力容器的设计制造标准比较少，很多企业都参考国外的设计制造标准。本文根据薄膜理论、网格理论，采用美国DOT-CFFC标准设计了70L纤维缠绕车载CNG气瓶，并应用有限元软件对气瓶进行了模拟仿真计算分析。
复合材料气瓶的结构设计包括内衬设计和纤维缠绕层设计。内衬作为缠绕的芯模，对缠绕线型铺放的厚度、角度起着决定性的作用，所以内衬的设计不仅仅要依据结构容积还应结合缠绕线型完成最终设计。内衬选用铝合金6061，回火条件T6；纤维缠绕层增强材料选用碳纤维T700-24K，基体选用E-42环氧树脂。
纤维缠绕车载CNG气瓶设计的主要技术指标如下：
装气容积：V=70L；工作压强：20MPa；试验水压：30MPa；爆破压强：68MPa；使用温度：-40～65℃；疲劳次数：≥7500。
在压力容器制造技术中，常常采用受力分布较均匀、存储空间利用率高的椭球形封头。在椭球形回转壳体中，椭球比(长短轴比)m是影响椭球封头受力和变形的重要参数由上可知，当m=1时，封头为球形，其封头处应力处处相等σφ=σθ，但是其空间利用率不高；当m=槡2时，椭球封头端部环向应力等于零；当m＞2时，端部环向为压应力σθ＜0；当m＜2时，端部为拉应力σθ＞0；当m→∞时，椭球壳变为平板，其受力性能最差，所以平板在压力容器中最不常见。综上分析，椭球比越接近1，其封头受力越均匀。
由上式可知，径向位移与椭球比的平方有关。封头与筒身连接处(端部)的位移大小由2-μ-m2决定。当2-μ-m2＞0，即端部向外扩张，此时m＜1.3；当2-μ-m2＜0，即端部向内收缩，此时m＜1.3；当2-μ-m2=0，端部无位移。综上分析，综合考虑封头强度和位移要求，可选取椭球形封头，封头的椭球比取2。
内衬筒体的设计参数主要包括：封头椭球比、筒体直径以及筒身长度。在气瓶容积以及封头椭球比确定的前提下，气瓶内衬几何尺寸可由筒体直径和筒身长度决定。
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