纤维复合材料和缠绕技术广泛用于航空航天、船舶、国防、能源工业和汽车领域,尤其是汽车行业,能源、减重以及环保决定了新能源汽车成为必然趋势,而新能源及其载体压力容器是新能源汽车能否工程化、大众化应用的关键所在。在新能源气体存储方面,复合材料气瓶具有重量轻、耐高压和良好的可靠性等优点,非常适合盛装新能源气体,但是,随着复合材料气瓶的大量使用,复合材料气瓶的可靠性和存储能力难以满足汽车需求,说明了纤维缠绕技术发展的速度相比复合材料气瓶的应用推广速度较慢,不能满足新能源高压和高续航能力的要求。为了提高使用可靠性和储存能力,需要开展纤维缠绕设备和缠绕工艺研究,解决新能源气体压力容器重量轻、高存储量的技术问题,以满足新能源气体应用于新能源汽车的高耐压、高续航和高可靠性的需求。围绕影响纤维缠绕质量的因素,对目前纤维缠绕设备和纤维缠绕工艺进行分析,确定了纤维导向装置结构设计、弧形缠绕姿态的数学模型建立和纤维缠绕试验与分析等研究内容,主要包括对纤维导向装置结构设计、部件受力分析、二维图纸的绘制、材料选型、加工、组装和调试;开展纤维缠绕机缠绕质量控制技术研究,对复合材料气瓶的缠绕姿态进行缠绕数学模型建立,在数学模型建立中,重点包括气瓶圆弧段的缠绕数学模型建立、纵向缠绕时圆弧段的芯模转角分析计算、螺旋缠绕时圆弧段的芯模转角计算、纤维落纱点方程和出纱点运动方程的计算等。缠绕姿态数学模型建立之后将其转换成数控NC代码并输入到数控纤维缠绕机系统中进行纤维缠绕试验与分析。设计了纤维导向装置整体结构,进行了纤维导向装置整体模态分析和关键部件受力分析,纤维导向装置加工、组装和调试,达到了能够进行高精度纤维缠绕要求。建立了数学模型,确定了纤维缠绕中纤维束与复合材料气瓶(CNG气瓶)的运动关系,使纤维束与圆弧过渡更好的贴合,保证了纤维束与复合材料气瓶圆弧段的弧面相切缠绕。进行纤维缠绕试验与分析,完成了复合材料气瓶样件缠绕,弧形缠绕状态良好,从而得出纤维导向装置结构的合理性和缠绕数学模型的准确性。在纤维缠绕技术快速发展的基础上,纤维导向装置的设计和缠绕数学模型的建立为后续的纤维缠绕技术发展提供一定的技术储备。