基于微觀力學分析的復合材料儲氫容器強度與壽命研究.pdf

1、目前，碳纖維增強復合材料（CFRP）儲氫氣瓶是高壓儲氫技術(shù)的重要實現(xiàn)方式，以其獨特的優(yōu)勢而倍受國內(nèi)外青睞。復合材料儲氫氣瓶的失效行為和極限強度等相關(guān)研究仍然是其優(yōu)化設計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵性工作。然而，由于高壓儲氫氣瓶快速充放氫過程會發(fā)生顯著的溫升效應，導致復合材料氣瓶長期在高溫、高壓循環(huán)載荷下工作，使其力學行為和失效機理變得異常復雜。因此，研究復合材料氣瓶在快充氫過程的溫升效應和熱力耦合行為，以及開展氣瓶漸進失效分析和疲勞壽命預測分析，成為目

2、前急需解決的重要問題。為了達到以上目標，本文展開了一系列深入研究，主要研究內(nèi)容和相關(guān)創(chuàng)新成果如下:
　　(1)在70MPa快速充放氫疲勞試驗系統(tǒng)上，開展了復合材料氣瓶快充溫升效應試驗，詳細分析了快充過程的溫升變化機理;進而開展了氣瓶快充氫疲勞循環(huán)試驗，得到了氣瓶氫環(huán)境下的疲勞壽命和失效機理。試驗過程中采用了相應的監(jiān)測手段以確保系統(tǒng)的安全運行并實時監(jiān)測受試氣瓶的失效狀態(tài)。
　　(2)建立了快充過程理論分析模型，分析了各個充裝參

3、數(shù)對快充溫升過程的影響;基于理論分析建立了CFD計算模型，研究了各個充裝因素對溫升效應的影響規(guī)律并提出了可行的降低溫升效應的控制策略和加氫方案。最后建立了氣瓶FEA計算模型，基于ABAQUS順序熱力耦合分析方法，研究了氣瓶快充過程的熱力耦合行為，分析了溫升效應對氣瓶力學性能的影響機理。
　　(3)基于微觀力學失效理論(MMF)，并結(jié)合連續(xù)介質(zhì)損傷力學理論(CDM)，提出了復合材料氣瓶漸進失效分析方法。通過微觀力學分析，將復合材料層

4、板結(jié)構(gòu)分析從宏觀尺度轉(zhuǎn)換到微觀尺度，進而引入基于組分失效的損傷變量，建立復合材料三維損傷本構(gòu)關(guān)系和損傷演化模型，從而實現(xiàn)對復合材料氣瓶復雜失效模式和最終強度的準確預測。整個漸進失效分析過程借助ABAQUS用戶子程序(UMAT)編程實現(xiàn)。
　　(4)提出了基于組分強度分析的復合材料疲勞壽命計算方法。通過微觀力學失效理論(MMF)，將復合材料加速測試方法(ATM)擴展到組分層面，建立了組分疲勞強度控制曲線;同時基于三維彈性理論，建立了