鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器強(qiáng)度和可靠性研究.pdf

1、氫能以其轉(zhuǎn)化效率高、燃燒產(chǎn)物潔凈、易于低成本儲(chǔ)輸以及用途多樣化等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新世紀(jì)的重要二次能源。經(jīng)濟(jì)規(guī)模制氫、安全可靠儲(chǔ)輸氫氣、氫的經(jīng)濟(jì)高效利用是氫經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。隨著氫燃料電池和電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化，安全高效的儲(chǔ)氫技術(shù)已成為氫能發(fā)展的主要瓶頸。 高壓儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)氫容器結(jié)構(gòu)簡單、壓縮氫氣制備能耗少、充裝和排放速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前，國際上絕大多數(shù)加氫站和燃料電池汽車都采用高壓儲(chǔ)氫技術(shù)。各國氫能計(jì)劃無一例外地把輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器

2、列為研究重點(diǎn)。 鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器是目前首選的車載儲(chǔ)氫容器，主要由鋁薄內(nèi)襯和纖維纏繞層組成。在制造過程中，容器經(jīng)歷纏繞、固化和自緊等過程，使得容器內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，除內(nèi)壓引起的應(yīng)力外，還有纖維纏繞引起的應(yīng)力、固化引起的應(yīng)力、自緊引起的應(yīng)力等，在容器封頭與簡體連接位置會(huì)形成局部削層結(jié)構(gòu)，影響容器強(qiáng)度和可靠性因素多而復(fù)雜。 為研制35-70MPa車載輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器，本文從理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究三個(gè)方面，對(duì)鋁內(nèi)

3、襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器整體強(qiáng)度、局部削層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、靜強(qiáng)度可靠性和抗疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果為： (1)建立了鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器材料-工藝-結(jié)構(gòu)一體化的整體強(qiáng)度分析方法。運(yùn)用影響矩陣法求解纖維纏繞引起的預(yù)應(yīng)力；通過將固化時(shí)的熱收縮量轉(zhuǎn)換為等效的纖維纏繞力，確定固化引起的應(yīng)力；在內(nèi)襯彈塑性分析的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出自緊壓力的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合Tsai-Wu失效判定準(zhǔn)則，以逐層失效為強(qiáng)度校核方法，得到

4、鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器整體強(qiáng)度分析方法。 (2)首次建立了鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器局部削層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法。綜合考慮纖維纏繞工藝，推導(dǎo)出圓柱上纏繞結(jié)構(gòu)的削層結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的計(jì)算方法。運(yùn)用各向異性梁拉彎理論，分塊建立內(nèi)壓和軸向拉伸聯(lián)合作用下圓柱削層結(jié)構(gòu)的平衡方程，并根據(jù)位移和應(yīng)力連續(xù)性條件，結(jié)合Brewer和Lagace層間強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，提出容器削層部位強(qiáng)度校核方法。同時(shí)，建立了圓柱削層結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。 (3)提出了鋁內(nèi)襯輕質(zhì)

5、高壓儲(chǔ)氫容器可靠性的分析方法。在容器設(shè)計(jì)參數(shù)敏感度分析的基礎(chǔ)上，按照一階可靠度參數(shù)分析方法確定應(yīng)力、強(qiáng)度的概率密度函數(shù)，建立了容器靜強(qiáng)度的可靠性分析方法。以內(nèi)襯疲勞可靠性為研究重點(diǎn)，考慮材料、工藝隨機(jī)分布參數(shù)對(duì)應(yīng)力循環(huán)特性的影響，按照對(duì)數(shù)疲勞壽命正態(tài)分布，建立了容器的疲勞可靠性分析方法。 (4)40MPa鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器的研制。通過研究40MPa鋁內(nèi)襯輕質(zhì)高壓儲(chǔ)氫容器的靜強(qiáng)度、可靠性，以及纖維纏繞、固化、自緊引起的應(yīng)力，表