铝内衬轻质高压储氢容器强度和可靠性研究

摘要

氢能以其转化效率高、燃烧产物洁净、易于低成本储输以及用途多样化等突出优点，被认为是新世纪的重要二次能源。经济规模制氢、安全可靠储输氢气、氢的经济高效利用是氢经济的关键。随着氢燃料电池和电动汽车的迅速发展与产业化，安全高效的储氢技术已成为氢能发展的主要瓶颈。 高压储氢具有储氢容器结构简单、压缩氢气制备能耗少、充装和排放速度快等优点。目前，国际上绝大多数加氢站和燃料电池汽车都采用高压储氢技术。各国氢能计划无一例外地把轻质高压储氢容器列为研究重点。 铝内衬轻质高压储氢容器是目前首选的车载储氢容器，主要由铝薄内衬和纤维缠绕层组成。在制造过程中，容器经历缠绕、固化和自紧等过程，使得容器内的应力状态十分复杂，除内压引起的应力外，还有纤维缠绕引起的应力、固化引起的应力、自紧引起的应力等，在容器封头与简体连接位置会形成局部削层结构，影响容器强度和可靠性因素多而复杂。 为研制35-70MPa车载轻质高压储氢容器，本文从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面，对铝内衬轻质高压储氢容器整体强度、局部削层结构强度、静强度可靠性和抗疲劳性能进行了系统深入的研究。本文的主要研究内容和创新成果为： (1)建立了铝内衬轻质高压储氢容器材料-工艺-结构一体化的整体强度分析方法。运用影响矩阵法求解纤维缠绕引起的预应力；通过将固化时的热收缩量转换为等效的纤维缠绕力，确定固化引起的应力；在内衬弹塑性分析的基础上，导出自紧压力的计算公式。在此基础上，结合Tsai-Wu失效判定准则，以逐层失效为强度校核方法，得到铝内衬轻质高压储氢容器整体强度分析方法。 (2)首次建立了铝内衬轻质高压储氢容器局部削层结构的强度分析方法。综合考虑纤维缠绕工艺，推导出圆柱上缠绕结构的削层结构几何参数的计算方法。运用各向异性梁拉弯理论，分块建立内压和轴向拉伸联合作用下圆柱削层结构的平衡方程，并根据位移和应力连续性条件，结合Brewer和Lagace层间强度失效准则，提出容器削层部位强度校核方法。同时，建立了圆柱削层结构的有限元分析模型。 (3)提出了铝内衬轻质高压储氢容器可靠性的分析方法。在容器设计参数敏感度分析的基础上，按照一阶可靠度参数分析方法确定应力、强度的概率密度函数，建立了容器静强度的可靠性分析方法。以内衬疲劳可靠性为研究重点，考虑材料、工艺随机分布参数对应力循环特性的影响，按照对数疲劳寿命正态分布，建立了容器的疲劳可靠性分析方法。 (4)40MPa铝内衬轻质高压储氢容器的研制。通过研究40MPa铝内衬轻质高压储氢容器的静强度、可靠性，以及纤维缠绕、固化、自紧引起的应力，表明：本文提出的分析方法和计算模型可以用于铝内衬轻质高压储氢容器的设计，容器的可靠度达到99.999％。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.1.1氢能的发展

1.1.2车载供氢系统

1.1.3铝内衬轻质高压储氢容器

1.2铝内衬轻质高压储氢容器的强度和可靠性研究现状

1.2.1整体强度

1.2.2削层结构

1.2.3可靠性研究

1.2.4目前存在的问题

1.3本文研究内容

1.3.1课题来源

1.3.2主要内容

第二章铝内衬轻质高压储氢容器整体强度研究

2.1引言

2.2材料本构方程和结构平衡方程

2.2.1内衬材料本构方程

2.2.2纤维-树脂缠绕材料本构方程

2.2.3容器结构平衡方程

2.3纤维缠绕力与固化过程

2.3.1缠绕力作用

2.3.2固化过程中的热分析

2.4自紧过程研究

2.4.1承受内压载荷的结构受力分析

2.4.2自紧过程理论建模

2.5整体强度分析

2.5.1内衬强度分析

2.5.2碳纤维-树脂复合层的强度分析

2.6本章小结

第三章铝内衬轻质高压储氢容器削层部位强度研究

3.1引言

3.2削层结构的几何构造

3.2.1铝内衬轻质高压储氢容器的削层结构

3.2.2削层的角度和长度定义

3.3削层部位的强度分析

3.3.1理论假设

3.3.2单削层的理论分析

3.3.3树脂部分尖端的奇异应力求解

3.3.4多削层的理论分析

3.3.5削层部位的强度失效准则

3.3.6削层部位的有限元分析

3.4本章小结

第四章铝内衬轻质高压储氢容器的可靠性分析

4.1引言

4.2基于静强度的可靠性分析

4.2.1设计参数分布特征

4.2.2随机分布参数的敏感度分析

4.2.3静强度可靠性分析

4.2.4应力比的选取

4.2.5算例

4.3基于疲劳破坏的可靠性分析

4.3.1疲劳破坏的机理

4.3.2疲劳寿命的可靠度计算

4.3.3疲劳寿命可靠性分析流程

4.4本章小结

第五章40MPa铝内衬轻质高压储氢容器的研制

5.1引言

5.2强度分析

5.2.1基本参数

5.2.2理论分析

5.2.3有限元分析

5.2.4强度分析结果

5.3试验研究

5.4可靠性分析

5.5本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致 谢

在读期间发表(录用)论文

在读期间参与科研项目及获得奖项