储氢复合材料气瓶缠绕层结构设计

1.1引言

在全球气候恶化的紧迫形势下，强化、节能和能源结构低碳化已成为大国能源战略的共同选择。我国当前工业化阶段能源需求呈现出较快的上升趋势，同时带来严重的资源紧缺和环境污染问题。推动先进能源技术创新，大力发展新能源、可再生能源以及天然气等低碳能源促进经济增长方式向绿低碳转型既是我国可持续发展的内在需求，也是应对全球气候变化的战略选择，同时也是实现我国能源高效、安全、清洁、低碳利用战略目标的重要举措。

高压储氢气瓶是压缩氢广泛使用的关键技术，广泛应用于加氢站及车载储氢域。随着应用端的应用需求(尤其是车载储氢)不断提高，轻质高压是高压储氢气瓶发展的不懈追求。目前高压储氢容器已经逐渐由全金属气瓶(Ⅰ型瓶)发展到非金属内胆纤维全缠绕气瓶(Ⅳ型瓶)几种类型的高压储氢气瓶。

1.2研究现状

1.2.1气瓶结构

纤维缠绕复合材料气瓶一般由金属内衬、纤维、树脂等组成，复合气瓶内衬内壁直接与介质接触，主要作用是气密、防腐、耐温，用的内衬材料有铝和塑料2种。复合材料缠绕层承担绝大部分(75％～95％)的压力载荷，其中纤维是主要的承载体，树脂对纤维起粘结作用，并在纤维之间起着分布和传递载荷的作用，由于铝内胆具有密封性好、抗疲劳性能强、循环寿命长、稳定性高及质量轻等优点，目前在碳纤维缠绕气瓶中得到了广泛的应用。

1.2.2网格理论

由于基体树脂的抗拉强度及抗拉模量只有纤维的2%-5%，且在气瓶爆破时树脂基体几乎完全开裂，已无加强作用，所以在设计纤维缠绕层时忽略树脂基体的作用，将气瓶看作完全由纤维承担载荷。这种忽略树脂基本刚性、认为张力完全由纤维网络承担的设计理论称为网格理论。国内外研究实验表明，使用网格理论对复合材料气瓶进行初步设计，计算出爆破压力比较准确。因此目前复合材料气瓶初步设计均使用网格理论作为计算依据。

网格理论存在两个基本假设：（1）：均衡条件假设：假定纤维网格只进行相似性变化，保证纤维最大程度发挥自身强度。（2）：连续性假设：在气瓶失效前，纤维与内衬之间试中保持连续且没有任何相对滑动。

1.2.3缠绕工艺

缠绕工艺按线型分有螺旋缠绕、环向缠绕和纵向缠绕，在实际生产中多采用螺旋缠绕与环向缠绕相结合的方式，环向缠绕可消除气瓶受内压而产生的环向应力，螺旋缠绕可提供纵向应力，提升气瓶整体性能。黄通等人重点分析了铺层方式对缠绕工艺的影响，发现靠近内侧采用混合缠绕的方式能够充分发挥各层纤维的径向强度，靠近外侧采用单一缠绕方式能够避免因为压力分布不均，进而造成的基体开裂或分层失效等现象。

1.2.4结构设计

复合材料结构设计方面，使用网格理论对缠绕层筒身段和封头段进行分析，结合材料参数计算出缠绕角度与厚度，得到缠绕层铺层方案。孕妇死亡复合材料层常用的失效准则有最大应力准则、最大应变准则、Tsai Hill准则、Hashin准则、Hoffman准则和Tsai-Wu准则。考虑内衬稳定性，需要基于Von Mises失效准则分析内衬的屈曲失效。为同时满足气瓶重量轻、耐疲劳性好的要求，选择合适的内胆形状与尺寸意义重大。理论和实践都证明，对纤维缠绕铝内胆气瓶，性能最高的为长径比大于2的长圆柱体。

可再生能源电力配额管理办法1.3发展趋势

高压储氢气瓶正不断朝着轻质高压、高质量/体积储氢密度方向发展。同时随

着纤维复合材料、聚合物材料以及缠绕设备、缠绕技术的更新升级，高压储氢气瓶必将更大地拓展其应用场景。位置服务

1.1具体设计内容

确定测地线和气瓶缠绕角，以及缠绕线型，确定工艺参数，选择采用日本东丽T700S-24k碳纤维作为气瓶的增强材料，确定好计算参数包括：气瓶筒身段半径、缠绕带宽（T700S-24k碳纤维、单束纱）、纤维体积含量、T700碳纤维密度、T700碳纤维线密度、纤维单层厚度、复合材料单层厚度、设计爆破压强、T700碳纤维发挥强度，根据公式计算螺旋向层数与环向层数，以及纤维总厚度和福彩总厚度。根据不同的缠绕角度设计不同的螺旋缠绕层数以及设计环向层数，根据不同的层数设计气瓶横向爆破压强和纵向起平爆破压强，根据经验设计的比最初的设计爆破压强高一点，最后推算出筒身段螺旋缠绕厚度、筒身段环向缠绕厚度以及总厚度。

1.2课题重点&难点

根据相关国家标准，运用网格理论进行铺层设计，有限元建模和分析，完善铺层方案为本课题的设计重点；确定影响复合材料气瓶强度的因素后完善铺层为本课题难点。

1.3预期成果&提供形式

（1）完成气瓶复合材料铺层厚度计算和强度计算

（2）设计铺层方案并完成有限元分析

（2）符合国家标准的复合材料呼吸气瓶结构设计方案

（3）完成毕业设计论文，上交毕业设计论文

1.1设计方案&技术要求

使用网格理论对缠绕层进行分析，结合材料参数计算出缠绕角度与厚度，得到缠绕层铺层方案。利用有限元软件Abaqus进行有限元模拟仿真，分析应力分布和爆破压强，并完善铺层方案。进行减重优势分析。

选择合适的单元和网格划分，将模型尽量精确。

1.2实验方法&实验步骤

（1）确定金属内衬的材料性能参数，内衬几何尺寸

（2）网格理论计算铺层厚度和强度，确定铺层方案

（3）有限元建模分析，在有限元仿真模拟数据基础上完善铺层

1.3后续问题&解决途径

（1）若气瓶不满足最小爆破压力要求，对铺层方案做出调整

（2）选择合适的网格数量进行有限元分析，若划分过细网格数量过多，会影响计算时长，若网格划分过于粗放，会导致模拟效果与实际相差过大，故通过查阅文献，询问指导老师，前面研究经验的基础上，选择合适的网格数量或适时做出调整

（3）对于气瓶建模、有限元分析不熟练，询问指导老师，在图书馆、网上查阅资料

1.1预期目标

（1）合适的铺层方案

（2）气瓶的精准模型

（3）完成并提交毕业论文

内蒙古师范大学学报

1.2网络风云具备的条件

理论基础：

工程力学，复合材料力学，复合材料结构设计，复合材料产品CAD/CAE/CAM,复合材料成型工艺与设备，复合材料无损检测，高分子材料成型加工原理,复合材料原理，高分子材料基础，文献检索，专业英语实践经验：认知实习、参观实习，专业实践，复综合实训（储氢气瓶初步设计）。

现有设备：win10电脑，Abaqus CAE软件

自动控制系统协作条件：在林松老师指导，同学帮助下进行设计

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