鋁內襯輕質高壓儲氫容器強度和可靠性研究.pdf

1、氫能以其轉化效率高、燃燒產物潔凈、易于低成本儲輸以及用途多樣化等突出優(yōu)點，被認為是新世紀的重要二次能源。經濟規(guī)模制氫、安全可靠儲輸氫氣、氫的經濟高效利用是氫經濟的關鍵。隨著氫燃料電池和電動汽車的迅速發(fā)展與產業(yè)化，安全高效的儲氫技術已成為氫能發(fā)展的主要瓶頸。 高壓儲氫具有儲氫容器結構簡單、壓縮氫氣制備能耗少、充裝和排放速度快等優(yōu)點。目前，國際上絕大多數加氫站和燃料電池汽車都采用高壓儲氫技術。各國氫能計劃無一例外地把輕質高壓儲氫容器

2、列為研究重點。 鋁內襯輕質高壓儲氫容器是目前首選的車載儲氫容器，主要由鋁薄內襯和纖維纏繞層組成。在制造過程中，容器經歷纏繞、固化和自緊等過程，使得容器內的應力狀態(tài)十分復雜，除內壓引起的應力外，還有纖維纏繞引起的應力、固化引起的應力、自緊引起的應力等，在容器封頭與簡體連接位置會形成局部削層結構，影響容器強度和可靠性因素多而復雜。 為研制35-70MPa車載輕質高壓儲氫容器，本文從理論分析、數值模擬和試驗研究三個方面，對鋁內

3、襯輕質高壓儲氫容器整體強度、局部削層結構強度、靜強度可靠性和抗疲勞性能進行了系統(tǒng)深入的研究。本文的主要研究內容和創(chuàng)新成果為： (1)建立了鋁內襯輕質高壓儲氫容器材料-工藝-結構一體化的整體強度分析方法。運用影響矩陣法求解纖維纏繞引起的預應力；通過將固化時的熱收縮量轉換為等效的纖維纏繞力，確定固化引起的應力；在內襯彈塑性分析的基礎上，導出自緊壓力的計算公式。在此基礎上，結合Tsai-Wu失效判定準則，以逐層失效為強度校核方法，得到

4、鋁內襯輕質高壓儲氫容器整體強度分析方法。 (2)首次建立了鋁內襯輕質高壓儲氫容器局部削層結構的強度分析方法。綜合考慮纖維纏繞工藝，推導出圓柱上纏繞結構的削層結構幾何參數的計算方法。運用各向異性梁拉彎理論，分塊建立內壓和軸向拉伸聯合作用下圓柱削層結構的平衡方程，并根據位移和應力連續(xù)性條件，結合Brewer和Lagace層間強度失效準則，提出容器削層部位強度校核方法。同時，建立了圓柱削層結構的有限元分析模型。 (3)提出了鋁內襯輕質

5、高壓儲氫容器可靠性的分析方法。在容器設計參數敏感度分析的基礎上，按照一階可靠度參數分析方法確定應力、強度的概率密度函數，建立了容器靜強度的可靠性分析方法。以內襯疲勞可靠性為研究重點，考慮材料、工藝隨機分布參數對應力循環(huán)特性的影響，按照對數疲勞壽命正態(tài)分布，建立了容器的疲勞可靠性分析方法。 (4)40MPa鋁內襯輕質高壓儲氫容器的研制。通過研究40MPa鋁內襯輕質高壓儲氫容器的靜強度、可靠性，以及纖維纏繞、固化、自緊引起的應力，表