基于ANSYS的储氢气瓶快充温升流热固耦合模拟研究

以某款车用碳纤维全缠绕储氢气瓶为研究对象,基于ANSYS Workbench平台,充分考虑气瓶不同结构层的差异性和温度载荷分布不均匀性,进行了流热固耦合模拟计算分析。首先对气瓶快速充装过程内部气体流场进行三维数值模拟研究其温升规律,然后将流场计算结果加载到气瓶结构层进行稳态热分析,最后将流场及热分析结果均加载到气瓶结构层进行结构静力学分析。结果表明:当充装结束时,气瓶最高温度及碳纤维复合层受到的最大应力均出现在瓶尾封头和筒体的连接处;相较于内压引起的机械应力,温度载荷引起的热应力很小;机械应力与耦合应力数值相差不大,碳纤维复合层的机械应力略小于耦合应力,而铝合金内胆层由于膨胀系数大,温度载荷引起的压缩热应力抵消了一部分机械应力,使得耦合应力小于机械应力。

内压作用下车载储氢瓶抗典型破片冲击数值模拟研究

针对大质量低速破片对典型车载Ⅲ型储氢瓶的冲击行为,利用LS-DYNA有限元仿真软件建立了典型车载储氢瓶的破片冲击模型,重点研究了在不同内压及破片与瓶体不同夹角下气瓶的冲击响应,并探讨了其损伤数据的变化规律。结果表明:内压与损伤深度及损伤面积都呈现出显著的负相关的关系,总体上呈现先急后缓的趋势,可见内压对于储氢瓶起到了一定的保护作用;当破片与瓶体夹角为90°时,气瓶被穿透,破片着靶角度45°比着靶角度0°对气瓶损伤效果更低;当储氢瓶内压较高时,由于纤维层被破坏,内压会对气瓶造成损伤。由此可见,内压对储氢瓶的防护效果的影响是显著的,但由于碳纤维材料特性,其防护能力较低,建议实际使用时添加外部防护单元。

碳纤维氢气瓶六轴缠绕装置结构设计研究

新能源汽车在我国得到快速发展,氢气瓶是其重要储能元件,而碳纤维缠绕气瓶已经成为相关领域的新趋势,设计一种碳纤维氢气瓶六轴缠绕装置。装置整体结构分为运动控制平台模块、丝嘴偏转模块、丝嘴旋转模块以及芯模固定旋转模块,对四个模块进行详细设计。通过SolidWorks Simulation进行静力学分析和关键零部件模态分析,使用ADAMS对装置进行运动仿真。验证设计强度是否满足要求,保证良好的挠性,整个缠绕过程能否保证稳定的传动。建立碳纤维缠绕氢气瓶的数学模型,进行轨迹规划计算,获得测地线缠绕轨迹。设计、仿真和轨迹规划结果能够为今后碳纤维铺放装置的设计与研究提供一定的参考意义。

深冷高压储氢气瓶复合材料层低温力学性能分析与优化

为提高深冷、高压双重极端工况作用下复合材料层的低温力学性能,根据层合板理论构建了深冷高压储氢气瓶复合材料层力学分析模型.通过计算热力耦合作用下多层缠绕结构的各向应力,研究横向弹性模量和纤维缠绕角度对复合材料层低温力学性能的影响.以容积140 L、压力35 MPa的气瓶为研究对象,结果表明,当横向弹性模量由14 GPa降低到5 GPa,复合材料横向应力减小68.37%,降低了基体受力失效风险;在0~50°范围内,复合材料横向应力随着螺旋缠绕角度的增加而减小,螺旋缠绕层可承载环向应力由68.18 MPa提高到424.13 MPa.横向弹性模量的降低和螺旋缠绕角度的增加使得各缠绕层的Tsai-Wu失效准则系数下降,有利于提高复合材料层的低温力学性能,减少碳纤维缠绕层数.

70 MPa碳纤维缠绕储氢气瓶结构设计与力学性能研究

设计了70 MPaⅢ型与Ⅳ型储氢气瓶结构,建立了相应数值仿真模型研究各种工况载荷下储氢气瓶的力学性能,对比了Ⅲ型和Ⅳ型气瓶力学性能特性差异,探究了缠绕层厚度和自紧处理对储氢气瓶力学性能的影响。结果表明:所设计的70 MPa储氢气瓶纤维应力比大于2.25,满足标准要求;Ⅳ型气瓶螺旋缠绕层应力分布规律与Ⅲ型类似,而内衬应力分布规律不同;Ⅲ型储氢气瓶的环绕层厚度增加可降低其环向层应力,但螺旋缠绕层主应力增大;增加螺旋缠绕层厚度可降低环向层、螺旋层应力;自紧处理可降低工作压力下气瓶内衬应力,但随自紧载荷增加纤维缠绕层应力增大。

复合材料全缠绕储氢气瓶研制及应用进展

氢能作为零碳能源,是一种极具潜力的清洁能源。由于氢体积能量低,因此一般采用高密度方式储存氢气,高压气态储氢是目前应用最为成熟的储氢技术。随着储氢密度要求的提高,对储氢气瓶的安全性和可靠性提出更高要求。本文介绍了复合材料全缠绕储氢气瓶的分类及生产厂家情况,分析了储氢气瓶所用材料及成型工艺特点,重点关注了新一代无内胆气瓶现状及研究成果。总体上看,复合材料全缠绕储氢气瓶向着高压、高储氢效率方向发展,随着氢能源领域对储氢气瓶需求提高,碳纤维复合材料在储氢气瓶领域将迎来更大发展。

碳纤维复材在氢气储存和电池包壳体的应用现状

通过调研碳纤维复合材料在新能源汽车氢能储存及电池包壳体的应用现状及研究进展,讨论高压储气瓶及电池包壳体的分类及发展趋势,分析当前碳纤维复合材料应用的优缺点,并展望未来高性能纤维复合材料在新能源汽车领域的应用与前景。

70 MPa车载Ⅳ型储氢气瓶关键技术及标准化研究

随着燃料电池汽车产业的发展,大容积70 MPa车载Ⅳ型储氢瓶已成为现阶段氢能应用的重要任务之一。本文通过对国内外70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶研发和应用现状的调研,系统地描述了车载Ⅳ型储氢瓶各项关键技术的研制进展,对比分析国内外车载Ⅳ型瓶标准化现状及检验检测技术要求,为70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶国产化研制、标准制定提供参考。

碳复合纤维储氧瓶的设计及可靠性研究

针对现有矿用自救器质量重、抗疲劳性能差等问题,将氧气瓶与碳复合纤维材料相结合,设计了一种碳复合纤维储氧瓶。通过竞品分析、试验测试和数值模拟等方法,开展了碳复合纤维储氧瓶可靠性研究,获取了关键技术参数,分析不同工况下碳纤维缠绕储氧瓶内胆的应力分布。结果表明:碳纤维缠绕储氧瓶与钢制气瓶相比,瓶重减小了25.7%,工作压力提高了15.0%,氧气储气量提高了30.0%;碳复合纤维材料的最小拉伸强度和弯曲强度分别为760和822 MPa;30 MPa工作压力、爆破压力以及300 N冲击载荷作用下,碳纤维缠绕储氧瓶内胆的最大应力分别为343.6、1168、8.7 MPa,均满足规范要求。

碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶的研制与应用进展

氢能是21世纪最有潜力的新型能源,具有高能、环保、可再生等优点,但氢气的储运技术滞后严重限制了其大规模应用。碳纤维缠绕复合材料氢气瓶因具有质量轻、韧性强、耐疲劳性好等优点,在储氢领域具有广阔的应用前景。本文综述国内外高压气态储氢技术研究现状,并结合国产碳纤维复合材料应用现实,论述了碳纤维缠绕储氢气瓶制备的技术要点、标准规范以及成型设备等方面的最新进展,展望了碳纤维缠绕储氢气瓶的产业前景。

碳基吸附储氢材料

本文综述了活性炭、活性碳纤维、碳纳米纤维和碳纳米管的结构与储氢性能。活性炭只是在低温下才 有好的吸附储氢性能,碳纳米材料吸附储氢对于工业应用还不成熟。活性碳纤维是一种可大规模生产且成本较低的微孔吸附材料,其作为储氢材料具有一定的工业前景。

沥青基活性碳纤维的微观结构及其储氢性能研究

氢能是一种清洁的可再生能源，由于传统的储氢材料和储氢技术达不到氢燃料电池电动车的实用要求，储氢问题已成为氢能应用中最急需解决的关键问题。用KOH活化法制备了沥青基活性碳纤维，利用低温（77K）N2吸附法测定沥青基活性碳纤维的BET比表面积和孔结构，沥青基活性碳纤维的比表面积为1484m^2／g，微孔孔容为0．373m^3／g，采用日本SuzukiShokan公司的PCT测量系统，测试沥青基活性碳纤维的储氢性能，在液氮温度和4MPa压力条件下，沥青基活性碳纤维储氢量为4．75％（质量分数）。

碳纤维复合材料在食品处理用高压设备上的应用研究

本文首先介绍了食品处理用超高压技术的应用及发展情况,以及超高压设备的基本分类和主要结构等。然后从设计要求、技术指标和制造工艺等方面重点论述了碳纤维复合材料在超高压设备上的高压筒体和承压框架上的应用可行性。最后,展望了超高压设备的应用前景以及复合材料在超高压设备上的应用潜力。

复合材料高压储氢容器筒壁应力优化控制分析

复合材料压力容器的纤维缠绕预应力对容器的性能有很大的影响，合理设计这种纤维预应力可提高复合材料容器的综合性能。当碳纤维缠绕铝合金内衬高压储氢容器在高压操作下（比如70MPa），如果不考虑纤维预应力的作用，在工作压力下内衬的应力有可能超过铝合金的许用强度，采用在纤维缠绕制造过程中施加预应力的方法，可以降低铝合金内衬在操作时的应力水平。通过对纤维缠绕层力学模型的简化以及对内村进行虚拟后，把整个容器当作各向同性简体进行处理，极大地简化了计算，并不断地优化预应力分布，最终得到一组比较合理的缠绕预应力，使容器在操作压力下内村有较低的应力水平，而纤维增强层则具有接近均布的应力水平。

管束集装箱Ⅳ型储氢瓶筒体CFRP层抗弹冲击数值模拟

利用Abaqus/Explicit有限元仿真软件建立了管束集装箱Ⅳ型储氢瓶筒体碳纤维增强复合材料(CFRP)层子弹冲击模型,重点探讨了当子弹以不同冲击初始速度穿透均衡CFRP储氢瓶筒体时的纤维缠绕角度与筒体CFRP层抗弹冲击性能的变化规律。结果表明:在模拟条件下,当子弹以250~500 m/s的较低速度冲击储氢瓶筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能伴随纤维缠绕角度的递增呈现先增强后减弱的趋势,在缠绕角度为±45°左右时的筒体CFRP层抗弹冲击性能最好;当子弹以500~850 m/s的较高速度冲击筒体时,筒体CFRP层抗弹冲击性能同纤维缠绕角度的关系不明显。该研究可为管束集装箱Ⅳ型储氢瓶的抗冲击设计及优化提供参考。

金属内胆纤维环向缠绕储氢气瓶临界疲劳循环次数影响因素探究

目前对于采用金属内胆纤维环向缠绕的气瓶疲劳寿命影响因素研究多集中于气瓶的结构参数和工艺参数,对初始存在裂纹的探究较少。对某工作压力30 MPa的金属内胆碳纤维环向缠绕储氢气瓶进行研究,采用基于断裂力学的疲劳裂纹扩展法,结合有限元分析,对其临界疲劳循环次数进行计算,探究不同自紧压力,以及相同自紧压力下不同初始裂纹深度对金属内胆纤维环向缠绕储氢气瓶临界疲劳循环次数的影响。结果表明:(1)气瓶的临界疲劳循环次数随自紧压力的增大而增大;(2)随初始裂纹深度的减小而增加,且深度越小,临界疲劳循环次数增量越大。

碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数变化规律的研究

为研究充装完成后的碳纤维全缠绕储氢气瓶内热力学参数随时间的变化规律,以氢气为工质,选取了3种常用规格的车用储氢气瓶(27 L、52 L和135 L)进行传热计算。对于气瓶内的氢气采用饱和均质模型;对于气瓶中的各隔层采用多层稳态热传导的结构模型。根据饱和状态下的热平衡条件以及热力学关系,计算得到了气瓶内氢气温度、压力以及气瓶碳纤维缠绕层温度随时间的变化规律。计算结果表明:气瓶容积越大,充装完成时刻的氢气温度以及碳纤维缠绕层温度越高;静置过程中氢气温度以及碳纤维缠绕层温度均呈同趋势缓慢下降,且气瓶容积越大,下降的幅度越小,碳纤维缠绕层温度变化小于氢气温度变化。氢气压力在充装完成时刻均为70 MPa,气瓶容积越大,静置过程中氢气压力下降速度越小。

车用铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶设计要点

国家"十一五"863计划将铝内胆碳纤维全缠绕气瓶做为未来车载储氢容器的研究方向;适当增加内胆壁厚,增长裂纹扩展"路程",提高疲劳寿命;铝内胆设计承载比例不宜小于12%;根据内胆材料应力-应变曲线、内胆和纤维的力学性能确定内胆设计应力取值为σa=σbσsa/σsb并可计算出内胆设计壁厚;内胆封头型式以矢高为1.25R/2左右的椭球为宜;螺旋缠绕角从与瓶颈相切的最小缠绕角开始逐渐增大,避免纤维严重堆积、架空,有效利用极孔处堆积纤维的过剩强度,提高成层质量和强度利用率;碳纤维首层张力不宜超过65N/mm2,首次递减量不宜超过上一层纤维张力的4.0%;纤维排列状态设计应充分考虑工艺的可行性,确保稳定、高质量地实现设计;通过自紧,内胆应至少获得不小于1.3%的应变,最小理论自紧压力可近似计算为PZ=kPba/A。

车用70 MPa压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶的应力分析

70 MPa车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶(以下简称车用70 MPa氢气Ⅲ型气瓶)作为氢燃料电池汽车供氢系统的一个关键部件,具有耐高压、重量轻和储氢密度大等特点,是当前氢燃料电池汽车用氢气瓶的首选产品。以27 L车用70 MPa氢气瓶产品为例,利用ABAQUS软件对气瓶在自紧压力后的零压力、公称工作压力、许用压力、水压试验压力和最小爆破压力下的应力进行分析,掌握气瓶在各个压力状态下的应力分布规律,为气瓶的设计提供一定的依据。

Ⅳ型储氢瓶用复合材料及制备工艺

本文介绍了高压储氢瓶瓶体所用材料的发展进程,剖析了Ⅳ型瓶的三层结构:氢气阻隔层内胆、中间CFRP碳纤维增强环氧树脂耐压层和外表面GFRP玻璃纤维增强环氧树脂层。在完整介绍了Ⅳ型储氢瓶生产的工艺流程后,进一步深入说明了内胆滚塑成型、中间和外层纤维缠绕、环氧树脂微波固化和碳纤维干丝预浸渍工序的工艺原理及操作要点。此外,还从复合材料的角度,分析了每一层所用原料的结构特性、使用条件、潜在问题和供应情况等。希望借此梳理出Ⅳ型储氢瓶的制备工艺及材料方面的框架,便于我国早日实现相关产品的国产化。