基于渐进均匀化方法的CFRP缠绕储氢气瓶多尺度仿真研究

为模拟储氢气瓶的碳纤维复合材料(CFRP)缠绕层复杂结构及应力状态,建立介观尺度CFRP缠绕层代表体积单元(RVE),基于渐进均匀化方法求解均质化复合材料的等效材料参数。通过仿真CFRP层合板拉伸试验,验证渐进均匀化方法和宏观等效材料参数的正确性。基于网格理论确定储氢气瓶缠绕层,细观建模内衬相邻环向缠绕层,RVE模拟其余复合材料层,可准确预测气瓶响应。多尺度模拟70 MPa公称压力作用下三种CFRP缠绕层叠顺序结构的Ⅳ型储氢气瓶响应,结果表明:复合材料均质化模型与细观模型相比,复合材料层纤维方向应力的最大误差为8.7%,内衬等效应力最大误差为2%;交替缠绕次数越少,均质化模型误差越小。先螺旋后环向的缠绕方式或可将复合材料气瓶破裂压提高约15%。

碳纤维全缠绕储氢气瓶快充过程温升机理分析

碳纤维全缠绕储氢气瓶在国内已被大范围使用,气瓶的工作压力主要包括35 MPa和70 MPa,目前加氢站还没有一套科学合理的充气加压程序作为支撑,势必会导致气瓶在日后的充装过程中产生缺陷.综合国内外研究现状,对气瓶快速充装过程的温升机理展开研究,采取数值模拟方式,通过用户自定义功能扩充仿真计算模型,深入分析充装过程,探究不同容积、不同储存压力、不同充装时间的车用储氢气瓶在常温下快速充装过程中温度的变化规律,为今后加氢站及检验检测单位对充装工艺的优化提供理论依据.研究结果表明:气瓶容积越大,充装过程中的平均温度越低,但差异不具有统计学意义;气瓶储存压力越大,充装过程中的平均温度越高甚至局部超出85℃;气瓶充装时间越长,充装过程中的平均温度越低;瓶口采用线性升压方式加压充装的气瓶内平均压力也呈同规律线性增加.

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。

车载储氢气瓶气密性试验关键参数研究

车载储氢气瓶作为氢气的重要载体,必须根据相关标准和技术规范进行型式试验,其中,气密性试验是检验车载储氢气瓶泄漏情况的重要环节。虽然国内外颁布的相关标准对气密性试验关键试验参数提出的不同程度的要求,但现行标准对部分试验参数并未提出定量的要求,且缺乏理论依据和数据支撑。基于数值仿真模型,结合试验结果进行验证,分析气瓶气密性试验过程的流场分布特性,结合气密性试验表征参量,研究关键试验参数对气瓶气密性试验结果的影响并获得试验参数优化值。结果表明:(1)随着增压速率的增大,气瓶的压降时间整体呈现出逐渐增加的趋势,且当增压速率大于3 MPa/min时增加幅度尤为明显;(2)随着保压时间的增加,气瓶的压差百分比和压降时间呈现先增加,并在保压时间大于90 s时不再发生变化;(3)当充装温度越低,气瓶气密性试验结果越准确;(4)当试验介质氮气和氦气的比例相近时,气瓶的压降时间和压差百分比最小。

基于典型交通事故的燃料电池汽车储氢气瓶挤压试验研究

车载氢系统作为燃料电池汽车的核心子系统之一,在交通事故中,一旦承受较大的挤压力,可能导致关键零部件发生功能失效,进而引发氢气的大量泄漏,造成更严重的后果,对车载储氢气瓶进行耐挤压性测评是进一步完善燃料电池汽车安全评价体系的重要工作。建立了车载储氢气瓶的挤压测评方法,详细阐述了挤压测评方法 4方面的内容,并进行了车载储氢气瓶的挤压试验验证,通过试验数据分析挤压对储氢气瓶的影响,定量评价分析储氢气瓶挤压之后的安全性,为车载氢系统安全评价提供参考。

储氢钢瓶的在线水浸聚焦相控阵自动超声检测

传统的储氢钢瓶在线自动检测通常采用水浸点聚焦或线聚焦的超声检测方法,但点聚焦检测速度受到一定限制,线聚焦的检测灵敏度和分辨力比点聚焦的差。提出了带凹面声透镜的相控阵检测技术,通过凹面声透镜水浸耦合实现超声波在钢瓶截面方向的聚焦。利用CIVA软件对带凹面声透镜的相控阵探头辐射声场进行仿真分析,并根据仿真结果设计了相控阵探头参数,在此基础上开发了一套针对储氢钢瓶的五轴联动相控阵超声水浸C扫描自动检测系统,利用相控阵电子扫描技术快速规划超声检测路径和重构曲面。利用该检测系统,对带有人工缺陷的试件进行检测试验。试验结果表明:该方法融合了水浸点聚焦和线聚焦两种方法的优点,能够实现储氢钢瓶轴向和周向缺陷的自动在线超声检测。

车载储氢气瓶超声导波探头设计

设计了一种由连接器、线圈、永磁体、磁致伸缩带、铁芯、填充材料、外壳及手柄等主要组件构成的扭转模态导波探头,应用设计的超声导波探头进行了Ⅲ型车用高压储氢气瓶上模拟裂纹缺陷的超声导波检测,基于检测结果验证了探头的设计可靠性和使用效果。此探头理论上能够在检测对象上任意移动,适用于常规超声导波初步整体检测后的局部损伤和缺陷详细检测,具有较高的周向定位准确性和变截面检测灵敏度。

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。

Ⅳ型储氢气瓶内衬材料的氢渗透行为分子动力学模拟

用于高压储氢的Ⅳ型储氢气瓶,其聚合物内衬材料的氢阻隔性能对于气瓶的质量起着至关重要的作用。以聚合物内衬材料聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA6)为研究对象,对氢气在PE和PA6中的传输过程进行分子动力学模拟和蒙特卡洛模拟,计算了氢气在聚合物材料中的溶解度系数、扩散系数和气体渗透系数。通过气体渗透试验论证了分子动力学模拟材料阻隔性能的可行性。结果表明:在0.1 MPa下,随着温度从288 K升至328 K,PE,PA材料的气体的溶解系数降低,气体扩散系数增大,由于扩散作用占主导地位,材料的气体渗透系数分别增大了1.0%,80.3%。在41.6,52,60 MPa等工况下也得出了与上述基本一致的变化趋势。此外,通过模拟发现石墨烯和有机蒙脱土改性可以降低气体在材料中的扩散系数。

氢能源汽车70 MPa储氢瓶安全泄放特性分析

针对氢能源汽车紧急状态下高压储氢瓶快速泄放的安全要求,建立了基于R-K状态方程的车载高压储氢瓶及其安全泄放阀回路的数学模型,分析了储氢瓶安全泄放阀回路泄放过程的特性,并与火烧试验的测试结果进行了对比。研究结果表明,压力70 MPa、容积57 L的储氢瓶,采用理想气体状态方程和R-K状态方程计算得到的储氢质量与实测结果的误差分别为41.35%、5.26%,理想气体状态方程不适用于高压气体;采用数学模型和CFD仿真模型得到的泄放时间理论结果与实测结果的误差分别为8.39%、4.89%;安全泄放阀回路通道中TPRD泄压装置对流场分布的影响最为显著;高压储氢瓶的出口流量与通道管径呈正相关关系,泄放时间与通道管径呈负相关关系。本文分析结果可作为氢能源汽车车载高压储氢瓶安全泄放阀回路设计和分析的理论依据。

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。

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。

70MPa车载Ⅳ型储氢气瓶瓶口密封技术研究

高压氢气密封技术是保障车载Ⅳ型瓶安全可靠储氢的关键技术。本文针对车载Ⅳ型瓶瓶口密封难题,结合国内外最新的IV型储氢瓶密封技术发展现状,设计了一种Ⅳ型储氢瓶瓶口组合密封结构,并利用ANSYS有限元软件分析验证了该密封结构的可行性,并基于该模型研究了预压缩率、配合间隙公差及密封介质压力等对密封结构密封性能的影响规律。

储氢气瓶金属内胆涡流视频综合检测系统

针对储氢气瓶金属内胆表面缺陷检测效率低、检测质量不佳等问题,研制了一种视频检测与涡流检测相结合并配备自动扫查机构的综合检测系统。该系统采用模块化设计,主要包括一体化检测装置、行进及居中对准机构、瓶体放置装置及控制盒等,结构紧凑且易于拆装,可实现气瓶瓶身部分的内壁螺旋扫查,同步保存涡流检测数据与视频图像数据,可根据时间信息定位缺陷实际位置。试验结果表明,该系统不仅缺陷检出率高,还可满足工业检测中的自动扫查要求,提高储氢气瓶内胆表面缺陷的检测效率。

车载储氢气瓶气密性试验参数优化研究

车载储氢气瓶作为氢气的重要载体,必须根据相关标准和技术规范进行型式试验,其中,气密性试验是检验车载储氢气瓶泄漏情况的重要环节。虽然国内外颁布的相关标准对气密性试验关键试验参数提出了不同程度的要求,但现行标准对部分试验参数并未提出定量的要求,且缺乏理论依据和数据支撑。因此,基于数值仿真模型,分析气瓶气密性试验过程的流场分布特性,结合气密性试验表征参量,研究关键试验参数对气瓶气密性试验结果的影响并获得试验参数优化值。结果表明:随着增压速率的增大,气瓶的压降时间整体呈现出逐渐增加的趋势,且当增压速率大于3 MPa/min时增加幅度尤为明显;随着保压时间的增加,气瓶的压差百分比和压降时间呈现先增加,并在保压时间大于90 s时不再发生变化;充装温度越低,气瓶气密性试验结果越准确;当试验介质氮气和氦气的比例相近时,气瓶的压降时间和压差百分比最小。

中国氢能承压设备风险分析和对策的几点思考

氢能是构建以清洁能源为主的多元能源供应体系的重要载体,正进入快速发展期。中国氢能承压设备种类、数量快速增长,呈现出极端化、轻量化的发展趋势,其安全保障面临新的挑战。在介绍中国氢能承压设备发展现状的基础上,全面分析了面临的法规风险、技术风险和管理风险,并对风险防控提出了若干建议。

高压氢气储运移动式压力容器发展趋势与挑战

高压储运是主要氢气储运方式,高压氢气移动式压力容器是主要氢气储运装备。高压氢气储运容器充放频繁,氢气储量大,介质易燃易爆,具有潜在的泄漏和爆炸危险。此外,作为移动式压力容器,对运输效率要求较高,运输环境复杂多变。中国已把氢能列为未来产业,高压氢气储运容器类型和数量也将快速发展。该文总结了高压氢气储运容器主要类型、应用特点,以及国内外技术发展现状及趋势,指出中国高压氢气储运容器发展中面临的问题,并提出研究重点及建议。

复合材料氢气瓶快充过程温升控制方法研究

复合材料氢气瓶对使用温度有限制,一般要求不高于85℃。氢气瓶在快速充装过程会产生温升,且氢气瓶快充温升与充装参数、气瓶几何参数、气瓶壁面热力学参数等相关。依据理论分析得出了相关影响因素对绝热快充过程温升的影响规律,结合试验与数值模拟数据研究了不同充装压力、初始压力、初始温度与充装速率下的温升,并得出各参数对温升的影响规律。最终依据氢气瓶快充温升研究结果,得出氢气瓶快充过程温升的计算公式,与试验结果相比,误差基本在5%以内。并进一步提出控制温升方法,认为通过控制加注速率或初始温度能有效控制加注温升。

加氢站高压储氢瓶分级方法

应用真实气体状态方程,拟合了常用温度压力范围内的氢气压缩因子,建立了加氢站高压氢气多级加注的计算方法。以取气率作为指标,研究比较了二级加注和三级加注方式,讨论了等质量加注和变质量加注两种模式及储气压力和储气容积对取气率的影响。通过计算,发现三级变质量加注是最佳模式,可获得较高的取气率。研究表明:三级加注加氢站储氢瓶组的通用最佳容积比是4:3:2和2:2:1,研究结果对加氢站的设计和操作具有重要参考价值。

车载高压输氢系统气瓶输氢加氢特性研究

根据氢燃料电池汽车行驶距离的要求,建立了基于固定容器充放气基本理论的车载高压输氢系统供氢量与行驶速度及距离关系的数学模型,得出了储氢量、供氢量和车辆行驶距离等的参数关系。将真实气体的范德瓦尔斯方程式引入车载高压输氢系统,得出了输氢加氢特性。理论结果和试验结果一致。