何太碧 郭永智 毛 丹 王 艷

（1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611731）

0 引言

氫能是來源廣、能儲存、使用性能穩(wěn)定的清潔能源，發(fā)展前景好、備受關(guān)注［1-2］，其中氫能高效可靠的儲運(yùn)技術(shù)是其應(yīng)用推廣的重要一環(huán)。這也被認(rèn)為是氫能利用產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸問題之一［3］。目前氫能主要用于汽車燃料，相比天然氣汽車，氫燃料電池汽車更加環(huán)保和安全［4-5］。對于氫燃料電池汽車而言，目前主要使用的是壓力容器高壓氣態(tài)儲存方式［6-7］，Ⅲ型、Ⅳ型瓶被認(rèn)為是車載儲氫的理想容器［8］，其增強(qiáng)層主要是用碳纖維作為纏繞材料，其性能優(yōu)越，但生產(chǎn)成本高昂。玄武巖纖維作為一種綠色材料，有著高強(qiáng)度、耐高溫和低成本等特點［9］，作為新型纏繞增強(qiáng)材料，已被應(yīng)用于纏繞呼吸氣瓶［10］和車用壓縮天然氣氣瓶［11-12］。國內(nèi)外大量實踐表明，有限元仿真對于復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計是比較可靠的，采用玄武巖纖維纏繞儲氫復(fù)合材料Ⅲ型氣瓶，運(yùn)用Abaqus 有限元分析軟件可模擬氣瓶在不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并驗證玄武巖纖維纏繞儲氫氣瓶的可靠性。

1 儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計

儲氫氣瓶結(jié)構(gòu)主要包括內(nèi)膽和纖維纏繞層兩大部分。因氫氣不像LNG 在儲運(yùn)過程中對儲存溫度有特殊要求，不用考慮類如LNG 在長期儲運(yùn)中產(chǎn)生蒸發(fā)氣對儲氣瓶的影響，所以不用設(shè)計隔熱絕熱層［13-14］。內(nèi)膽材料選用強(qiáng)度高、密度低，具有良好抗氫脆性能和腐蝕性能的6061-T6鋁合金［15-16］，其材料參數(shù)見表1；玄武巖纖維與E-51 環(huán)氧樹脂復(fù)合，其復(fù)合后材料性能參數(shù)見表2。

表1 6061-T6材料性能表

根據(jù)GB／T 35544-2017《車用壓縮氫氣鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)［17］（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”），儲氫氣瓶的許用壓力Pm為公稱工作壓力P的1.25 倍，水壓試驗壓力不低于1.50 倍公稱工作壓力，最小爆破壓力不低于2.25 倍公稱工作壓力。因此玄武巖纖維纏繞儲氫復(fù)合材料氣瓶設(shè)計的主要技術(shù)指標(biāo)分別為：工作壓力為35.00 MPa，許用壓力為43.75 MPa，水壓試驗壓力為52.50 MPa，設(shè)計最小爆破壓力為79.00 MPa。

1.1 內(nèi)膽結(jié)構(gòu)

內(nèi)膽結(jié)構(gòu)為S 型，容積為54L，參考標(biāo)準(zhǔn)要求內(nèi)膽端部采用凸形結(jié)構(gòu)和漸變厚度設(shè)計，采用橢球形封頭且封頭與筒身段接合處過渡圓滑，總長為734 mm，極孔半徑為90 mm，筒身段長度為353 mm，內(nèi)膽直徑長度為368 mm，內(nèi)膽壁厚為3.8 mm。

1.2 纏繞層設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)，采用環(huán)向加縱向纏繞方式對氣瓶進(jìn)行全纏繞。復(fù)合氣瓶設(shè)計一般采用網(wǎng)格理論計算出纏繞層基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，大量實踐證明，網(wǎng)格理論對殼體強(qiáng)度預(yù)測是比較可靠的，完全能夠滿足工程要求［18］。

螺旋纏繞角度α計算公式為：

環(huán)向纏繞纖維厚度tf90為：

螺旋纏繞纖維的厚度tfa為：

式中，α為螺旋纏繞角度，°；r為極孔半徑，mm；R為內(nèi)膽半徑，mm；tf90為環(huán)向纏繞纖維厚度，mm；Pb為氣瓶設(shè)計最小爆破壓力值，MPa；[ ]σb為纖維復(fù)合材料的許用應(yīng)力，MPa；玄武巖纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度為1 576 MPa，取安全系數(shù)為2，得出許用應(yīng)力為788 MPa；tfa為螺旋纏繞纖維厚度，mm；K為纖維補(bǔ)強(qiáng)系數(shù)，取值0.8。并將內(nèi)膽結(jié)構(gòu)參數(shù)帶入式（1）～（3）得到：α為12.7°、tf90為6.2mm、tfa為4.4 mm。纖維單層厚度為0.2 mm，環(huán)向、螺旋交替纏繞，對稱布置。

2 氣瓶有限元分析

2.1 有限元建模

對玄武巖纖維增強(qiáng)儲氫復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析需考慮復(fù)合材料各向異性、內(nèi)膽的材料非線性和結(jié)構(gòu)的幾何非線性。Abaqus 是一套功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，致力于解決高度非線性問題，滿足對復(fù)合材料氣瓶強(qiáng)度分析的需求。根據(jù)內(nèi)膽結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及計算得到的纖維纏繞厚度、角度等數(shù)據(jù)，在Abaqus 中建立有限元模型。內(nèi)膽為各向同性材料，網(wǎng)格劃分使用進(jìn)階算法，掃略網(wǎng)格技術(shù)選用C3D8R縮減積分單元，考慮其材料非線性，在Abaqus 中設(shè)置塑性屬性時應(yīng)使用材料的真實應(yīng)力及對應(yīng)的塑性應(yīng)變數(shù)據(jù)，其材料真實應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D1 所示；纏繞層采用Lamina 本構(gòu)模型，對應(yīng)網(wǎng)格使用S4R 殼單元。其中，對于纖維纏繞層建模，難度主要是整個結(jié)構(gòu)纖維材料方向的多變性，采用WCM（Winding Composites Modeler)模塊建模能解決這一難題，實現(xiàn)封頭處螺旋纏繞變角度、厚度，可以準(zhǔn)確預(yù)測纖維纏繞壓力容器的性能。

圖1 AL6061-T6應(yīng)力-應(yīng)變圖

2.2 邊界條件及載荷設(shè)置

結(jié)合氣瓶結(jié)構(gòu)特點，并考慮數(shù)值模擬計算時間和便于在后處理中展示氣瓶應(yīng)力分布情況，建立1／2氣瓶模型。在內(nèi)膽和纖維纏繞層之間采用從節(jié)點到曲面的離散化方法施加綁定約束，并在其剖面上分別建立對稱約束。內(nèi)膽內(nèi)表面依次施加自緊壓力、0壓力、工作壓力、許用壓力、水壓試驗壓力和設(shè)計最小爆破壓力，打開幾何非線性，建立6個靜力分析步驟對應(yīng)上述工況，壓力載荷值分別為46.00 MPa、0、35.00 MPa、43.75 MPa、52.50 MPa、79.00 MPa。

3 有限元計算結(jié)果與分析

由于內(nèi)膽是均質(zhì)材料，因此應(yīng)力分析時，內(nèi)膽采用Mises 應(yīng)力；纖維增強(qiáng)層屬于正交各向異性材料，采用其纖維拉伸方向即第一主應(yīng)力進(jìn)行受力分析［19］。通過Abaqus／standard求解器，得到內(nèi)膽、纖維纏繞層在不同工況下的應(yīng)力，對比標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)力設(shè)計要求，判斷玄武巖纖維增強(qiáng)儲氫復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力指標(biāo)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 內(nèi)膽在不同工況下的應(yīng)力

圖2 展示了內(nèi)膽在自緊壓力、0 壓力、工作壓力和設(shè)計最小爆破壓力下的應(yīng)力分布。如圖2-a 所示，在自緊壓力下，氣瓶內(nèi)膽最大應(yīng)力為304.6 MPa，位于筒身段，已超過其材料屈服強(qiáng)度297.0 MPa，發(fā)生塑性變形；在0 壓力下，筒身段Mises 應(yīng)力大于封頭處；如圖2-b 所示，實際上，筒身段處于壓應(yīng)力階段；因自緊工藝的原因，在公稱工作壓力下，筒身段壓力小于其它部分，內(nèi)膽最大應(yīng)力為231.3 MPa；圖2-d顯示在設(shè)計最小爆破壓力下，內(nèi)膽最大應(yīng)力為321.6 MPa，小于其材料強(qiáng)度極限值367.0 MPa。

3.2 纖維纏繞層應(yīng)力

纖維纏繞層工作壓力和設(shè)計最小爆破壓力下第一主應(yīng)力分布情況如圖3示，圖3-a顯示了在工作壓力下纖維纏繞層應(yīng)力分布，最大應(yīng)力在筒身段，為436 MPa；設(shè)計最小爆破壓力下纖維最大應(yīng)力為1 023 MPa，如圖3-b 所示。纖維應(yīng)力比值為2.34，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的2.25，滿足設(shè)計要求。

3.3 氣瓶極限承載壓力

由前述分析可知，在設(shè)計最小爆破壓力下，根據(jù)最大應(yīng)力準(zhǔn)則，內(nèi)膽并未發(fā)生破壞，纖維纏繞層應(yīng)力也未達(dá)到其抗拉強(qiáng)度值，未發(fā)生失效，說明設(shè)計最小爆破壓力79 MPa 并不是其極限承載能力。為了模擬得出所設(shè)計氣瓶模型的極限承載壓力，直接在內(nèi)膽內(nèi)表面施加線性增加的壓力載荷，因自緊壓力的大小不影響氣瓶的極限承載能力［20］，所以不再進(jìn)行自緊工藝。以最大應(yīng)力準(zhǔn)則為失效判據(jù)，得到氣瓶的極限承載壓力為111.25 MPa，爆破比為3.17，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的2.25，滿足對爆破比的要求。

圖2 不同工況下內(nèi)膽應(yīng)力圖

圖3 纖維纏繞層應(yīng)力分布圖

4 試驗驗證

為了驗證仿真得到的氣瓶極限承載壓力與實際爆破壓力是否吻合，根據(jù)所用氣瓶結(jié)構(gòu)參數(shù)，對玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行試制和水壓爆破。爆破試驗如圖4所示，氣瓶破裂位置與有限元分析結(jié)果吻合，爆破壓力為112 MPa，與有限元分析結(jié)果偏差為0.67%，說明所建立的有限元模型和采用的方法具有較高的準(zhǔn)確度。

圖4 水壓爆破試驗圖

5 結(jié)束語

通過對玄武巖纖維纏繞工作壓力為35 MPa 的儲氫容器進(jìn)行有限元分析，表明其仿真結(jié)果滿足GB／T 35544-2017 對氣瓶的應(yīng)力技術(shù)要求，又通過開展水壓爆破試驗驗證了有限元分析的準(zhǔn)確性。作為新興纏繞材料，玄武巖纖維可以被用來纏繞高壓儲氫容器，能夠滿足氣瓶對承壓、安全的需求。