鄭傳祥 魏宗新 王 亮 李 蓉 魏 雙

(浙江大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械研究所)

高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料高壓容器因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度、便于移動(dòng)而被大量應(yīng)用于航空航天及導(dǎo)彈等飛行器。在石油資源緊缺與城市環(huán)境污染日益嚴(yán)重的雙重因素作用下，隨著以氫氣、天然氣等清潔能源為動(dòng)力的氫動(dòng)汽車(chē)、天然氣汽車(chē)的發(fā)展，復(fù)合材料高壓容器已經(jīng)逐漸地走向了民用汽車(chē)。豐田公司的氫動(dòng)三號(hào)、通用公司的氫動(dòng)汽車(chē)和寶馬公司研制的氫動(dòng)汽車(chē)均已比較成熟，其性能和續(xù)航能力均已達(dá)到普通汽車(chē)的性能，關(guān)鍵制約因素之一是氫的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)還未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求。

儲(chǔ)氫技術(shù)主要有低溫液化、合金儲(chǔ)氫、高壓儲(chǔ)氫及有機(jī)物儲(chǔ)氫等。高壓儲(chǔ)氫因其操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)比較完善，最接近產(chǎn)業(yè)化，因此在車(chē)用儲(chǔ)氫方面，目前開(kāi)發(fā)的氫動(dòng)汽車(chē)以高壓儲(chǔ)氫為主導(dǎo)，為提高儲(chǔ)氫密度，國(guó)際上普遍采用70MPa以上復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器。我國(guó)氫動(dòng)汽車(chē)則以35MPa以下的天然氣瓶替代，更高壓力的儲(chǔ)氫容器還處于試驗(yàn)研究階段。較低壓力的儲(chǔ)氫容器需要頻繁充放氫，其結(jié)果會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的疲勞壽命和效率降低[1～5]。

1 70MPa復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器的失穩(wěn)分析

為了提高單位重量的儲(chǔ)氫量，增加高壓儲(chǔ)氫的安全性，采用碳纖維預(yù)應(yīng)力纏繞復(fù)合材料筒體，這種技術(shù)在鋼制繞帶式壓力容器[6]和復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器中已被提及[7]，并證明是有效的。本儲(chǔ)氫容器同樣采用預(yù)應(yīng)力纏繞技術(shù)，以降低內(nèi)襯應(yīng)力，避免了內(nèi)襯受到高應(yīng)力和介質(zhì)腐蝕的雙重作用。但碳纖維預(yù)應(yīng)力纏繞下，內(nèi)襯是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)是十分關(guān)鍵的問(wèn)題，根據(jù)以往的試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，一旦內(nèi)襯發(fā)生失穩(wěn)、產(chǎn)生皺褶，容器的抗疲勞性能基本喪失，一般會(huì)在100次以內(nèi)的反復(fù)拉伸與壓縮后完全失效。

碳纖維纏繞內(nèi)襯復(fù)合材料高壓氣瓶如圖1所示[8]，纖維層螺旋正負(fù)交替纏繞，纏繞角為53.73°，每層厚度0.42mm，總共25層。容器操作壓力為70MPa，內(nèi)襯彈性模量為80GPa，碳纖維強(qiáng)度為2 768.8MPa，纖維長(zhǎng)度方向的彈性模量為181GPa，纖維寬度方向彈性模量為10.3GPa，纖維剪切模量為7.17GPa，泊松比為0.28。內(nèi)襯內(nèi)半徑為100mm。

圖1 碳纖維纏繞內(nèi)襯容器結(jié)構(gòu)

為了使儲(chǔ)氫容器的儲(chǔ)氫密度達(dá)到5%及以上，內(nèi)襯應(yīng)該越薄越好，為此內(nèi)襯壁厚取1.2、1.5、2.0mm，由于屈曲失穩(wěn)分析比較復(fù)雜，借助有限元方法加以計(jì)算。分析軟件采用ANSYS，采用SOLSH190單元，共3 312個(gè)單元，6 486個(gè)節(jié)點(diǎn)。分別取兩種載荷形式：在筒體圓柱段作用均布?jí)毫?；在兩端封頭處作用均布?jí)毫?。分析其一階失穩(wěn)的臨界壓力，高階分析也可以做，但一旦失穩(wěn)以后再分析高階意義不大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1、2，而失穩(wěn)模態(tài)與形狀如圖2～7所示。

表1 筒體圓柱段作用壓力時(shí)內(nèi)膽不同壁厚的前十階屈曲荷載

表2 兩端封頭處作用壓力時(shí)內(nèi)膽不同壁厚時(shí)的前十階屈曲荷載

圖2 筒體圓柱段作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚1.2mm)

圖3 封頭上作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚1.2mm)

圖4 筒體圓柱段作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚1.5mm)

圖5 封頭上作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚1.5mm)

圖6 筒體圓柱段作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚2.0mm)

圖7 封頭上作用壓力時(shí)內(nèi)膽第一階屈曲模態(tài)(壁厚2.0mm)

可見(jiàn)，這類容器的失穩(wěn)主要是環(huán)向失穩(wěn)。根據(jù)計(jì)算，在設(shè)定預(yù)應(yīng)力下，內(nèi)襯2mm以上不會(huì)失穩(wěn)，考慮到一定的安全裕度，本容器采用4mm壁厚。此時(shí)，在設(shè)定預(yù)應(yīng)力下，計(jì)算出的內(nèi)襯環(huán)向平均應(yīng)力和軸向平均應(yīng)力都低于內(nèi)襯許用應(yīng)力，從強(qiáng)度方面也能達(dá)到要求。確定了容器的各參數(shù)以后，根據(jù)設(shè)定的預(yù)應(yīng)力和工藝制造的容器如圖8所示。

圖8 復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器

2 70MPa快速充放氫系統(tǒng)

目前為止，我國(guó)高壓儲(chǔ)氫容器的試驗(yàn)均是以液壓試驗(yàn)代替氫介質(zhì)進(jìn)行的，但由于氫介質(zhì)具有極強(qiáng)的滲透性和一定的腐蝕性[9]，會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成偏差。為了解決這一問(wèn)題，北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所建立了一套70MPa的快速充、放氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)的原理如下：來(lái)自壓縮機(jī)的高壓氫氣(一般是80MPa)通過(guò)氣動(dòng)球閥和孔板流量計(jì)充入車(chē)載高壓儲(chǔ)氫氣瓶，到達(dá)既定的工作壓力后，停止充氫氣，然后打開(kāi)該氣瓶的泄壓閥，氫氣泄排放到低壓緩沖罐內(nèi)，待車(chē)載氣瓶的壓力降到1MPa以下后，來(lái)自緩沖罐內(nèi)的低壓氫氣就由高壓壓縮機(jī)再充入到80MPa的高壓儲(chǔ)氫罐內(nèi)，完成一個(gè)循環(huán)，接著開(kāi)始下一個(gè)疲勞循環(huán)周期。工作原理如圖9所示。

3 強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)

根據(jù)高壓儲(chǔ)氫容器的使用特點(diǎn)和要求，這類容器具有移動(dòng)式、反復(fù)充氣要求，并且氫氣具有很強(qiáng)的滲透性和一定的腐蝕性，這類容器直接裝于車(chē)上，與人身安全密切相關(guān)，故必須絕對(duì)保證其安全性。為此，需要對(duì)這類容器進(jìn)行各種強(qiáng)度試驗(yàn)：耐壓試驗(yàn)、耐沖擊試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)。通過(guò)各種試驗(yàn)的嚴(yán)格考核，才能確保容器的安全性。合肥通用機(jī)械研究所壓力容器檢驗(yàn)站和浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)院分別對(duì)此復(fù)合材料高壓容器進(jìn)行了檢測(cè)，均符合要求。疲勞試驗(yàn)是在液壓狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)該復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行了6 000次疲勞試驗(yàn)，而后又進(jìn)行了水壓試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)1h保壓仍然沒(méi)有泄漏，驗(yàn)證了容器的疲勞試驗(yàn)安全可靠，相比較國(guó)家對(duì)這類容器的疲勞試驗(yàn)要求在5 000次以上的要求，性能提高了15%以上。最后對(duì)疲勞試驗(yàn)后的容器進(jìn)行了爆破試驗(yàn)，爆破壓力達(dá)142MPa，抗沖擊性能由于試驗(yàn)條件所限沒(méi)有進(jìn)行實(shí)測(cè)。

在氫環(huán)境下的各種試驗(yàn)是最接近真實(shí)工況的，目前70MPa強(qiáng)度試驗(yàn)已經(jīng)完成，疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了500次[10]，運(yùn)行情況正常，隨后進(jìn)行的爆破試驗(yàn)，壓力達(dá)到139MPa。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料高壓儲(chǔ)氫容器內(nèi)襯屈曲失穩(wěn)的研究，通過(guò)有限元分析，借助ANSYS軟件計(jì)算得到當(dāng)內(nèi)襯厚度大于2mm時(shí)即可不發(fā)生失穩(wěn)，考慮安全裕度，最終選取4mm厚度，這樣容器內(nèi)襯在工作壓力下既不發(fā)生失穩(wěn)失效，也不發(fā)生強(qiáng)度失效，可充分利用碳纖維纏繞內(nèi)襯儲(chǔ)氫容器外纏繞纖維層應(yīng)力可調(diào)和優(yōu)化的優(yōu)點(diǎn)，基本達(dá)到等強(qiáng)度應(yīng)力分布的合理應(yīng)力分布狀態(tài)，有利于提高容器的安全性能。

圖9 快速充放氫系統(tǒng)工作原理示意圖

通過(guò)北京航天試驗(yàn)技術(shù)研究所70MPa高壓儲(chǔ)氫容器快速充放氫系統(tǒng)進(jìn)行該高壓儲(chǔ)氫容器的氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)，并在合肥通用機(jī)械研究所壓力容器檢驗(yàn)站和浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)院分別對(duì)此復(fù)合材料高壓容器進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)、耐沖擊試驗(yàn)和爆破試驗(yàn)，都得到了安全驗(yàn)證。

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