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储氢罐轻量化多层复合结构
Chaoming He*, Rong Yu, Haoran Sun, Zilong Chen
关键词：氢气储存、复合材料、轻量级
摘要：
复合材料压力容器首次被美国宇航局应用。安全、低成本、高效的复合储氢装置是影响氢能推广应用的关键技术。本篇文章结合剪切理论，并且在具有高度稳定的抗剪切性能的壳体结构轻量化设计的基础上，对压力容器内衬的轻量化设计进行了探索，并且在完成储氢罐数值分析设计的基础上，提取了储氢罐的应力等值线，得到了储氢罐的应力等值线图，并实现了纤维制造类型与应力等值线的一致性或切合性，完成了储氢罐的轻量化设计，并且降低了生产成本。该方法可进一步推广应用于氢能的储存和管道元件的设计中。
1前言
复合材料压力容器通常由复合加强层、内衬层和保护层组成。近年来，在美国宇航局首次应用复合材料压力容器后，复合材料压力容器的应用领域在不断地向外拓展和扩展[1-3]。由于技术的不断分化，结构的轻量化设计和轻质材料在航空航天、汽车制造和建筑等领域的作用变得越来越重要。轻量化设计的优点很明显:材料轻量化一方面可以节省材料，另一方面可以节省动力结构和动力系统消耗的能源。为了实现氢能的大规模利用，人们必须掌握氢气的制备、储存和运输还有氢气的能量转换等关键技术。氢气的运输在整个氢能供应链的经济性、能源消耗和环境保护方面占有很大的比重。 为了推广氢能[4-6]的广泛使用，研究储氢装置的轻量化设计并且使其满足储氢装置的经济性和安全性要求是当务之急。
这篇文章结合剪切理论，对压力容器内衬的轻量化设计进行了探索，在完成贮氢罐数值分析设计的基础上，提取了其应力等值线，实现了纤维编织型与应力负荷等值线的一致或切合，实现了数字化的三维自动纤维铺放技术，完成了贮氢罐的轻量化设计，降低了生产成本。
2多层结构碳纤维正交叠层储氢罐轻量化设计
丰田未来采用70MPa高压储氢罐储氢，丰田未来配备两个储氢罐内部容积为122.4L(前60L和后62.4L)，总储存能力为5kg。因此，燃料的重量实际上并不重，相反，储氢罐重量非常大。在碳纤维增强塑料(CFRP)的帮助下，丰田未来汽车储氢罐实现了外壳轻量化。同时，通过多种纤维和不同纤维编织方式的组合可以有效地发挥各种纤维的物理性能，从而使纤维的使用量减少40%。
图 1丰田米拉斯储氢罐用碳纤维增强塑料
为了保证行车安全，在承受700大气压的前提下，氢气罐被设计成四层结构。铝合金储罐内衬塑料内衬，外包碳纤维增强塑料保护层，在保护层外加一层玻璃纤维材料减震保护层。根据纤维在储罐上的不同位置，每层上的纤维颗粒都得到了进一步的优化，使纤维沿着压力分布的方向运动，以增强保护层的效果。
本文将利用有限元软件ANSYS对圆形储氢罐进行分析。由于气瓶有一个对称的结构，我们只需要1/4的模型，以节省我们的计算成本，与有形单位作为衬里和壳单位作为伤口复合材料，如图2所示。数据参考文献[7]作为气瓶的参数:
（1）缠绕碳纤维树脂体系:其拉伸模量为135GPa，压缩模量为108GPa，拉伸模量在纤维垂直方向的模量为8GPa，剪切模量为5GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为2400MPa，抗压强度为1000MPa，剪切强度为76MPa，密度为1800kg/m3;
（2）金属内衬材料: E=210GPa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，屈服强度为800MPa，抗拉强度为1100MPa。
图2. 1/4复合材料压力容器的有限元模型。
（3）压力状态:压力容器保持在35MPa以下。
3用剪切场理论实现金属衬砌加固
3.1储氢罐纤维复合材料的力学性能与应力载荷方向和纤维缠绕的方向有关
传统的储存罐由于它们的壳体结构形式而容易发生隆起。为了显著提高主升沉场的升沉荷载和升沉的安全性，可以采用支撑或支撑减小主升沉场。对于垂荡轮廓上的节线，这些支撑或肋具有足够的刚度。对于剪切荷载(由于侧向力而引起的的结构的弯曲和扭转)，肋格结构的刚度和强度往往不够大。为了填补这一空白，可以引入一层薄壳来承受主要的剪应力载荷。
当薄壳的升沉安全性增加时，值得注意的是，虽然安装支撑可以使升沉场保持在一个很小的值，但是它们的弯曲刚度和阻尼刚度可能刚好足以引起升沉轮廓上的节点线。另一方面，杆结构的网格形状对剪应力荷载相当敏感，因此在结构上加一层网壳相当有利，因为它可以承受剪切应力（由横向力或扭转所引起的）。图3展示了这两种结构的效果: a)壳体与b)纵梁和c)肋构成的支撑网格结构组合在一起是一种具有高度的起伏稳定的抗剪性能的结构[8]。
3.2气瓶筒身防升沉稳定性计算与分析
圆柱筒体的应力可以用截面法来求解，但并非所有的问题都可以用截面法来求解。以螺旋密封头为例，它的点与点之间的曲率半径存在差异，密封头内壁的应力也发生了变化。这些问题只能通过从壳体中提取具有代表性的元素体积，分析其在压力作用下的变形。
对于均质线性弹性薄壁承载圆柱壳体在轴向压力作用下的隆起问题，可以用由Donnel方程[9]导出的微分方程来求解其理论经典隆起应力。
因此，这篇文章设计了一个壳体结构和一个质量相等的、体积为60L的、还具有高升沉稳定剪切性能的壳体结构，并进行了数值模拟分析。从有限元分析的结果可以知道，两者的应力值具有相同的数量级，但后者变形较小，在外加集中侧向载荷作用下，具有更大的抗弯刚度，并能承受更大的防隆起载荷。
图3高升沉稳定剪切性能壳体结构轻量化设计。
4基于应力载荷大小和方向的多层光纤布局
4.1基于数值分析的圆形储氢罐应力载荷大小和方向计算
根据纤维复合材料的结构模式和大量的材料参数，针对复合材料结构材料性能的受力状态，进行了相应的方向和位置设计。复合材料单层板和复合材料层合板材料特性参数的比值对复合材料受力状态的方向和位置设计具有决定性的意义 。通过对碳纤维环氧树脂复合材料力学性能的变化曲线进行比较，可以解释载荷方向和纤维分布方向对复合材料层合面抗拉强度和弹性模量的影响。这里，复合材料层数相同，而层合结构分别是单向的、正交的和多向的[8]。图4中所示的层合单层代替层合结构模式，表示相应变化曲线的纤维方向。当应力加载方向与纤维方向(00和900)一致时，交叉复合材料的拉伸强度和弹性模量最大。
本文采用碳纤维复合材料外包衬里。数值分析的目的是获得罐体压力分布等值线图，使纤维沿压力分布方向运行，形成交叉组合，以增强保护层的作用。
储氢罐面临着高温、高压等更为复杂的环境。这对压力容器的设计提出了新的要求。传统的圆形压力容器已不能满足要求，对非圆形压力容器的研究已经开始广泛开展。
实验应力法、解析法和数值法是目前应力分析的主要方法。数值分析方法已经广泛应用于工程中。韩敏[10]利用ANSYS有限元分析软件对压力容器进行了应力分析，得到了与实际情况基本一致的分析结果。马亚娟[11]利用有限元分析对压力容器密封头进行了应力分析，其数值分析与试验结果的误差在10%左右。
图4 碳纤维环氧树脂复合材料层压力学行为值的比较
根据参考文献3中的数值分析方法，利用ANSYS有限元分析软件提取了衬套最外层的应力云图[10-11]。如图五所示。
图5金属衬里等效应力分布图
4.2考虑储氢罐应力载荷和方向的纤维铺放路径
这篇文章所叙述的圆柱截面上的螺旋线缠绕角由公式（1）[12]来确定。公式（1）如下：
(1)
其中d0是夹层极轴的直径，D0是圆柱体的直径。
螺旋缠绕是测地路径。缠绕角度alpha;从极轴的90°连续减小到在圆柱截面上，由公式（2）决定：
(2)
其中是夹层极轴的直径，D是圆柱筒体回转直径。
在ANSYS有限元分析软件中，在显示了实用菜单绘图设备选项的地方点击然后点击 PlotCtrls 选项，最后选择设备选项。在弹出的对话框中，选中“矢量”模式（线框）后面的复选框，然后在上进行选择。通过单击“确定”，将生成等轴测图，如图6所示。
图6储氢罐应力等值线
圆柱筒体上的应力主要包括轴向拉伸应力作用在端盖上的内部压力所产生的即径向应力或轴向应力和被称为皮带应力或周向应力的力。气缸在内部压力的作用下由于圆柱筒体通常是薄壁容器，所以 和可以看作是均匀分布的。径向应力可以忽略不计。因此，通过环向缠绕和径向缠绕形成的正交组成是纤维缠绕方向与载荷方向一致的保证。应力等角线图可以反映出具有相同应力的区域，而不是反映出应力变化和该点所处的外倾曲率之间的关系。本篇文章提出的方法对应于丰田Mirai（普莱）储氢罐中用于边缘加强的大角度螺旋绕组和用于底部加强的小角度螺旋绕组。
从应力等值线可以知道，由于应力集中，在主体的底部使用低角度的螺旋缠绕绕组。优化了某些储氢罐模型开口处的环形纤维放置。如图7所示，实线的路径是丝束的边缘路径，而虚线的路径是在全纤维放置的情况下由放置机器人进行的轨迹。使用环箍放置算法，除沿开口处沿环箍放置的那些束外，丝束满足应力等值线运行要求，但是，它们在释放该区域的应力集中方面具有一定作用。
图 7在气瓶打开储氢时储氢环箍的布置优化
对于在复合结构上设置的开口，必须进行加固处理。在复合结构上开口将导致复合铺层中的某些纤维被切断，并同时形成开口侧高应力区；此外，由于条纹效应，复合板的各向异性导致在承载时在孔侧区域中产生剥离应力。所有这些都会损害结构的静态强度和疲劳强度。所述开口还导致复合结构出现新的边界，使得复合构件具有更多的分层破坏可能性，从而降低了其安全性。因此，必须对复合结构上的开口采取有效的加固措施。参见图8。
图8储氢罐的开口处补强
5结论
本文创新地提出了一种基于剪切场理论的储氢罐金属内衬的设计，使其成为具有高起伏稳定性的高抗剪切性能的壳体结构。基于有限元数值分析技术，依据后处理结果重新绘制应力等值线图，并使其作为复合材料铺层上的指导线，从而满足层压材料铺层的交叉层压要求。本文将轻量化优化设计的重点放在圆柱筒体储氢罐上，但是可以进一步推广到储氢装置和氢动力管道设计中。
6致谢
国家自然科学基金资助(第51275431号），科技计划项目中国四川省（编号2014GZX0009）和中国奖学金委员会（编号：201407005085）。
轻型车载储氢罐的创新设计
Samir Shoukry, Gergis W.William, Jacky Prucz, Thomas H.Evans
摘要：
未来设想的氢经济需要安全的有效的方法来储存氢燃料，既可以用于车载车辆，也可以用于移动运输系统，还可以用在固定系统中的大容量存储。这项工作的主要重点是放在高压储存的气态氢船上的车辆。因为它的密度很低，所以氢气在很高的压力下储存，对于现在的系统为350至700 巴，以便达到实用水平的能量密度的能量。本文提出了三维有限元分析方法用于6061制成的内部爆破压力为1610 巴的复合材料圆柱形罐-用碳纤维缠绕的铝内衬。当这些储罐中的预期工作压力为700巴是，安全系数为2.3适用于所有的设计。结果表明压力减少只能通过改变几何结构来实现，这可能会增加容器的内部压力从而最终增加单位体积的氢气储量。与圆柱型结构设计相比，这种应力的减少将降低达到特定的安全系数所需的厚度尺寸。
前言：
氢已经被认为是一种可替代的能源载体，可以增强长期的能源安全，同时减轻空气污染和温室气体排放的影响。氢被设想为一种灵活、安全、可负担得起的国内能源，可用于经济的所有部门和国家的所有地区。然而，氢燃料作为一种能源载体的广泛商业使用需要在氢经济的几个方面作出重大的发展努力，包括生产、运输、储存、转化和最终用途[2]。每单位重量的氢能含量是汽油的三倍。然而，由于氢的密度低，单位体积的能量含量大约是汽油的四倍。一克氢气大约占11升(9加仑)大气压下的空间。因此，为了储存或输送这种气体，必须把它压缩到几百个大气压，装在一个压力容器里。液态氢只能在低温条件下储存。因此，未来几代氢动力汽车面临的巨大挑战是开发强大、安全、轻便的存储系统，这些系统具有符合要求的气瓶形状，并且可以很容易地适应不同的车辆结构。
为了开发以压缩气体形式储存氢的轻质复合罐开展广泛的研究活动。美国能源部(DOE)启动了物理储氢的研究活动，重点开发了高压700bar (10000 psi)复合储氢罐、低温压缩储氢罐、整合型储氢罐以及其他作为压缩气体车载储氢的先进概念。这样的储氢
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