【摘 要】
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随着氢能源应用的不断推广与复合材料气瓶技术的日益成熟,氢燃料电池汽车近年来发展迅速,储氢气瓶作为汽车的核心部件,其工作压力对车的续航里程起决定性作用。为追求更高的容重比和储存密度,70MPa塑料内胆复合材料气瓶已成为发展趋势。由于内胆结构的特殊性,塑料内胆复合材料气瓶的结构设计较金属内胆复合材料气瓶难度更大。此外,瓶体在运输、使用过程中易受到钢筋、石子等物体的冲击作用而发生破坏,进而导致承载能力下
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随着氢能源应用的不断推广与复合材料气瓶技术的日益成熟,氢燃料电池汽车近年来发展迅速,储氢气瓶作为汽车的核心部件,其工作压力对车的续航里程起决定性作用。为追求更高的容重比和储存密度,70MPa塑料内胆复合材料气瓶已成为发展趋势。由于内胆结构的特殊性,塑料内胆复合材料气瓶的结构设计较金属内胆复合材料气瓶难度更大。此外,瓶体在运输、使用过程中易受到钢筋、石子等物体的冲击作用而发生破坏,进而导致承载能力下降,复合材料层的失效模式主要包含纤维断裂、基体开裂以及层间分层,气瓶的损伤机制十分复杂,而复合材料的各项异性更使得其力学分析难度加大。随着国内Ⅳ型储氢气瓶市场的兴起,人们更加关注气瓶的安全问题,针对复合材料气瓶受冲击载荷后的损伤情况进行研究,对提升气瓶抗冲击能力十分重要。本文主要针对Ⅳ型储氢气瓶开展了下列工作:（1）Ⅳ型储氢气瓶结构设计。依据团体标准T/CATSI 02 007-2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》、复合材料缠绕工艺要求以及气瓶使用工况,以网格理论为基础对Ⅳ型储氢气瓶内胆结构及铺层方案进行初步设计,并确定缠绕线型;采用三次样条函数法对封头厚度进行精确的预测,并通过扩孔缠绕方式优化铺层方案,避免封头处纤维堆积;依据爆破压强公式对气瓶进行初步强度校核,确定其满足设计要求。（2）气瓶内压作用下的有限元分析。利用Solidworks、Wound SIM软件对所设计的气瓶进行精准建模,确保复合材料层在封头位置的变厚度、变角度分布与实际相符。基于标准中规定的工作压力和爆破压力,利用ABAQUS软件对气瓶内胆及缠绕层在两种工况下的应力、应变进行分析,并验证了气瓶结构的合理性。（3）气瓶受冲击载荷作用的损伤情况分析。编写基于三维Hashin失效准则及Camanho材料性能退化准则的VUMAT材料子程序定义材料本构,建立模拟Ⅳ型储氢气瓶受冲击损伤的有限元模型,对比了不同冲击能量作用下气瓶的力学响应、损伤程度。结果表明:气瓶受冲击的力学响应与冲锤能量正相关;靠近冲击位置处的缠绕层损伤更严重;随着能量增高,凹陷深度、表面损伤面积和损伤层数均增大。（4）不同形状冲锤对气瓶造成损伤的对比。从数值模拟结果可以看出,其他因素一致的情况下,尖头冲锤造成的凹陷深度、基体开裂层数及单元数、纤维断裂层数及单元数均明显大于圆头冲锤,由此得出结论:冲锤越尖锐,对气瓶造成的损伤越大。
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