基于微觀力學(xué)分析的復(fù)合材料儲氫容器強度與壽命研究.pdf

1、目前，碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）儲氫氣瓶是高壓儲氫技術(shù)的重要實現(xiàn)方式，以其獨特的優(yōu)勢而倍受國內(nèi)外青睞。復(fù)合材料儲氫氣瓶的失效行為和極限強度等相關(guān)研究仍然是其優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵性工作。然而，由于高壓儲氫氣瓶快速充放氫過程會發(fā)生顯著的溫升效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料氣瓶長期在高溫、高壓循環(huán)載荷下工作，使其力學(xué)行為和失效機理變得異常復(fù)雜。因此，研究復(fù)合材料氣瓶在快充氫過程的溫升效應(yīng)和熱力耦合行為，以及開展氣瓶漸進失效分析和疲勞壽命預(yù)測分析，成為目

2、前急需解決的重要問題。為了達到以上目標(biāo)，本文展開了一系列深入研究，主要研究內(nèi)容和相關(guān)創(chuàng)新成果如下:
　　(1)在70MPa快速充放氫疲勞試驗系統(tǒng)上，開展了復(fù)合材料氣瓶快充溫升效應(yīng)試驗，詳細(xì)分析了快充過程的溫升變化機理;進而開展了氣瓶快充氫疲勞循環(huán)試驗，得到了氣瓶氫環(huán)境下的疲勞壽命和失效機理。試驗過程中采用了相應(yīng)的監(jiān)測手段以確保系統(tǒng)的安全運行并實時監(jiān)測受試氣瓶的失效狀態(tài)。
　　(2)建立了快充過程理論分析模型，分析了各個充裝參

3、數(shù)對快充溫升過程的影響;基于理論分析建立了CFD計算模型，研究了各個充裝因素對溫升效應(yīng)的影響規(guī)律并提出了可行的降低溫升效應(yīng)的控制策略和加氫方案。最后建立了氣瓶FEA計算模型，基于ABAQUS順序熱力耦合分析方法，研究了氣瓶快充過程的熱力耦合行為，分析了溫升效應(yīng)對氣瓶力學(xué)性能的影響機理。
　　(3)基于微觀力學(xué)失效理論(MMF)，并結(jié)合連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論(CDM)，提出了復(fù)合材料氣瓶漸進失效分析方法。通過微觀力學(xué)分析，將復(fù)合材料層

4、板結(jié)構(gòu)分析從宏觀尺度轉(zhuǎn)換到微觀尺度，進而引入基于組分失效的損傷變量，建立復(fù)合材料三維損傷本構(gòu)關(guān)系和損傷演化模型，從而實現(xiàn)對復(fù)合材料氣瓶復(fù)雜失效模式和最終強度的準(zhǔn)確預(yù)測。整個漸進失效分析過程借助ABAQUS用戶子程序(UMAT)編程實現(xiàn)。
　　(4)提出了基于組分強度分析的復(fù)合材料疲勞壽命計算方法。通過微觀力學(xué)失效理論(MMF)，將復(fù)合材料加速測試方法(ATM)擴展到組分層面，建立了組分疲勞強度控制曲線;同時基于三維彈性理論，建立了