3.2V型復(fù)合材料儲罐數(shù)值模型的驗證

本研究驗證了數(shù)值模型，以評估其與實(shí)驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，特別關(guān)注纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的爆破壓力性能。設(shè)計參數(shù)、復(fù)合材料和負(fù)載條件直接采用 Chang 描述的實(shí)驗裝置，確保模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果之間能夠直接比較。表 2列出了分析中使用的石墨/環(huán)氧樹脂的機(jī)械性能。

圖 8所示的模擬設(shè)計復(fù)制了 Chang 的實(shí)驗，其中容器設(shè)計尺寸為曲率半徑 R = 50 毫米、邊長 L = 300 毫米、角鋪層取向 S和層厚度。

圖 8. 驗證模型中的應(yīng)力分布

如表 3所示，模擬得到的爆破壓力為 5.36 MPa，而 Chang 的實(shí)驗結(jié)果得到的爆破壓力為 5.39 MPa。模擬值與實(shí)驗值之間僅有 0.55% 的微小差異，表明一致性很高，凸顯了計算模型在預(yù)測類似負(fù)載條件下纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)行為方面的準(zhǔn)確性。

3.3不同堆放順序V型罐體型性能比較

在驗證了復(fù)合材料罐的數(shù)值模型之后，對三種V型氫罐試驗案例進(jìn)行研究，評估其形狀在不同堆疊順序下的性能。試驗在對稱層壓 [±θ]ns 和碳T700/環(huán)氧樹脂，4層對稱堆疊，10 MPa內(nèi)壓的氫氣瓶進(jìn)行。

表4 不同試驗工況壓力容器參數(shù)

圖 9. 三種形狀的三種情況的 von Mises 和最大主應(yīng)力分布比較

von Mises和最大主應(yīng)力分布隨復(fù)合材料層堆疊順序變化，環(huán)形形狀中尤為明顯。圓柱形儲罐高應(yīng)力在中部，球形儲罐極點(diǎn)應(yīng)力增加。Tsai-Wu失效準(zhǔn)則用于計算爆破壓力，顯示環(huán)形儲罐在高壓保持和空間利用上優(yōu)于其他形狀，適用于如車輛燃油箱等應(yīng)用。

3.4各種復(fù)合材料V型罐體性能比較

研究顯示，不同復(fù)合材料堆疊順序影響von Mises應(yīng)力分布，環(huán)形容器性能最優(yōu)。玄武巖/環(huán)氧樹脂應(yīng)力分布最佳，爆破壓力最高，優(yōu)于凱夫拉/環(huán)氧樹脂、E玻璃/環(huán)氧樹脂和碳T700/環(huán)氧樹脂。本研究為復(fù)合材料在環(huán)形壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。

圖 10. 所有復(fù)合材料不同形狀的應(yīng)力 Von Mises 應(yīng)力分布

材料選擇對儲罐應(yīng)用至關(guān)重要，重點(diǎn)關(guān)注爆破壓力、成本、重量和環(huán)境抗性等因素。玄武巖/環(huán)氧樹脂在加壓環(huán)境應(yīng)力控制上表現(xiàn)優(yōu)異，可能成為航空航天、高性能汽車系統(tǒng)或高壓氣體存儲等領(lǐng)域的首選。

圖 11. 各種復(fù)合材料的環(huán)形 Tsai-Wu 分布與 [-45,45]s 堆疊序列的比較

圖12.  碳/環(huán)氧[-45,45] S環(huán)形儲罐的S 11、S 12和S 22值

圖11顯示玄武巖/環(huán)氧樹脂的環(huán)形Tsai-Wu分布最低，其Y向拉伸和剪切應(yīng)力閾值優(yōu)于其他材料。環(huán)形儲罐比圓柱和球形儲罐重，但V型儲罐使用復(fù)合材料減輕重量，提高效率和實(shí)用性，適用于重量敏感的應(yīng)用。復(fù)合材料低密度改善性能，增強(qiáng)儲氫系統(tǒng)的強(qiáng)度重量比和耐腐蝕性。

3.5 權(quán)重性能分析

表7分析了碳T700環(huán)氧樹脂制球形、圓柱形和環(huán)形氫儲罐的性能，堆疊順序[?45,45]s。球形儲罐具有最高的單位質(zhì)量氫密度和結(jié)構(gòu)性能指數(shù)，優(yōu)于圓柱形和環(huán)形儲罐，得益于其低表面積體積比，減少了材料用量。但球形儲罐制造難度大、成本高，且填充效率低于圓柱形儲罐。

研究優(yōu)化環(huán)形儲罐重量性能，測試玄武巖、凱夫拉、E玻璃和碳T700環(huán)氧樹脂材料，堆疊順序[?45,45]s。凱夫拉表現(xiàn)最佳，單位質(zhì)量氫密度0.0251，優(yōu)于其他材料和傳統(tǒng)高效的碳T700球形罐，因密度低、抗拉強(qiáng)度高，適合高壓儲氫應(yīng)用。

在結(jié)構(gòu)性能方面，Kevlar 還展示了測試材料中最高的結(jié)構(gòu)性能指數(shù) (0.0305)，進(jìn)一步凸顯了其在高壓應(yīng)用方面的適用性。玄武巖、E-Glass 和 Carbon T700 的結(jié)構(gòu)性能指數(shù)分別為 0.0271、0.0248 和 0.0222。雖然玄武巖的結(jié)構(gòu)性能相對較高，但其密度和由此產(chǎn)生的儲罐質(zhì)量與 Kevlar 相比更高。E-Glass 提供了均衡的性能，但仍低于 Kevlar 的效率。Carbon T700 盡管質(zhì)量較低，但結(jié)構(gòu)性能指數(shù)最低，再次證明 Kevlar 是環(huán)形氫氣儲罐的最佳材料。

分析表明，雖然由 T700 環(huán)氧樹脂制成的球形罐具有出色的重量性能，但采用 Kevlar 制成環(huán)形罐可提供更高的效率。這一發(fā)現(xiàn)對于輕型高壓儲氫系統(tǒng)的開發(fā)至關(guān)重要，因為它強(qiáng)調(diào)了材料選擇對于提高儲存效率的重要性。Kevlar 環(huán)形罐不僅可以儲存更多的氫氣，而且還能保持較低的系統(tǒng)質(zhì)量。

本研究通過爆破壓力測試（ISO認(rèn)證的關(guān)鍵部分）調(diào)查了各種形狀的V型氫氣罐的性能。對不同堆疊順序和材料的球形、圓柱形和環(huán)形進(jìn)行了比較。使用有限元分析（FEA）和一階剪切變形理論，研究表明，與球形和圓柱形設(shè)計相比，環(huán)形設(shè)計具有更好的應(yīng)力分布和爆破壓力性能。

主要發(fā)現(xiàn)包括

形狀影響：環(huán)形設(shè)計明顯優(yōu)于其他形狀，爆破壓力達(dá)到 12.7 MPa，凸顯了其高效高壓儲氫的潛力。研究結(jié)果一致支持環(huán)形儲罐，在各種堆疊順序和材料中，環(huán)形儲罐表現(xiàn)出優(yōu)于其他形狀的性能。

爆破壓力材料選擇：玄武巖/環(huán)氧樹脂成為環(huán)形儲罐性能最佳的復(fù)合材料，爆破壓力為 12.7 MPa。其他材料如凱夫拉/環(huán)氧樹脂 (10.8 MPa)、E 玻璃纖維/環(huán)氧樹脂 (11.4 MPa) 和碳 T700/環(huán)氧樹脂 (8.9 MPa) 也表現(xiàn)出不同的性能水平。

堆疊順序：堆疊順序優(yōu)化了所有材料的環(huán)形應(yīng)力分布，強(qiáng)調(diào)了層壓板鋪層在增強(qiáng)爆破壓力性能方面的重要性。

復(fù)合材料比較：環(huán)形形狀在所有測試材料中表現(xiàn)出一致的優(yōu)勢，其中玄武巖/環(huán)氧樹脂表現(xiàn)出最佳的應(yīng)力管理和爆破壓力性能。

重量性能：由碳纖維 T700/環(huán)氧樹脂制成的球形儲罐在傳統(tǒng)形狀中表現(xiàn)出最高的單位質(zhì)量氫密度 (0.0217)，凸顯了其卓越的重量效率。盡管如此，由凱夫拉纖維制成的堆疊序列的環(huán)形儲罐的性能卻超過了這一水平，實(shí)現(xiàn)了更高的單位質(zhì)量氫密度 (0.0251)。

本研究強(qiáng)調(diào)了環(huán)形容器在提高 V 型儲氫效率方面的潛力。結(jié)果表明，優(yōu)化儲氫罐的形狀和材料選擇可以顯著提高安全性、成本效益和對 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的遵守程度。未來的研究應(yīng)調(diào)查環(huán)形形狀如何滿足各種 ISO 要求，并考慮尺寸優(yōu)化以提高效率。在本研究中，采用了一種簡化的分層方法，提供了初步見解，但并未完全捕捉到實(shí)際纏繞層角度的復(fù)雜設(shè)計考慮因素。未來的工作將側(cè)重于結(jié)合先進(jìn)的纏繞技術(shù)和可變的層角度，以更好地模擬真實(shí)條件。此外，進(jìn)一步的研究應(yīng)探索新的形狀和材料，以改進(jìn)儲氫技術(shù)，最終促進(jìn)其在可持續(xù)能源系統(tǒng)中的更廣泛應(yīng)用。

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