高压储氢瓶CFRP缠绕层高速冲击损伤机理仿真研究

作     者：徐春栋 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢鹏程

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：储氢瓶 碳纤维增强复合材料 高速冲击 有限元仿真 

摘      要：作为氢能源电池的存储核心,高压储氢瓶的发展程度将直接决定电池车的续航能力,也影响着氢能源推广应用的广泛布局。Ⅲ、Ⅳ型高压储氢瓶具备高性能、高单位质量储氢密度等优势,但因其碳纤维增强复合材料缠绕层具有抗冲击性能差、损伤形式复杂的典型特征,一旦遭受高速冲击严重受损,应用优势即难以发挥且存在很大的安全隐患,因此基于高安全性要求的储氢瓶抗高速冲击设计和优化研究势在必行,其中如何替代成本昂贵、条件严苛的枪击测试方法,通过有限元数值仿真方法准确模拟储氢瓶碳纤维缠绕层在高速冲击条件下所产生的复杂应力应变状态及揭示损伤演化机理成为时下储氢瓶发展研究的热点问题。本文引入基于应变率效应的复合材料高速冲击渐进损伤分析模型,考虑了高速率荷载引起的非线性行为,完善了高速冲击工况下储氢瓶碳纤维缠绕层受损演化的动态仿真能力,从损伤特征和抗冲击特性规律两个角度探讨了其高速冲击损伤机理,从而为储氢瓶抗高速冲击设计优化及安全性分析提供了借鉴。基于以上论述,本文的主要研究内容总结如下:(1)基于复合材料弹性力学基础理论,从碳纤维增强复合材料的细观结构入手,建立了高应变率下的碳纤维及基体组分的力学模型,结合应变率修正系数更新了碳纤维增强复合材料本构关系、Hashin失效准则和刚度退化理论,建立了三维碳纤维增强复合材料高速冲击渐进损伤的分析数学模型;(2)搭建了 Abaqus 2016、Intel Visual Fortran 2013和 Microsoft Visual Studio 2012的编译平台,使用Fortran语言开发了基于应变率的三维碳纤维增强复合材料高速冲击本构模型算法的VUMAT子程序,嵌入Abaqus-Explicit显式有限元软件中通过瞬态动力学分析的方法开展了后续仿真计算,完善了高速冲击工况下储氢瓶碳纤维缠绕层受损演化的动态仿真能力,并依据数据算例开展了子程序有效性验证;(3)从高压储氢瓶碳纤维增强复合材料缠绕层壳体单元高速冲击损伤分析入手,初步探讨了纤维缠绕角度等因素对均衡碳纤维缠绕层损伤演化机理及抗弹冲击性能的变化规律。结果表明:碳纤维缠绕层损伤长轴方向与相邻两层中离冲击点较远的一层纤维方向一致;在一定的子弹冲击速度范围内,缠绕层抗弹冲击性能伴随纤维缠绕角度的递增呈现明显的先增后减的趋势,在缠绕角度为±45°左右时其抗弹冲击性能最好。此研究为后续考虑应变率的碳纤维增强复合材料高速冲击仿真奠定了基础;(4)开展了考虑应变率的高压储氢瓶碳纤维增强复合材料缠绕层实体单元高速冲击损伤分析,通过分析碳纤维缠绕层损伤特征及冲击损伤相关参数的影响,进一步探讨了储氢瓶碳纤维缠绕层高速冲击损伤机理。结果表明:纤维断裂、基体拉伸剪切及层间分层为碳纤维缠绕层在高速冲击工况下的主要损伤形式;在一定范围内,相比子弹速度和质量,子弹形状、直径和碳纤维缠绕角度对高速冲击损伤的影响更为明显。此研究为储氢瓶的抗高速冲击设计及优化提供了参考借鉴。