Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳机理数值仿真研究

作     者：查燕 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨卫民

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：Ⅳ型储氢瓶 塑料内胆 坍塌失稳 有限元分析 

摘      要：高压Ⅳ型储氢瓶具有大容量、轻量化、耐疲劳的储氢优势,在车载储氢和大规模管束式氢能运输领域具有广泛的应用前景。其采用的轻薄聚合物内胆外加碳纤维增强树脂全缠绕的新结构,伴随着氢气小分子的溶解渗透,气瓶在泄压或意外停机期间,聚合物内胆结构会出现坍塌失稳这一特殊现象,上千次得充放氢会导致内胆产生微裂纹或脆性折断,严重地将引起储氢瓶可能因为氢气泄露而发生爆炸事故。为此,本文以Ⅳ型储氢瓶塑料(HDPE)内胆坍塌失稳机理为研究对象,主要研究成果如下所示:(1)Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳分析模型的建立。通过构建Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳物理模型,依次明确了模型构建中结构、材料、加载这三个关键性问题;基于Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳物理模型,建立了Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳有限元分析模型,主要包括动态有限元分析方法,内胆材料黏弹塑性本构模型,以及内胆层与外层碳纤维增强复合材料层之间的粘结界面损伤本构模型。(2)Ⅳ型储氢瓶内胆材料黏弹塑性本构模型的构建及验证。通过对内胆材料进行力学性能测试,探明了内胆材料复杂应变率下的非线性力学性能,随后开发了UMAT子程序实现了有限元分析中内胆材料响应充放气速率变化下的非线性力学行为,并且进行了HDPE内胆筒体段径向压缩实验验证了本构模型的可靠性。(3)Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳机理分析。基于Ⅳ型储氢瓶塑料内胆坍塌失稳物理模型,构建了综合考虑非线性材料、结构以及复杂边界条件的多物理场耦合作用下塑料内胆坍塌失稳有限元模型。联合构建的内胆材料模型进行内胆筒体段坍塌失稳分析,完成了内胆坍塌模式分析,建立了内胆坍塌临界值与内胆屈曲变形之间的演化规律。并且通过数值分析获得塑料内胆厚径比、排气速率等因素对于塑料内胆坍塌失稳的影响规律。