6061-T6铝合金的氢致损伤及Ⅲ型储氢气瓶长期服役可靠性的综合评价

作     者：魏金韬 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：汤文明

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 07[理学] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0701[理学-数学] 

主      题：Ⅲ型储氢气瓶 6061-T6铝合金 电解渗氢 低周疲劳 有限元分析 服役可靠性 

摘      要：在储氢气瓶长期服役过程中,一方面,氢气渗透可能造成其内胆的氢致损伤,另一方面,快速充放氢可能会导致内胆及气瓶的疲劳损伤,甚至会导致爆炸,酿成安全事故。因此,开展储氢气瓶长期服役可靠性评价研究,具有重要的理论和工程应用价值。本文采用电解渗氢与低周疲劳,实验模拟研究Ⅲ型储氢气瓶在充放氢及长期服役过程中,6061-T6铝合金内胆的渗氢特性及对合金力学性能、断裂机制与抗疲劳性能的影响。选用UG与ACP软件,建立Ⅲ型储氢气瓶有限元分析模型,在Workbench软件中进行模型的分析与优化,获得符合DOT-CFFC标准的气瓶结构。将实验所得数据代入模型中,开展充放氢过程对Ⅲ型储氢气瓶的失效强度影响的数值模拟研究,综合评价Ⅲ型储氢气瓶长期服役可靠性。电解充氢过程中,氢原子部分吸附在铝合金表面氧化层中,部分溶入铝合金内部,导致6061铝合金强度及塑性降低,且对合金塑性的影响更加明显。低周疲劳导致6061铝合金强度与屈强比上升,塑性下降。在低周疲劳与电解渗氢共同作用下,6061铝合金强度小幅增大,塑性持续降低。随着σ的增大,塑性降低幅度增大,拉伸断面准解理断裂特征愈加显著,服役可靠性降低。采用UG与ACP软件,建立Ⅲ型储氢气瓶有限元分析模型,计算气瓶的最佳自紧力,开展储氢气瓶在不同承压工况下的应力分布模拟。基于DOT-CFFC标准要求,计算得到该气瓶的最佳自紧力为63 MPa,确定储氢气瓶结构,具有合理性和可靠性。基于“首层失效准则,模拟计算得到渗氢与未渗氢Ⅲ型储氢气瓶的最终失效压力均为130 MPa,此时纤维缠绕层已出现损伤而内胆层仍未达到极限强度。基于“末层失效准则,模拟计算得到渗氢与未渗氢Ⅲ型储氢气瓶的最终失效压力均为145 MPa,纤维层作为气瓶主要承载层,内胆渗氢对此无影响。当内压为132 MPa时,渗氢Ⅲ型储氢气瓶发生内胆破裂,而未渗氢Ⅲ型储氢气瓶发生内胆破裂的内压为138 MPa,均符合“未爆先漏原则。但渗氢气瓶内胆层失效时的强度较未渗氢气瓶下降了约5%,可见,Ⅲ型储氢气瓶在长期服役条件下,内胆层产生一定程度的氢脆,导致气瓶的整体服役可靠性略有下降。