缠绕角度对压缩氢气储存用纤维缠绕4型复合材料压力容器力学性能影响的数值分析
《Numerical analysis of the impact of winding angles on the mechanical performance of filament wound type 4 composite pressure vessels for compressed hydrogen gas storage》
作者为Reham Reda等人，文章主要探讨了缠绕角度对用于压缩氢气储存的细丝缠绕4型复合压力容器（CPVs）机械性能的影响，具体内容如下：
1. 引言：
- 研究背景：减少二氧化碳排放需采用替代能源，氢能是21世纪最清洁的燃料，但在生产、利用和储存方面仍面临挑战，采用复合材料的高压储存容器在氢能储存领域的应用不断增加。
图 1氢作为燃料在各种可持续绿色交通系统中的应用：（a）重型车辆和（b）飞机。
- 相关研究：目前有四种类型的压力容器，其中4型CPVs由聚合物内衬和碳/玻璃纤维 - 树脂系统完全缠绕而成，可承受高达70MPa的工作压力，且重量比金属容器轻75%，是运输系统中储存压缩氢气的绝佳选择。
图 2压力容器的类型：（a）1 型，（b）2 型，（c）3 型，（d）4 型。
- 研究目的：通过有限元分析（FEA）研究缠绕角度对CPVs应力分布和爆破压力的影响，并进行敏感性分析，以衡量缠绕角度和层厚度对4型CPVs性能的影响。
图 3压力容器圆顶的不同轮廓：（a）半球形，（b）椭圆体（I），（c）椭圆体（II），（d）椭圆体（III）和（e）等张力体。
2. 概念和范围：
- 关键要求：用于储存氢气的压力容器必须满足高爆破压力和高重量性能两个关键要求，而容器的几何形状和复合材料的缠绕结构对这些特性有重大影响。
图4 绕线角相对于容器长轴的不同方向的示意图
- 应力分布：在复合材料中，环向应力指材料在径向方向上经历的应力，轴向应力指在纵向方向上经历的应力，环向应力和轴向应力是保证压力容器安全和完整性的两个关键因素。
图 5 4 型 CPV 剖面图，显示了衬里和复合层。
- 失败理论：预测材料失效的理论包括最大主应力理论和等效应力理论，对于脆性材料通常使用最大主应力理论，对于韧性材料通常使用等效应力理论，本研究使用最大主应力理论来预测爆破压力。
- 缠绕配置：研究了单个缠绕角度在0° - 90°范围内对最大主应力分布和爆破压力的影响，以及从A到L的12种组合缠绕角度模式的影响。
3. 材料和方法：
- 内衬和复合材料特性：使用尼龙6作为4型CPVs的内衬材料，碳纤维和环氧树脂作为复合材料。
- 有限元分析（FEA）和内部压力：使用Ansys的ACP模块和静态模块进行FEA，以预测应力分布和爆破压力，选择合适的网格大小和类型，假设内衬和复合材料缠绕材料结合在一起以防止滑动或分离，内部压力均匀施加至70MPa。
图6衬管的轮廓和尺寸。
- 缠绕配置：研究单个缠绕角度在不同层数下的影响，以及12种组合缠绕角度模式的影响。
- 失败理论和爆破压力：根据最大主应力理论，通过Ansys Workbench的静态结构模块预测爆破压力。
- 网分析和确定层数：通过Ansys ACP和静态模块确定CPV安全承受工作压力所需的最小层数，并结合网分析方法确定构建安全CPV所需的最小厚度和层数。
- 敏感性分析：使用一次一因素（OAT）技术进行敏感性分析，通过绘制缠绕角度和层厚度对最大主应力的影响，计算敏感性指数来确定影响压力 vessel性能的关键因素。
4. 结果和讨论：
- 单个缠绕角度在不同层数下的影响：在所有缠绕角度下，层数增加会使应力降低；在恒定层数下，低螺旋缠绕角度（10° - 30°）对提高容器耐久性的影响更大；30°缠绕角度的爆破压力最高，为87.62MPa；层数和缠绕角度是影响CPVs机械性能的重要设计因素，低螺旋角度（20° - 40°）有利于提高容器的耐久性和便携性。
图 7 Ansys ACP Pre/Post 模块上的绕组角度方向：（a）0°、（b）10°、（c）80° 和（d）90°。
- 组合缠绕角度的缠绕模式的影响：使用环向角度（90°）有助于降低CPVs安全所需的层数，从而影响其重量；使用正负缠绕角度有利于减少层数；组合正负角度（即相反方向的相同角度）具有优异的性能，可中和复合层中的复杂应力；在实际应用中，20°、30°和40°缠绕角度性能良好，且易于在细丝缠绕业务中应用。
图 8 FEM 的边界条件（a）和网格划分（b）
- 缠绕角度和层厚度变化的敏感性分析：通过OAT敏感性分析发现，最大主应力受层厚度的影响比受缠绕角度的影响更大，随着层数的增加，缠绕角度对最大主应力的影响减小，随着缠绕角度的减小，层厚度对最大主应力的影响也减小。
图 12在工作压力下采用最小层数时，恒定工作压力和不同缠绕角度（0°–90°）下的最大主应力分布：（a）缠绕角度 0° - 22 层，（b）缠绕角度 10° - 22 层，（c）缠绕角度 20° - 22 层，（d）缠绕角度 30° - 22 层，（e）缠绕角度 40° - 24 层，（f）缠绕角度 50° - 28 层，（g）缠绕角度 60° - 34 层，（h）缠绕角度 70° - 40 层，（i）缠绕角度 80° - 42 层，（j）缠绕角度 90° - 42 层。
5. 结论：
- 通过调整纤维缠绕角度、排列和层数，可以控制CPVs中的应力分布和安全爆破模式的预期失效点。
图 13不同缠绕角度（0°–90°）下内部压力对容器产生的最大主应力的影响。
- 纤维角度的方向对CPVs的重量和爆破压力有很大影响，正负角度的组合在较低重量下大大提高了爆破压力，增强了容器的移动性并降低了材料成本。
图 14一些选定绕组模式的最大主应力分布：（a）绕组模式 A，（b）绕组模式 D，（c）绕组模式 F，（d）绕组模式 G，（e）绕组模式 I 和（f）绕组模式 L。
- 采用环向和中间螺旋角度（40°和50°）可以实现高效的CPVs，结合高低缠绕螺旋角度可产生可比的结果。
图 15采用建议的缠绕模式，在不同内部压力值下容器产生的最大主应力。
- CPVs的性能受厚度层的影响比受缠绕角度的影响更大，随着层数的增加，缠绕角度对最大主应力的影响减小，随着缠绕角度的减小，层厚度对最大主应力的影响也减小。
图16缠绕角度的OAT敏感性分析：采用线性回归方法研究缠绕角度变化对层数一定时最大主应力的影响。
图 17 OAT 对层厚度的敏感性分析：使用线性回归方法研究了在恒定缠绕角度下层厚度变化对最大主应力的影响。
