Joby 演示机完成 523 英里氢电飞行

作者：Mariam Jaber，Abdullah Yahya，Abul Fazal Arif，Hadi Jaber，Mohammad Alkhedher 摘要 - 本研究利用有限元分析（FEA）和一阶剪切变形理论，探讨了球形、圆柱形和环形等形状对不同复合材料和铺层配置的V型储氢罐爆破压力性能的影响。结果表明，环形形状在应力分布和爆破压力方面显著优于球形和圆柱形设计，玄武岩/环氧树脂复合材料的爆破压力性能（12.7 MPa）优于凯夫拉尔/环氧树脂（10.8 MPa）、E - 玻璃纤维/环氧树脂（11.4 MPa）和碳T700/环氧树脂（8.9 MPa）。凯夫拉尔/环氧树脂环形罐在重量性能方面表现出色，结构性能指数为 ，单位质量氢密度为 。[-45/45]s的堆叠顺序优化了所有材料环形形状的应力分布。研究强调环形设计对高压储氢有显著优势，也突出了材料选择和堆叠顺序对实现最佳爆破压力性能以获得国际标准化组织（ISO）认证的重要性。 关键词：V型氢罐；爆破压力；有限元分析；环形罐 1. 引言 1.1氢作为清洁能源载体的重要性及应用 - 氢是可持续能源解决方案的关键一步，但存储面临挑战。它可从多种来源产生，在运输、发电和供热等行业发挥重要作用，如燃料电池电动汽车（FCEVs）零排放，在发电中也有应用。 图1. 用于储存气态氢的五类压力容器，改编自ISO：11439：2013 [12] 1.2氢存储的挑战及解决方法 - 氢的低密度和高挥发性导致存储困难，需要高效存储方法，如高压、低温或使用能吸附氢分子的材料。制造和测试氢存储容器成本高、耗时长，有限元分析（FEA）是一种经济有效的替代方法。 1.3有限元分析在复合材料结构中的应用 - FEA对复合材料结构至关重要，复合材料具有异质性和各向异性，FEA涉及微观、介观和宏观尺度的建模，软件工具如Abaqus和Ansys可处理复合应力分析。同时有多种预测爆破压力和评估失效特征的理论和准则。 1.4氢存储容器类型 - 氢存储技术分为物理和材料两类，压力容器有五种类型，从I型全金属到V型全复合无衬里设计，各有特点和应用场景，V型仍在研发中，因复合材料成本高应用受限，但具有重量轻等优势。 1.5氢存储容器的应用 - 不同类型氢存储容器应用不同，I型用于大规模工业氢存储等，II型用于固定应用且压力更高，III型和IV型适用于汽车应用，V型仍在研发，虽有缺点但前景广阔。 1.6氢存储容器形状 - 工业上常用球形和圆柱形容器，球形应力分布和材料厚度有优势，圆柱形更具成本效益且易于制造和高效包装。穹顶形状影响容器性能，环形形状因空间和重量优势受关注，虽研究有限但已有一些成果。 图2. 容器的形状具有多种构造，包括（A）半球形封头、（B）抛物面封头、（C）椭球形封头（I）、（D）椭球形封头（II）、（E）椭球形封头（III）和（F）等张封头[20]1.7 V型氢存储容器材料和层合铺层 - 许多研究致力于优化材料选择和层合铺层技术，不同研究采用不同方法和材料，本研究旨在探索V型氢存储罐形状优化的可能性，通过评估多种形状并采用先进分析方法研究不同材料和铺层配置的影响。 2. 方法 2.1几何形状和材料 - 研究三种57L填充体积的存储罐形状：半径242mm的球形罐、内半径200mm外半径400mm的环形罐和直径305mm长650mm且穹顶高120mm的圆柱形罐，考虑相同的凸台直径26mm。首先以I型钢氢罐进行基准测试，然后研究V型氢罐，采用碳T700/环氧树脂，未考虑材料力学性能对温度的依赖性。 图3. 各种设计的几何形状和尺寸2.2复合氢容器的有限元分析 - 使用商业求解器Abaqus进行有限元模拟，利用其复合铺层功能，采用均匀静态内压，使用常规壳单元S4R进行网格划分，并进行收敛分析以确定最佳网格尺寸。 2.3一阶剪切变形理论 - 对于单向纤维增强复合材料，采用一阶剪切变形理论计算应力分布，定义了位移场和应变分量，给出了面内应力与应变的关系以及横向应力的计算方法。 2.4复合材料的失效准则 - 采用Tsai - Wu准则确定V型氢存储罐的爆破压力，给出了该准则的详细形式以及强度参数的计算方法。 表1 本研究中使用材料的力学性能 3. 结果与讨论 3.1参考金属压力容器 - 以厚度0.8mm的I型金属存储罐为基准测试，施加70MPa内压，通过von Mises应力分布评估，结果表明环形形状性能更好，与现有文献一致，圆柱中部应力高，环形容器主要在内部赤道处失效。 3.2 V型复合罐数值模型的验证 - 通过与Chang的实验数据对比验证数值模型，模拟设计复 制了实验的容器尺寸、铺层方向和厚度等，模拟得到的爆破压力与实验结果误差为0.55%，表明模型准确性高。 图4. 各种罐体设计的纤维取向 3.3不同堆叠顺序的V型罐形状性能比较 - 研究三种常用堆叠顺序下不同形状的性能，均采用碳T700/环氧树脂，施加10MPa内压。环形形状在von Mises和最大主应力性能方面优于圆柱和球形，圆柱罐中[54, - 54]s堆叠顺序应力分布最佳，环形罐中[-45, 45]s更好。Tsai - Wu准则表明环形罐在应力管理和爆破压力方面更优。 3.4不同复合材料的V型罐形状性能比较 - 研究[-45, 45]s堆叠顺序下不同复合材料的性能，环形压力容器对所有材料性能最佳，玄武岩/环氧树脂爆破压力最高，为12.7 MPa。玄武岩/环氧树脂在应力分布方面表现较好，可能因其在Y方向的拉伸应力和剪切应力阈值较高。环形罐因表面积大比圆柱和球形罐重，但复合材料可减轻重量，提高性能。 图5. 有限元压力容器模型的剖面图 3.5重量性能分析 - 采用单位质量氢密度和结构性能指数分析不同形状氢存储容器的重量性能，对于碳T700/环氧树脂材料，球形罐单位质量氢密度和结构性能指数最高，但制造困难且包装效率低。研究不同材料对环形形状重量性能的影响，凯夫拉尔表现最佳，其单位质量氢密度和结构性能指数最高。 图6. 计算爆破压力的流程图 4. 结论与未来工作 4.1研究结论 - 环形形状在应力分布和爆破压力性能上优于球形和圆柱形，玄武岩/环氧树脂对环形罐是最佳复合材料，[-45/45]s堆叠顺序优化应力分布，球形罐在传统形状中单位质量氢密度最高，但凯夫拉尔制成的环形罐性能更好。 图7. 参考金属压力容器不同形状的应力分布 4.2未来研究方向 - 未来研究应探讨环形形状对各种ISO要求的满足情况，考虑尺寸优化，采用先进缠绕技术和可变层角度模拟实际情况，探索新形状和材料以完善储氢技术。 图9. 三种形状在三种情况下的冯·米塞斯应力和最大主应力分布的比较本文来源:Burst pressure performance comparison of type V hydrogen tanks:Evaluating various shapes and materials来源：气瓶设计的小工程师