评价3型储氢气瓶的安全性和可靠性：“对失效指标的全面分析”。
摘要
压力罐在各种工业应用中起着关键作用，作为在不同压力和环境条件下储存气体的容器。随着人们对氢气作为清洁能源的兴趣日益浓厚，有必要对压力罐的结构完整性进行全面评估，特别是在超过 700 巴的高压要求下。在这项研究中，我们系统地研究了不同铝合金（包括 AL6061、AL7075 和 AL7178）与各种纤维/环氧树脂复合材料的增强效果。我们的主要目标是确定内衬材料和复合材料的最佳组合，以及复合层数量和纤维缠绕方向，以在罐体的内衬和复合材料层中最大限度地减少变形能，同时最大限度地提高安全系数。我们的研究结果表明，随着纤维角度从 0 增加到 75，变形能逐渐减少，理想的纤维取向角度随复合层数量而变化。在由[±55/90]方向缠绕的 60 层增强复合材料组成的复合罐中，内衬中的变形能水平最低。在各种内部压力水平下，硼/环氧树脂复合材料增强的压力罐始终优于其他纤维材料。在铝内衬材料方面，与 AL7075 相比，AL6061 平均减少了 10.5%的变形能。安全指数显示，芳纶/环氧树脂复合材料增强的压力罐提供了最高水平的可靠性，特别是在应用最大主应力准则时。碳/环氧树脂和石墨/环氧树脂复合材料紧随其后。相比之下，玻璃/环氧树脂和凯夫拉尔/环氧树脂复合材料不符合高压储罐的严格安全要求。这些发现为设计高压复合罐提供了宝贵的指导，确保了在高压下储存氢气时它们的结构完整性和安全性，也体现了此类关键应用中材料和设计考虑的重要性。
关键词：高压储罐；纤维/环氧树脂复合材料；内衬材料；冯米塞斯应力；安全指数。
1. 引言
氢燃料电池汽车通过利用氢气和氧气结合产生的电能，为传统的石油燃料汽车提供了一种环保的替代方案。这项技术是应对全球变暖担忧和减少有害排放的重要一步。燃料电池汽车中氢气的储存是其设计的一个关键方面，因为需要在高压下储存气体。由于与氢气储存相关的内部压力较高，确保这些储罐的强度和完整性至关重要。此外，这些储罐必须在承受高压的同时保持平衡，既轻便又能提高氢燃料汽车的安全性和能源效率。实现这种平衡的一种创新方法是使用高压容器，将金属或聚合物衬里与精心缠绕在其周围的复合材料相结合。这种方法使这些储罐在保持结构完整性的同时，比完全由金属制成的储罐更轻。因此，它们可以在更高的压力下储存更多的气体，为氢燃料电池汽车的效率和实用性做出贡献。车辆中燃料电池技术的进步依赖于气体储存罐中安全和成本效益的关键原则。复合储罐由于其出色的机械性能、轻质的结构和具有成本效益的制造工艺，已成为传统高压气体储存罐的引人注目的替代品。这些复合储罐通过在一个容器周围有策略地分层纤维来构建，通常由低扩散率聚合物制成，确保它们能够安全地承受高储存压力[1]。一般来说，这些储罐分为四种不同类型：类型 1，具有无缝金属衬里；类型 2，通过在金属衬里上缠绕纤维/树脂复合材料制成；类型 3，完全用纤维/树脂复合材料包裹在金属衬里上；类型 4，具有聚合物衬里并完全用纤维/树脂复合材料包裹。类型 3 和 4 的复合压力储罐特别适合氢气储存，因为它们具有显著的强度和良好的刚度与重量比。此外，除了这些既定的储罐类型外，最近还出现了一种新型的类型 5 复合储罐，其衬里和包裹层完全由纤维增强树脂复合材料制成。这一发展标志着高压气体储存罐技术的一个令人兴奋的进步。
尽管各种高压储存罐已经取得了商业成功，但它们在现有研究文献中的性质和属性方面受到的关注有限[2-5]。这些容器的一个主要关注点是它们承受由升高的气体储存压力引起的应力的能力。在各种压力储罐中，类型 3 储罐成为在 700 巴的苛刻压力水平下容纳氢气储存的主要候选者。因此，全面研究这些储罐的强度特征对于确保在所需工作条件下安全运行至关重要[1,6]。科学界对用于储存氢气的高压容器的安全和可靠性给予了相当大的关注，进行了许多实验和数值研究来解决这些关键方面。Son 等人[6]研究了由 5 毫米铝衬里和 45 毫米复合层压板组成的类型 3 氢气压力储罐的应力分布。他们报告说，金属衬里的屈服应该被视为精确应力分析的一个决定因素。Liao 等人[7]讨论了自增强过程对类型 3 压力储罐的内压-位移和损伤演化行为对基体和纤维的影响，使用连续损伤建模方法。Onder 等人[8]基于数值和实验分析研究了 E 玻璃复合压力储罐的最大爆破压力的最佳缠绕角度。他们表明，复合纤维围绕压力储罐衬里的最佳缠绕角度为 55°。Kangal 等人[9]设计了一个玻璃/碳纤维丝缠绕在[±11/902]3 的类型 3 压力储罐，并比较了由玻璃纤维和混合玻璃/碳纤维及树脂复合材料制成的储罐的爆破压力。他们报告说，数值分析的结果能够高精度地预测实验结果。Kartav 等人[10]对由铝 6061-T6 衬里包裹碳纤维/环氧复合材料层压材料组成的高压氢气储罐进行了设计和有限元建模，层压材料的层取向为[±14/90]。作者报告说，开发的储罐能够承受高达 1480 巴的爆破压力。
根据我们广泛的文献回顾，本研究旨在调查衬里和纤维材料对类型 3 高压储罐中应力分布的影响。这些储罐包含三种不同的铝衬里，即 AL6061、AL7075 和 AL7178 铝合金，并被复合层压板包围，该复合层压板采用了六种不同的纤维材料。初始阶段涉及使用有限元方法和冯·米塞斯准则对 AL6061 衬里进行应力分析。我们评估了一系列具有不同碳纤维增强复合材料层压数和缠绕角度的情况，以确定理想的复合层压和纤维取向。随后，我们的重点转移到确定衬里和纤维增强复合材料的最合适组合，以尽量减少在储罐内储存压力条件下所经历的冯·米塞斯应力。
2. 材料与方法
2.1 材料
在适用于高压复合储罐建造的潜在材料中，AL6061 铝合金作为内衬，碳纤维或玻璃纤维增强复合材料作为外壳，一直是最受青睐的选择[9,10]。因此，我们的研究集中在 3 型高压复合储罐上，使用 AL6061 铝合金作为内衬材料。这些储罐具有特定的尺寸，壁厚为 6 毫米，直径为 132 毫米，总长为 498 毫米，总内体积为 6.2 升。这些特定尺寸是通过对典型 3 型复合压力容器横截面视图的详细研究得出的，如图 1 所示。
图 1. 典型的三类压力罐的表示；a 是压力罐的概述，b 是入口端口，c 是压力罐的内衬和复合层，d 是“c”的放大部分。
该图展示了金属内衬与纤维增强复合材料层在储罐结构中的实际整合。图 2 进一步说明了铝内衬的结构。为了提高复合储罐的结构完整性，选择了碳纤维，因其具有优异的性能。此外，内衬分别用各种复合材料包裹，包括芳纶/环氧树脂、硼/环氧树脂、玻璃/环氧树脂、石墨/环氧树脂和凯夫拉/环氧树脂复合材料，每层厚度为 0.2 毫米。这些纤维/树脂复合材料的弹性常数和机械强度参数的详细信息可在表 1 和表 2 中找到。这些表中的符号包括 Ei（弹性模量）、tij（泊松比）和 Gij（沿三个主轴的剪切模量）。此外，Xt 表示纵向拉伸强度，Yt 表示横向拉伸强度，S12 表示复合层压板的平面剪切强度。不同铝合金作为内衬在压力储罐建模中的机械性能总结在表 3 中。这里，ry 是屈服应力，rult 是极限应力，E 和 m 分别是合金的弹性模量和泊松比。
2.2 有限元建模
本研究致力于对 3 型高压储罐的应力状况进行研究和改善。我们方法的核心是对压力储罐模型进行数值应力分析，如图 3 所示，使用 ABAQUS 有限元软件。在该框架中，整个压力储罐被建模为壳板，并使用 8 节点双二次、缩减积分、混合线性压力元素（CPE8RH）进行网格划分。模型由 9464 个节点和 9545 个元素组成，其中 9379 个是线性四边形元素（S4R），166 个是线性三角形元素（S3）。这些有限元分析基于材料强度和弹性原理，目的是确定内衬和复合层的最佳材料，以便在储罐内承受内部压力时产生最低的冯·米塞斯应力水平。
图 2. a 铝衬里的几何形状[9]，b 三类复合压力罐[11]。
为了验证模型的准确性，在分析的初始阶段，我们将储罐内衬指定为 AL6061，并施加 700 巴的内部压力。然后将储罐的最大冯·米塞斯应力值与使用解析解计算的值进行比较。值得注意的是，如图 4 所示，数值为 677 MPa 与解析计算值 667 MPa 之间的微小差异再次证实了模型的精度。这种一致性突出了模型网格尺寸、边界条件和载荷表示的充分性。
环向缠绕，表示约 90°的缠绕角度，以及螺旋缠绕，包括 0 到 90°的缠绕角度，是复合容器制造中的两个关键术语。在高压复合容器中，螺旋缠绕和环向缠绕都在承受内部压力引起的轴向和径向载荷方面发挥着重要作用[20,21]。在我们研究的初始阶段，我们使用各种方向的碳纤维/环氧树脂层压板包裹 AL6061 内衬，包括正向、负向和环向。为此，我们定义了具有六个不同层方向的复合层：[±15/90]、[±30/90]、[±45/90]、[±55/90]、[±60/90]和[±75/90]，同时将层数从 10 层增加到 60 层。图 5 提供了这些复合层压板方向的可视化表示。
在确定保持应力在 AL6061 铝合金屈服强度范围内的最佳复合层数和纤维方向后，我们继续探索不同纤维/树脂复合材料作为增强层压板与 AL7075 铝合金作为内衬对高压容器强度的影响。如前所述，作为碳纤维/环氧树脂层压板替代品评估的复合材料包括芳纶/环氧树脂、硼/环氧树脂、碳纤维/环氧树脂、玻璃/环氧树脂、石墨/环氧树脂和凯夫拉/环氧树脂。这些复合材料分别围绕 AL6061 和 AL7075 铝合金内衬进行单独包裹，以进行全面分析。
2.3 第一层的最大应力失效准则
最大应力失效准则为预测复合材料失效提供了一种有价值且直接的方法。该准则在方程 1 中表示第一层应力，其中失效指数（FI）作为评估纤维/树脂复合材料在承受压缩或拉伸应力时失效的定义标准[22]。
其中 X 代表纵向应力，Y 代表横向应力，Xt 为纵向拉伸强度，Xc 为纵向压缩强度，Yt 为横向拉伸强度，Yc 为横向压缩强度，s12 代表平面内剪切应力，S12 为平面内剪切强度。
2.4 安全系数
安全系数（SF）是评估材料结构可靠性的一个有价值的方程。它被确定为衬里材料屈服应力（ry）与三类压力罐衬里内观察到的冯·米塞斯应力（r'）的比值，这些压力罐被各种纤维增强复合材料外壳包围。这种关系用数学公式表示如下：
3. 结果与讨论
3.1 复合材料层的数量和取向
在有限元分析的初始阶段，罐体中的复合材料层数系统地从 10 层增加到 60 层，每次增加 10 层。这些层施加在承受 700 巴内部压力的 AL6061 铝衬里上。同时，层的取向在 15 度到 90 度之间变化，涵盖了[±5/90]、[±30/90]、[±45/90]、[±55/90]、[±60/90]和[±75/90]等角度，如表格 4 所示。该表中加粗的值表示在不同层数和纤维缠绕角度下，压力罐衬里中产生的最低冯·米塞斯应力值。
模拟结果表明，对于 10 层的情况，以[±75/90]角度缠绕的碳纤维/环氧层合板包裹的压力容器表现最佳，在衬里和复合材料层中均显示出最低的冯·米塞斯应力。
当在复合材料层中使用 20 层时，最佳性能出现在纤维取向角度为[±60/90]时。对于 30 层的情况，最佳结果出现在[±60/90]和[±55/90]取向时，且结果相似。超过 30 层后，压力容器在[±55/90]取向时显示出降低的冯·米塞斯应力。为了全面评估，针对不同层数，绘制了衬里和复合材料层中压力罐内畸变能的变化与层合板取向角度的关系图，如图 6(a-f)所示。
表 4. 在不同纤维取向和层合板层数下，碳纤维/环氧层合板高压复合罐衬里和复合材料层中产生的冯·米塞斯应力的最大水平。
图 6. 由 10、20、30、40、50 和 60 层复合层板制成的压力罐的冯·米塞斯应力最大水平与复合层板缠绕角度的关系；(a) 10 层，(b) 20 层，(c) 30 层，(d) 40 层，(e) 50 层，(f) 60 层。
图 6 展示了用 10 到 60 层碳纤维层合板围绕 AL6061 衬里构建的复合压力罐中，最大冯·米塞斯应力与层合板取向角度的关系。
该分析深入探讨了碳纤维缠绕角度对不同层合板取向角度（表示为[±a,90]）下，压力罐中复合材料层和衬里中畸变能分布的影响。在此情况下，a 表示复合材料层的取向角度，分别在 15、30、45、55、60 和 75 度进行了评估。图 6(a)表明，取向角度在确定衬里和碳纤维层中产生的冯·米塞斯应力方面起着重要作用。相应地，衬里和纤维复合材料层中的畸变能随着取向角度从 15 度增加到 90 度而降低，在缠绕角度为 75 度时达到最小值。结果表明，在高压罐的衬里和复合材料层中，碳纤维层合板为 20 至 60 层时，相对于碳纤维的取向角度，冯·米塞斯应力的最大分布也在图 6（b-f）中呈现。与具有 10 层层合板的压力罐的行为相似，无论增强复合材料中的层数如何，随着纤维角度从 10 增加到 75，复合材料层中的应力始终呈一致下降趋势。然而，随着纤维/环氧复合材料中层合板数量的增加，压力罐衬里中的变形能在较小的缠绕角度达到最小值。对于由 10 层碳纤维/环氧层合板组成的复合罐（图 6a），这一趋势始于 75；对于由 40 层增强复合材料包裹的压力罐（图 6d），这一趋势则变为 55。值得注意的是，随着层数的进一步增加（图 6e-f），这一角度保持不变。对于用 60 层碳纤维/环氧层合板以[±55/90]方向构建的压力罐，获得了最有利的结果。
表 5 汇总了在不同碳纤维层合板层数、取向为[±55/90]且承受 700 巴内部压力的压力罐的衬里和碳纤维中的冯·米塞斯应力水平。不出所料，随着层合板层数从 10 增加到 60，衬里和罐体的复合材料壳中的变形能逐渐减小。对于衬里，变形能从没有纤维复合增强的压力罐的 677 兆帕降至配备 60 层碳纤维/环氧层合板的压力罐的 197 兆帕，远低于 AL6061-T6 合金的屈服强度。类似地，第一层的应力从最初的 1039 兆帕降至随着碳纤维/环氧复合材料层数从 10 增加到 60 分别对应的最低值 348 兆帕。图 7 直观地展示了具有 60 层碳纤维/环氧、取向为[±55,90]的罐体的衬里和复合材料增强层中的冯·米塞斯应力分布。值得注意的是，复合材料层圆柱形部分的应力分布强调了这些区域在应力分析和储罐整体安全中的关键作用。
有限元模型进一步扩展，以评估除碳纤维/环氧复合材料之外的各种纤维/树脂复合材料对高压储罐的有效性。在这方面，包括芳纶/环氧、硼/环氧、碳纤维/环氧、玻璃/环氧、石墨/环氧和凯夫拉/环氧在内的不同复合材料，均以[±55/90]取向，作为增强层应用于 AL6061 和 AL7075 铝合金衬里上。这些配置在分别为 700、875 和 1000 巴的不同内部压力下进行了分析。表 6 总结了 AL6061 和 AL7075 合金衬里在不同内部压力下用不同复合材料增强后的冯·米塞斯应力水平。如该表所示，衬里和纤维因材料类型和储罐内部压力的不同而表现出不同程度的变形能。无论衬里类型如何，用硼/环氧复合材料增强的压力罐在不同内部压力水平下表现最佳。该表中以粗体显示的值代表高压储罐衬里中用硼/环氧复合材料产生的最低冯·米塞斯应力。在此之后，在降低应力方面，依次是用树脂增强的碳纤维、石墨、凯夫拉、芳纶和玻璃纤维复合材料的压力罐。关于衬里材料，AL6061 合金表现出更优异的性能，在不同内部压力条件下，其平均冯·米塞斯应力比 AL7075 合金低约 10.5%。
3.2 铝合金作为内衬的安全系数分析
对于不同的铝合金，特别是 AL6061、AL7075 和 AL7178，当它们被用作在具有[±55 /90 ]取向角度的各种纤维材料增强的高压复合罐的内衬时，基于变形能和内衬的屈服强度确定了安全系数。结果总结在表 7 中。因此，压力罐的安全系数根据内衬材料和增强复合层的组成而表现出显著的变化。在以 AL7178 合金作为内衬、用硼/环氧复合材料增强的压力罐中观察到最大的安全系数。表中显示了最高的 SF 值，用粗体突出显示，表明高压罐性能的可靠性。
相反，性能最不利的情况与具有 AL6061 内衬且用玻璃/环氧复合材料作为增强材料的压力罐相关。
此外，值得注意的是，如表 2 所示，AL7075 和 AL7178 合金具有相同的弹性模量和泊松比。然而，两者之间的重大区别在于屈服强度，AL7178 比 AL7075 具有更高的强度。这种屈服强度的差异在内部压力下冯米塞斯应力的分布和高压复合罐的整体安全系数方面起着关键作用。这种差异突出了材料选择在优化罐体安全性方面的重要性。
3.3 增强纤维/树脂复合材料失效指标分析
除了冯米塞斯准则之外，还有多个关键的失效指标可用于评估复合材料中的纤维或基体失效，第一铺层应力准则就是这样一个指标。
在该准则下，失效指数计算为复合材料第一层中产生的最大应力与复合材料强度的比值，如方程 1 所示。该准则用于确定最适合的纤维/树脂复合材料，为高压罐提供最佳性能。结果包括复合层内的平面应力分量值和使用 AL7178 内衬并承受不同内部压力的高压罐的计算失效指数。这些结果分别记录在表 8 和表 9 中。当评估失效指数时，高压罐中其他复合材料的数值超过 1 表示这些材料在施加的内部压力下不安全。本表中代表非失效情况的 SF[1.0 用粗体表示。如表 9 所示，在用作压力罐增强外壳的不同纤维/环氧材料中，芳纶/环氧、碳/环氧和石墨/环氧复合材料在基于最大应力失效准则的所有内部压力范围内都表现出安全性能。然而，芳纶/环氧复合材料在安全方面基于失效指数表现最为突出。
4. 结论
在各个行业中，压力罐是在各种压力水平和环境条件下储存各种气体的不可或缺的组件。对于储存通常压力超过 700 巴的氢气等气体的这些罐的使用，需要深入研究其结构完整性和安全性。本研究旨在评估特定的铝合金，即 AL6061、AL7075 和 AL7178，在与各种纤维/环氧复合材料增强时的影响。
我们的目标是确定纤维复合材料和内衬材料的最佳组合、复合层的数量以及纤维缠绕取向，以最小化内衬和复合层的变形能，同时最大化压力罐的安全系数。
我们的发现表明，内衬和复合层中的变形能随着纤维角度从 0 增加到 75 而减小。然而，我们观察到，实现最小冯米塞斯应力的理想纤维取向角度取决于复合层的数量。随着层数的增加，该角度减小。在内衬由 60 层增强复合材料以[±55 /90 ]取向角度缠绕的复合罐中观察到最低的变形能水平。
此外，无论使用何种内衬材料，用硼/环氧复合材料增强的压力罐始终比其他纤维材料在不同内部压力水平下表现出更优异的性能。在高压容器中常用的内衬材料铝合金中，AL6061 合金与 AL7075 合金相比，在不同内部压力下平均减少了 10.5%的变形能。
在安全指数方面，用芳纶/环氧复合材料增强的压力罐被证明是最可靠的，特别是在考虑最大主应力准则时。紧随其后的是用碳/环氧和石墨/环氧复合材料增强的压力罐。然而，玻璃/环氧和凯夫拉/环氧复合材料的应用不符合高压储存罐的安全要求。这些见解为高压复合罐的设计和材料选择提供了宝贵的指导，确保它们在苛刻条件下的结构完整性和安全性。
