复合材料储氢气瓶的纤维厚度预测与强度分析

复合材料科学与工程 ›› 2020, Vol. 0 ›› Issue (5): 5-11.

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复合材料储氢气瓶的纤维厚度预测与强度分析

王华毕, 程硕, 祖磊^*, 张骞

航空结构件成形制造与装备安徽省重点实验室,合肥230009

收稿日期:2019-11-25 出版日期:2020-05-28 发布日期:2020-05-28
通讯作者: 祖磊(1983-),男,博士,教授,主要从事复合材料力学与结构设计方面的研究,zulei@hfut.edu.cn。
作者简介:王华毕(1973-),男,博士,副教授,主要从事复合材料力学与结构设计方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51875159);安徽省重点研究与开发计划项目(201904d07020013);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JD2019JGPY0017)

FIBER THICKNESS PREDICTION AND STRENGTH ANALYSIS OFCOMPOSITE HYDROGEN STORAGE VESSELS

WANG Hua-bi, CHENG Shuo, ZU Lei^*, ZHANG Qian

Anhui Province Key Lab of Aerospace Structural Parts Forming Technology and Equipment,Hefei University of Technology, Hefei 230009, China

Received:2019-11-25 Online:2020-05-28 Published:2020-05-28

摘要/Abstract

摘要： 复合材料储氢气瓶因具有较高的比强度、轻质以及耐腐蚀性好等特点,被大量装备于火箭、卫星、新能源汽车和医疗设备等。本文希望通过对复合材料储氢气瓶的理论研究与数值模拟,提供一套快速准确的储氢气瓶设计方法。首先基于网格理论设计了复合材料缠绕层,接着通过三维激光扫描技术对气瓶轮廓进行测量,验证了三次样条封头厚度预测方法的准确性,最后利用Abaqus软件建立了复合材料气瓶高精度有限元模型,研究了自紧对于提高气瓶性能的重要作用,建立渐进损伤模型得到气瓶的爆破压力。结果表明:三次样条法准确预测了气瓶封头上的纤维厚度分布,经过自紧处理后在工作压力下内胆的Mises应力显著降低,得到了最佳自紧压力取值范围为36.3 MPa~42.5 MPa。渐进损伤结果显示气瓶发生了纤维和基体破坏,最终爆破压强达到了69.5 MPa,满足设计要求。研究成果对复合材料储氢气瓶的设计制造具有重要的意义。

关键词: 纤维缠绕, 厚度预测, 高精度建模, 自紧分析, 渐进损伤, 复合材料

Abstract: Composite hydrogen storage vessels are widely used in aerospace and transportation as its high specific strength, specific stiffness and good corrosion resistance. This paper aims to provide a fast and accurate design method for composite hydrogen storage vessels through theoretical research and numerical simulation. Firstly, the composite winding layer is designed based on the grid theory, and then the cylinder contour is measured by 3D laser scanning technology, which verifies the accuracy of the prediction method of cubic spline dome thickness. At last, the finite element modeling of cylinder winding layer with variable thickness and angle was carried out by Abaqus finite element software. The important role of self-tightening in improving cylinder performance was analyzed, and the bursting pressure of cylinder was predicted by progressive damage. The results show that the cubic spline method can effectively predict the thickness distribution of the fiber. After auto-frettage, the Mises stress of liner decreased significantly under the working pressure, and the optimal auto-frettage pressure is obtained to be within 36.3 MPa~42.5 MPa. The failure mode of the vessel is predicted by progressive damage, and the final blasting pressure is 69.5 MPa, which meets the design requirements. The research results are of great significance to the design and manufacture of composite hydrogen storage vessels.

Key words: filament winding, thickness prediction, high precision modeling, auto-frettage analysis, progressivedamage, composites

中图分类号:

TB332

王华毕, 程硕, 祖磊, 张骞. 复合材料储氢气瓶的纤维厚度预测与强度分析[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(5): 5-11.

WANG Hua-bi, CHENG Shuo, ZU Lei, ZHANG Qian. FIBER THICKNESS PREDICTION AND STRENGTH ANALYSIS OFCOMPOSITE HYDROGEN STORAGE VESSELS[J]. Composites Science and Engineering, 2020, 0(5): 5-11.

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