基于微觀力學(xué)分析的復(fù)合材料儲(chǔ)氫容器強(qiáng)度與壽命研究.pdf

1、目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）儲(chǔ)氫氣瓶是高壓儲(chǔ)氫技術(shù)的重要實(shí)現(xiàn)方式，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而倍受國(guó)內(nèi)外青睞。復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶的失效行為和極限強(qiáng)度等相關(guān)研究仍然是其優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵性工作。然而，由于高壓儲(chǔ)氫氣瓶快速充放氫過程會(huì)發(fā)生顯著的溫升效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合材料氣瓶長(zhǎng)期在高溫、高壓循環(huán)載荷下工作，使其力學(xué)行為和失效機(jī)理變得異常復(fù)雜。因此，研究復(fù)合材料氣瓶在快充氫過程的溫升效應(yīng)和熱力耦合行為，以及開展氣瓶漸進(jìn)失效分析和疲勞壽命預(yù)測(cè)分析，成為目

2、前急需解決的重要問題。為了達(dá)到以上目標(biāo)，本文展開了一系列深入研究，主要研究?jī)?nèi)容和相關(guān)創(chuàng)新成果如下:
　　(1)在70MPa快速充放氫疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)上，開展了復(fù)合材料氣瓶快充溫升效應(yīng)試驗(yàn)，詳細(xì)分析了快充過程的溫升變化機(jī)理;進(jìn)而開展了氣瓶快充氫疲勞循環(huán)試驗(yàn)，得到了氣瓶氫環(huán)境下的疲勞壽命和失效機(jī)理。試驗(yàn)過程中采用了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段以確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試氣瓶的失效狀態(tài)。
　　(2)建立了快充過程理論分析模型，分析了各個(gè)充裝參

3、數(shù)對(duì)快充溫升過程的影響;基于理論分析建立了CFD計(jì)算模型，研究了各個(gè)充裝因素對(duì)溫升效應(yīng)的影響規(guī)律并提出了可行的降低溫升效應(yīng)的控制策略和加氫方案。最后建立了氣瓶FEA計(jì)算模型，基于ABAQUS順序熱力耦合分析方法，研究了氣瓶快充過程的熱力耦合行為，分析了溫升效應(yīng)對(duì)氣瓶力學(xué)性能的影響機(jī)理。
　　(3)基于微觀力學(xué)失效理論(MMF)，并結(jié)合連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論(CDM)，提出了復(fù)合材料氣瓶漸進(jìn)失效分析方法。通過微觀力學(xué)分析，將復(fù)合材料層

4、板結(jié)構(gòu)分析從宏觀尺度轉(zhuǎn)換到微觀尺度，進(jìn)而引入基于組分失效的損傷變量，建立復(fù)合材料三維損傷本構(gòu)關(guān)系和損傷演化模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料氣瓶復(fù)雜失效模式和最終強(qiáng)度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。整個(gè)漸進(jìn)失效分析過程借助ABAQUS用戶子程序(UMAT)編程實(shí)現(xiàn)。
　　(4)提出了基于組分強(qiáng)度分析的復(fù)合材料疲勞壽命計(jì)算方法。通過微觀力學(xué)失效理論(MMF)，將復(fù)合材料加速測(cè)試方法(ATM)擴(kuò)展到組分層面，建立了組分疲勞強(qiáng)度控制曲線;同時(shí)基于三維彈性理論，建立了