2022年氢燃料电池产业高峰论坛
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作者:高级攻城狮,仿真秀专栏作者

自2015年联合国巴黎气候变化大会通过《巴黎协定》,约定改造化石燃料驱动的经济后,以氢能源为核心的能源转换成为各国政府、产业及各界人士迫在眉睫的战略性议题。美、欧、日、韩等国家和地区纷纷布局氢能发展,而我国作为世界上最大的制氢国,氢能发展优势显著。

根据《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》预测,到2020年,中国氢燃料电池汽车将达到1万辆,行业产值达到3000亿元;到2030年,氢燃料电池车辆保有量达到200万辆,行业产值突破万亿元。在这场从碳经济社会步入氢能源经济社会的转变过程中,氢燃料电池车将成为引领整体技术变革的核心支柱。

作为氢燃料电池车的核心部件,储氢气瓶的发展程度将直接决定车的续航能力。高压储气瓶的发展始于20世纪 50年代,最早以金属钢瓶为主,因其笨重后改为铝合金材料,此种气瓶称为全金属气瓶(I型);到了1970年代开始使用玻璃纤维缠绕钢或铝内衬来进一步减轻质量,此种气瓶称为金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型);1980年代美国开始以碳纤维全缠绕增强铝内衬使质量再得以减轻,此种气瓶称为金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型);1990年代美国开始以高密度聚乙烯作为内衬,外表面缠绕玻璃纤维或碳纤维来制造高压气瓶,其质量最轻,为非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。

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图1 Ⅰ~Ⅳ型高压储气瓶对比

上述四种气瓶类型如图1所示。其中,I型、II型重容比大,难以满足氢燃料电池汽车的储氢密度要求。III型、IV型瓶因采用了纤维全缠绕结构,具有高性能、高单位质量储氢密度等优点,目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。特别是IV型复合材料高压储氢气瓶具有更轻的重量、更好的疲劳性能以及更便宜的价格成为国内外研究的重点。

IV型高压储氢气瓶主要由塑料内衬、金属接头、碳纤维缠绕层、外保护层以及密封结构组成,如图2所示。其中内衬主要起气体密封和作为缠绕芯模的作用,基本不承受载荷。纤维缠绕层是采用连续碳纤维浸渍树脂,按照铺层设计工艺缠绕在芯模(内衬)上,然后通过固化处理得到,主要为气瓶提供强度,保证气瓶满足设计的承载要求,因此复合材料气瓶碳纤维缠绕层的结构设计成为车载复合材料气瓶研制的重点与难点。

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图2 典型IV型高压储氢气瓶结构示意图

二、复合材料缠绕层结构设计方法

1、网格理论

由于基体树脂的抗拉强度及抗拉模量只有纤维的2%-5%,且在气瓶爆破时树脂基体几乎完全开裂,已无加强作用,所以在设计纤维缠绕层时忽略树脂基体的作用,将气瓶看作完全由纤维承担载荷。这种忽略树脂基体刚性、认为张力全部由纤维网络承担的设计理论称为网格理论。国内外研究试验表明,使用网格理论对复合材料气瓶进行初步设计,计算出的爆破压力比较准确。因此目前复合材料气瓶的初步设计均使用网格理论作为计算依据。

网格理论存在两个基本假设:

(1)均衡条件假设:假定纤维网格只进行相似性变化,保证纤维最大程度发挥自身强度。

(2)连续性假设:在气瓶失效前,纤维与内衬之间始终保持连续且没有任何相对滑动。

使用网格理论即默认这两个条件。此外,缠绕工艺导致纤维厚度的分布有一定的规律,如纤维在气瓶极孔处必须与极孔相切等,这些均通过方程和边界条件的形式给出。

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图 3 缠绕线型示意图

网格理论的基本假设中均衡条件假设,由静力平衡条件得到:

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式中P为内压,MPa;R为筒身段半径,mm。

由于网格理论中假设纤维承担气瓶的全部载荷,因此在静力平衡时纤维应力与环向和螺旋向纤维张力之和相等,因此得到平衡方程:

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式中,

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为螺旋向纤维应力;

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为环向纤维应力;

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为螺旋向纤维厚度;

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为环向纤维厚度。

依据以上平衡方程,可估算出复合材料气瓶缠绕层的厚度、缠绕角度以及针对此进行缠绕层强度的校核。但是由于复合材料气瓶封头位置,由缠绕定理决定,复合材料层呈现变厚度变角度,难以采用网格理论进行计算,为大家研究的重点。

2、复合材料经典层合板理论

层板理论可以计算各单层板的力学性能,主要包括9个弹性与强度变量,可以通过给定的复合材料气瓶的铺层顺序、层数以及铺层方式对复合材料层的强度以及模量进行计算,具有较好的强度拟合性能。

但是应用层板理论的基础数据一般采用层合板的性能,由于缠绕成型在制备层合板方便有一定的困难,测试的数据与实际缠绕过程有一定的差异性,并且层板理论计算过程较为复杂,特别是气瓶的封头部位,纤维缠绕角度与厚度随着封头尺寸存在较大差异,导致在其在工程实际应用过程中应用较少。

三、复合材料缠绕层的有限元分析

1、 Abaqus-WCM

ABAQUS WCM 模块(Wound Composites Moldeler)用于三维缠绕复合材料压力容器建模,可以准确预测复合材料缠绕压力容器的性能,并与ABAQUS/CAE无缝连接。

该模块中具有逐层建模能力,可以根据车载复合材料气瓶封头形貌,实现变角度变厚度的详细建模,如下图所示。

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图4 Abaqus-WCM复合材料气瓶建模

该模块中还具有专业完善的后处理功能,帮助分析结果的查看。并且具有自动生成UVARM功能,可以引入最大应力、最大应变以及hashin等复合材料失效准则对复合材料层强度进行失效判定。

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图5 Abaqus-WCM复合材料气瓶各层应力分析

2、Ansys有限元分析软件

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口,实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。Ansys软件可以通过APDL参数化结构分析实现复合材料气瓶的结构建模、载荷分析以及结构后处理,如图6所示。

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图6 Ansys APDL参数化复合材料气瓶建模

Ansys workbench ACP平台专门用于复合材料层的建模以及有限云分析,可以通过ACP平台中LOOK-UP TABLE功能实现复合材料气瓶缠绕层的变角度以及变厚度建模,如下图7所示。

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图7 Ansys workbench ACP平台复合材料气瓶建模

3、GENOA-FW有限元分析软件

GENOA是美国AlphaSTAR公司开发的一款工程软件套件,其中Filament Winding是GENOA软件中专门针对复合材料纤维缠绕和布带缠绕的一个模块,简称GENOA-FW ,由于其具备COPVs的参数化建模、纤维缠绕结果模拟以及渐进失效算法等特点,使得COPVs从建模到纤维缠绕结果复现再到仿真计算实现了一体化,有效的解决了在纤维缠绕过程中封头位置纤维角度变化以及厚度变化的工程问题,采用基于微观力学模型下的渐进失效算法,可以准确模拟COPVs额定载荷下的损伤和失效,如图8与图9所示。

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图8 复合材料气瓶根据缠绕定律建模

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图9 复合材料气瓶渐进损伤分析

四、缠绕工艺仿真与强度校核一体化平台

1、 CADWIND与COMPOSITE STAR平台

CADWIND软件为比利时材料工程有限公司(MATERIAL)开发,是世界上广泛应用的纤维缠绕工艺设计模拟软件。最早的CADWIND软件版本发布于1990年,至今已经有近30年的软件应用历史。

CADWIND软件是一个集成CAD/CAM/CAE于一体的专业纤维缠绕工艺设计模拟系统。主要功能包括层合结构复合材料的材料设计、纤维缠绕线型设计、机床缠绕程序计算、缠绕产品的结构强度计算,真正实现了从材料到产品的全流程的设计仿真功能。

它可以帮助用户实现不同铺层结构的复合材料刚度、强度、失效过程计算,提供不同缠绕线型设计分析功能,准确掌握纤维滑纱、纤维架空等可缠绕性工艺分析,了解缠绕角度和缠绕层厚度的分布情况;时时动态的缠绕过程机床动态仿真功能,避免机床运动干涉,提高缠绕效率和优化缠绕程序。其复合材料气瓶的缠绕模块如图10所示。

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图10 CADWIND复合材料气瓶缠绕成型

复合材料设计和计算模块COMPOSITE STAR是CADWIND软件设计包的一部分,如图11所示。它采用数据库管理模式,可以基于纤维和树脂的材料力学性能,通过复合材料细观力学计算方法进行单层板材料的力学性能计算;复合材料设计计算采用毯式图方法,依据层合材料的刚度、柔度等材料性能参数(许用值),进行铺层角度、铺层比例的设计计算;另外,它可以进行载荷作用下的层合材料的强度计算、依据适合的强度准则、材料失效模式和材料失效位置进行强度比计算和失效过程计算分析。

材料失效准则包括最大应力强度准则、最大应变强度准则、蔡—希尔失效准则(Tsai-Hill theory)、霍夫曼失效准则(Hoffman criterion)、蔡—胡张量准则(Tsai-Wu tensor theory)、Puck失效准则(简单Puck失效准则,改进Puck失效准则)、Hashin等失效准则;材料失效模式包括FF纤维断裂和IFF层间失效两种模式;材料失效过程计算可以依据材料使用性能要求选择第一层失效、第一层纤维失效和最后一层纤维失效,进行层合材料设计。

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图11 COMPOSITE STAR进行复合材料气瓶强度校核

2、Composicad与ESACOMP平台

根据赛福特公司及Skinner & Associates集团,该软件其人性化的设计,能使部件加工程序员快速地制作出所需的部件。该软件聚焦在零件级,而不是目前多数软件所聚焦的独立的层次分级。ComposicaD软件可用于所有类型的数控纤维缠绕机,并产生输出图案。该软件还具有控制其他参项的能力,这些参项伴随整个缠绕过程,其中包括纤维张力、树脂池温度、心轴压力以及其他参项。

ComposicaD软件使用许多改进了的算法来计算纤维路径和机器的运作,它包含了一个材料数据库,是关于常用纤维带设置的,其中包括带宽、带厚度、最大滑移潜力、带密度、成本及其他参数。这些参数用来计算层压的重量、用过的纤维的长度、消费成本以及缠绕的时间。这些都是以整个部件为基础并且用于独立的薄层。所以ComposicaD软件作为复合材料气瓶的缠绕软件具有独特的优势,其缠绕气瓶线型如图12所示。

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图12 ComposicaD复合材料气瓶缠绕模拟

ComposicaD软件可生成直接用于ESACOMP软件的文件,通过ESACOMP软件可快速实现复合材料气瓶在内压下的应力以及应变分析,并且可引入各种失效判据,对复合材料气瓶复合材料层进行爆破压强的预测,如图13所示。

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图13 Composicad与ESACOMP平台复合材料层分析

五、未来展望

随着复合材料理论及软件技术的发展,复合材料气瓶缠绕成型技术、结构设计以及有限元技术发展较快,呈现缠绕工艺仿真-结构设计-有限元分析技术一体化趋势,但目前国内起步较晚,特别是有限元分析软件较为落后,会严重阻碍国内复合材料气瓶的技术进步,为未来重要的发展方向之一。

由于篇幅有限,笔者没有在这里分享自己车载储氢复合材料气瓶结构设计与有限元分析的案例——35MPa高压车载储氢气瓶结构设计,当前播放量超过1800+,感兴趣的朋友可以关注我在仿真秀平**家发布是视频教程,目前已经更新完整,有试看(见下午介绍)。

六、我的精品课-储氢高压复合材料气瓶结构设计10讲

2020年4月,我在仿真秀官网和APP发布了一套基于《35MPa高压车载储氢气瓶结构设计》精品系列课。属于工程实例产品教程,希望对学习型仿真工程师有所帮助。

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作者:高级攻城狮,仿真秀专栏作者

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