燃料電池城市客車用儲氫瓶有限元分析和疲勞壽命分析

樊 彬 趙雨東 陳海紅

（清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室）

1 前言

復合材料儲氫瓶一般采用碳纖維纏繞鋁內襯制造。新型碳纖維復合材料具有質量輕、結構效率高、氣密性好、可靠性高等諸多優點。但是，復合材料具有強烈的各向異性和非均質性，其力學性能比較復雜；碳纖維/環氧樹脂纏繞層結構在形成過程中會發生組分材料的物理和化學變化，纏繞層性能對復合工藝的依賴性很大[1]。儲氫瓶在循環充放氣過程中受到交變載荷作用，瓶體可能發生疲勞破壞。因此，研究評估復合材料儲氫瓶的強度和疲勞壽命特性，對燃料電池城市客車氫安全性有重要工程意義。

目前，國內、外關于復合材料氣瓶的專門研究報道較少。國外研究主要集中在對復合材料性能及容器本身的各種分析、設計和極限問題上；國內研究主要集中在結構設計以及數值模擬方面。本文采用有限元分析和試驗測量相結合的方法對一種碳纖維纏繞鋁內襯儲氫瓶進行研究[2]，總結出一套適用的儲氫瓶強度和疲勞壽命分析方法，為儲氫瓶設計、改進提供依據。

2 儲氫瓶有限元建模

2.1 儲氫瓶

燃料電池城市客車用碳纖維纏繞鋁內襯復合材料儲氫瓶，其內襯材料是鋁6061-T6，外層是用碳纖維T700/環氧樹脂復合材料做成的纖維纏繞層，采用螺旋纏繞和環向纏繞的組合纏繞線型。儲氫瓶外形如圖1所示，筒身段是圓柱體，兩端是橢圓形封頭。

2.2 有限元模型

根據儲氫瓶結構尺寸數據，在ANSYS軟件中采用自底而上的建模方法建立儲氫瓶實體模型。儲氫瓶有限元建模應主要考慮鋁內襯彈塑性大應變、纏繞層大變形和復合材料各向異性，以及通過實常數準確表征纏繞層細節。

2.2.1 單元類型

復合材料儲氫瓶采用預緊壓力結構，即在儲氫瓶纏繞完成后、正常使用前，先充入一個高于工作壓力而小于爆破壓力的預緊壓力，使鋁內襯發生永久塑性變形。當氣瓶內壓力釋放后，內襯仍存在壓應力而纏繞層存在拉應力。當儲氫瓶正常充氣使用時，內襯上因充氣壓力產生的應力與殘存壓應力相迭加，可降低內襯應力，又可適當提高外壁處原有的較小應力，從而使沿壁厚方向的應力趨于均勻分布，以改善儲氫瓶強度。

因此，選用單元時必須考慮鋁內襯的彈塑性大應變。綜合分析ANSYS中可用的單元特性，確定儲氫瓶鋁內襯用三維八節點實體單元SOLID 95，如圖2所示。它具有塑性、潛變、應力硬化、大變形、大應變的特征，并有多種退化形式。

復合層為多層碳纖維纏繞而成，確定采用SOLID 191單元 （圖3）。它是三維二十節點實體單元SOLID 95的一種疊層形式，可用于建立疊層殼或實體的有限元模型，每個單元允許搭疊最多100層等厚度材料層，并允許沿厚度方向的變形斜率不連續。

2.2.2 材料參數

內襯鋁合金材料主要性能參數示于表1?？紤]到儲氫瓶在制造過程中，預緊壓力使鋁合金內襯發生塑性變形，采用鋁內襯理想化的多線性各向同性硬化材料模型（Multilinear Isotropic Hardening）來描述鋁合金的塑性變形行為，如圖4所示。

表1 鋁合金材料參數

碳纖維/環氧樹脂復合材料中的碳纖維為T 700S，其復合材料單向板主要性能如表2所示。在ANSYS軟件中選用線性正交各向異性材料模型處理纏繞層復合材料。

表2 T 700S碳纖維/環氧樹脂復合材料參數

2.2.3 實常數

根據儲氫瓶資料和實際測量結果，儲氫瓶材料沿徑向分成20層。從內向外第1層為鋁合金內襯，厚度為3.5 mm，其余19層為碳纖維復合材料纏繞層。瓶體圓柱段采用環向纏繞和螺旋纏繞的組合線型，相對于筒體母線纏繞角分別為90°和14°。瓶體兩端封頭部分為螺旋纏繞，纏繞角為14°～90°。

通過定義單元實常數，可以表征碳纖維復合材料纏繞層參數，包括纏繞層的纏繞角度、纏繞厚度以及纏繞層數等，并給出鋁內襯壁厚。在ANSYS軟件中建立的Solid 191單元的鋪層角度（相對于筒體母線）如圖5所示。

2.2.4 網格劃分

采用ANSYS軟件中的工具劃分儲氫瓶有限元網格。根據儲氫瓶結構特點，瓶體筒身段因結構形狀規則采用映射網格劃分，而兩端封頭部分采用自由網格劃分方法。

網格劃分結果如圖6所示，共劃分為2736個SOLID 95單元和 5280個 SOLID 191單元，36538個節點。

3 計算分析及結果

3.1 載荷施加過程

在給儲氫瓶施加壓力載荷時，必須先模擬預緊氣壓導致的鋁內襯塑性變形，在此基礎上模擬交變的壓力。

采用5載荷步施加儲氫瓶內壓力，加載過程如圖7所示。第1載荷步為設定氣瓶內零壓力，第2載荷步為加載至預緊壓力39 MPa，第3載荷步為卸載至零壓力，第4載荷步為加載至額定工作壓力20 MPa，第5載荷步為卸載至零壓力。其中，第1至第3步加載反映儲氫瓶預緊過程，第3至第5步反映壓力交變過程。

根據儲氫瓶實際工作工況和強度要求，分析在預緊壓力39 MPa、卸除預緊壓力后即零壓力、額定工作壓力20 MPa下鋁內襯和纏繞層外表面的應力應變狀況。

3.2 主要分析結果

3.2.1 預緊壓力

圖8所示為儲氫瓶在充入39 MPa壓力下的應力情況。可見，雖然氣瓶鋁內襯中部Von Mises等效應力為330 MPa，已經進入塑性狀態，但氣瓶的碳纖維復合材料Von Mises等效應力為586.2 MPa，遠小于其縱向強度（2679 MPa），仍處于彈性狀態。

3.2.2 卸除預緊壓力

由圖9可知，在卸除預緊壓力后，儲氫瓶鋁內襯內壁處于受壓縮狀態，瓶體中部Von Mises等效壓應力為137 MPa，約為壓縮屈服極限的50%，達到了比較理想的預緊壓力設計狀態。而纏繞層外表面Von Mises等效拉應力為82 MPa。

3.2.3 額定工作壓力

由圖10可知，在工作壓力循環變化過程中，鋁內襯的應力變化從壓應力變為零，然后再變為拉應力，而碳纖維纏繞層則始終處于拉應力狀態。這說明經過預緊壓力的處理，工作壓力下鋁內襯應力水平降到104 MPa，約為材料屈服極限的1/3；而碳纖維纏繞層應力增加不大，提高了碳纖維纏繞層的利用率。

3.3 計算與實測結果對比

通過應變電測法測得了儲氫瓶在預緊壓力卸除后其鋁內襯內壁和纏繞層外表面產生的殘余應變，計算與實測結果對比示于表3。

表3 殘余應變的有限元計算和實測結果對比

用圖11所示的充、放氣系統對儲氫瓶進行充、放氣壓力循環試驗，最高充氣壓力為20 MPa，用應變電測法測得充、放氣過程中儲氫瓶纏繞層外表面應變隨壓力變化情況。實測與計算結果對比示于表4。

表4 環向和軸向應變的有限元分析和實測結果對比

可見，對于殘余應變以及充、放氣循環過程中儲氫瓶外表面應變，有限元分析和實測結果基本吻合，說明有限元模型分析結果可信。

4 儲氫瓶疲勞壽命分析

復合材料儲氫瓶金屬內襯在循環載荷作用下的疲勞行為是決定氣瓶疲勞壽命的關鍵[3，4]。根據儲氫瓶應力有限元分析和實測結果，儲氫瓶鋁內襯筒體中部較為薄弱，可認為鋁內襯筒體中部的疲勞壽命就代表了儲氫瓶的疲勞壽命。

根據疲勞強度與疲勞壽命知識，得出鋁內襯材料6061-T6的S-N曲線，在此基礎上考慮影響疲勞的各因素，得到鋁內襯零件S-N曲線（圖12）。

儲氫瓶鋁內襯筒體處于承受軸向、環向和徑向3個方向應力作用的多軸應力狀態。進行疲勞壽命分析時，需要先把多軸應力狀態等效轉變為單軸應力狀態，即根據多軸應力狀態下主應力幅值（σa1、σa2、σa3）和平均應力（σm1、σm2、σm3）等效地轉換為單軸交變應力幅值132 MPa和平均應力-38 MPa。主應力幅值和平均應力如表5所列。

表5 鋁內襯筒體中部多軸應力狀態下主應力交變幅值和平均應力

利用修正的Goodman方程將單軸交變應力幅值132 MPa和平均應力-38 MPa等效轉換為對稱循環條件下的應力幅118 MPa，這等效于表5所示的多軸應力狀態。從圖12查得鋁內襯筒體部分的壽命為N＝104.41=2.57×105次循環，即代表儲氫瓶壽命。

根據儲氫瓶生產商提供的數據，可知該類儲氫瓶實測的疲勞壽命一般都在2×105次以上，且破壞位置通常位于筒體中部?？梢娖趬勖治雠c實測結果比較符合。

5 結束語

a.用ANSYS軟件建立儲氫瓶有限元模型時，主要考慮鋁內襯彈塑性大應變、纏繞層大變形、復合材料各向異性，以及通過定義單元實常數，準確表征碳纖維復合材料纏繞角度、纏繞厚度以及纏繞層數。

b.有限元分析結果表明，對儲氫瓶進行預緊處理可有效降低鋁內襯和纏繞層應力。有限元分析與實測結果基本吻合，說明有限元模型合理，有限元分析結果可信。

c.根據儲氫瓶應力的有限元分析結果，以儲氫瓶筒體中部較為薄弱的鋁內襯作為對象，分析儲氫瓶疲勞壽命。先得出鋁內襯零件S-N曲線，再將鋁內襯筒體中部的多軸交變應力轉換為等效的對稱循環條件下的單軸交變應力，最后根據該S-N曲線得出鋁內襯暨儲氫瓶的疲勞壽命為2.57×105次循環。

本文研究工作歸納出的碳纖維纏繞鋁內襯儲氫瓶有限元分析和疲勞壽命分析流程和方法，對同類氣瓶設計和分析工作具有參考價值，后續工作將研究包括保持壓力過程及溫度變化等因素對儲氫瓶應力應變和疲勞壽命的影響。

1 鄭傳祥.復合材料壓力容器.北京：化學工業出版社，2006

2 樊彬.燃料電池城市客車用儲氫瓶強度和疲勞壽命研究：[學位論文].北京：清華大學，2009.

3 Ronald B.Veys,et al.Fatigue analysis techniques for composite tankage with plastically operating aluminum liners.AIAA-1991-1974.

4 Jun-ichi Tomioka,et al.Ambient Temperature Pressure Cycling Test of Compressed Hydrogen Tanks for Vehicles-Influence of Maximum Pressure on Tank Fatigue.SAE 2007-01-0691（SP-2098）， 2007.

5 古海波.全纏繞復合氣瓶預緊壓力和纏繞層厚度的優化：[學位論文].大連：大連理工大學，2006.