金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的三維建模及優(yōu)化*

王 旭 ，程宏輝 ，丁 志 ，朱洪星

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

氫能具有燃值高、無污染等特點(diǎn)[1-3]。氫氣的儲(chǔ)運(yùn)是保障未來氫能廣泛運(yùn)用的重要一環(huán)，利用金屬氫化物儲(chǔ)氫是氫氣儲(chǔ)運(yùn)的重要方式之一[4]，儲(chǔ)氫罐在被用于氫氣儲(chǔ)存和供給的過程中會(huì)伴隨著吸放熱的化學(xué)反應(yīng)。過高的溫度會(huì)對(duì)容器的一些重要部位，產(chǎn)生熱疲勞與熱蠕變[5]。同時(shí)，儲(chǔ)氫合金吸氫后體積將發(fā)生明顯膨脹，給容器壁面施加巨大應(yīng)力，導(dǎo)致容器破裂失效。放氫需要的高壓又要求罐體具有一定的強(qiáng)度。因此，需要設(shè)計(jì)具有更好的傳熱傳質(zhì)效果的容器[6]。

SolidWorks Simulation作為一款有限元分析軟件，解算速度快，占用內(nèi)存小[7-8]，設(shè)計(jì)人員可以借助它快速完成復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析與驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)人員提供應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、熱分析等結(jié)果，獲得修正與優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息，極大地縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。

1 儲(chǔ)氫罐結(jié)構(gòu)模型

儲(chǔ)氫罐的模型特征包括：法蘭蓋、O型封圈、罐體、螺栓標(biāo)準(zhǔn)件。法蘭盤和合金瓶的具體尺寸工藝圖分別如圖1和圖2所示。法蘭盤與罐體上設(shè)有相對(duì)應(yīng)的六個(gè)螺栓孔，通過螺栓預(yù)緊產(chǎn)生的摩擦力相配合固定連接。法蘭盤上設(shè)有1/4NPT規(guī)格的通孔，與氣管連接來輸入和輸出氫氣。法蘭盤設(shè)有薄凸臺(tái)，用于配合O型圈保證儲(chǔ)氫罐的氣密性。金屬氫化物在吸放氫時(shí)會(huì)吸收和放出大量的熱，需要及時(shí)的導(dǎo)入和導(dǎo)出來保證吸放氫的效率，所以選擇的罐體材料需要具有良好的傳熱性，高效實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，并查閱機(jī)械手冊(cè)了解金屬強(qiáng)度剛度，選用的罐體材質(zhì)鋁合金6061（T6）是理想的罐體材料。合金瓶出口直徑與腔體直徑一致，出口上設(shè)有能夠與O型圈相配合的密封凹槽。操作壓力為1 MPa~2 MPa，考慮到合金粉化膨脹，使得工作壓力增大，計(jì)算壓力設(shè)為3 MPa，模型中工作介質(zhì)假設(shè)為氫氣。計(jì)算后，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及成本問題，確定合金瓶壁厚為4 mm，底部厚度為5 mm，選擇法蘭盤厚度為10 mm。

圖1 法蘭盤尺寸工藝圖

圖2 合金瓶尺寸工藝圖

2 有限元模型的建立

由于儲(chǔ)氫罐為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體，為節(jié)約分析時(shí)間，建模只需要考慮一部分即可，這里建立1/6結(jié)構(gòu)的三維模型。使用切除命令，設(shè)置切除角度為320°，完成有限元分析模型的建立。

3 有限元分析

新建一個(gè)算例，定義為“靜態(tài)算例”，然后對(duì)模型進(jìn)行材料設(shè)定、約束、加載、劃分網(wǎng)絡(luò)。選擇應(yīng)用材料到所有，定義合金瓶材料為鋁6061-T6，法蘭盤材料為304鋼，由于罐體內(nèi)壁受均勻的徑向壓力，故對(duì)合金瓶?jī)?nèi)壁加載設(shè)計(jì)壓力（3 MPa）。打開“夾具顧問”選擇“高級(jí)夾具”，然后在合金瓶與法蘭盤同側(cè)應(yīng)用夾具“在平面上”，在合金瓶與法蘭盤另外一側(cè)應(yīng)用夾具“對(duì)稱”以完成儲(chǔ)氫罐的夾具設(shè)定。打開“連接顧問”，在合金瓶與法蘭盤接觸部分選擇“無穿透”接觸面組，接頭選擇“帶螺母柱形沉頭孔”完成罐體與法蘭盤的連接設(shè)定。由于罐體內(nèi)壁為受力部位，故需要對(duì)罐體內(nèi)部進(jìn)行局部細(xì)分，網(wǎng)格類型選擇“基于曲率的實(shí)體網(wǎng)絡(luò)”，劃分結(jié)果為節(jié)點(diǎn)數(shù)10 570個(gè)，單元數(shù)5 852個(gè)，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

4 分析結(jié)果

本文采用FFEplus算法，為使變形圖較為清晰地顯示，將變形比例放大60倍，求解出的變形圖如圖4所示，由變形圖可知最大應(yīng)力發(fā)生在合金瓶和法蘭盤連接部位的附件。因?yàn)檫@里是假定的螺栓接頭的位置，所以該部位的應(yīng)力集中是不真實(shí)的，研究過程中將忽略它。結(jié)合應(yīng)變圖如圖5所示，會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)際最大應(yīng)力存在于合金瓶底部和合金瓶底部與側(cè)面焊接的位置，并且變形量較大。

圖4 儲(chǔ)氫罐在加載后的應(yīng)力云圖

圖5 儲(chǔ)氫罐在加載后的應(yīng)變?cè)茍D

5 焊接工藝優(yōu)化

5.1 儲(chǔ)氫罐用的焊接加工

對(duì)于金屬氫化物儲(chǔ)氫罐中所需要的焊接加工包括如下幾個(gè)部分：散熱翅片按設(shè)定間距焊在鋁合金管外壁來保證散熱充分。鋁質(zhì)圓塊焊于鋁管一端，帶密封凹槽的圓環(huán)焊于鋁管另一端，來完成瓶身的焊接。氣管承插焊于法蘭盤1/4NPT孔內(nèi)，使儲(chǔ)氫罐能夠被通入和釋放氫氣。UJR接頭同氣管進(jìn)行焊接以獲得帶有UJR接頭的氣管。短長(zhǎng)度泡沫銅環(huán)焊接和切割加工來完成儲(chǔ)氫罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的搭建。席型銅網(wǎng)焊接于泡沫銅圓蓋上，然后清洗晾干獲得成品，置于儲(chǔ)氫罐內(nèi)部，使得通氣時(shí)能夠過濾雜質(zhì)，過濾性能穩(wěn)定、精細(xì)。

5.2 焊縫處理

由上述應(yīng)力云圖可知，對(duì)于儲(chǔ)氫合金反應(yīng)床，床身和床底接合部分存在應(yīng)力集中，且床底所受應(yīng)力要遠(yuǎn)比床身所受應(yīng)力大，考慮到安全性和可靠性的要求，在焊接時(shí)需要盡可能地保證焊縫的長(zhǎng)度和寬度，焊縫的質(zhì)量。

6 儲(chǔ)氫反應(yīng)床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于氫化物吸氫反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量熱影響儲(chǔ)氫床壽命的問題本文的改善方法如下：在儲(chǔ)氫層中心反應(yīng)區(qū)（溫度最高區(qū)域）加入銅質(zhì)冷卻導(dǎo)管，在導(dǎo)管中通入冷卻液；在反應(yīng)床外圍均勻分布散熱翅片。

對(duì)于儲(chǔ)氫合金粉化沉積破壞罐體的問題，本文的改善措施有增加反應(yīng)床壁厚來提高床體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。對(duì)于合理增加壁厚來提高強(qiáng)度是一個(gè)需要考慮的問題，如上述應(yīng)力云圖，在儲(chǔ)氫罐側(cè)壁厚和底部厚度相同，氣壓為3 MPa的條件下，底部中心區(qū)域應(yīng)力最大，罐體側(cè)壁應(yīng)力最小，所以可以適當(dāng)增加罐體底部的厚度。但厚度的增加會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)氫重量比下降，成本增加，傳熱惡化的問題。故需在保證可靠性的情況下減小壁厚。比如，罐體采用高強(qiáng)度、抗氫脆材料[9]。

從緩解儲(chǔ)氫合金沉積現(xiàn)象著手，需要提高儲(chǔ)氫合金的抗粉化能力，同時(shí)阻礙合金粉進(jìn)一步沉積[10]。本文中采取的措施有：通過帶有孔隙的金屬泡沫銅零件置于罐體內(nèi)部來限制粉末的流動(dòng)和沉積，在儲(chǔ)氫合金膨脹時(shí)提供空間來避免對(duì)罐體造成破壞。

金屬氫化物儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)需要考慮的因素很多，本文對(duì)于儲(chǔ)氫罐的設(shè)計(jì)方法基于設(shè)計(jì)的理論模型，模擬現(xiàn)實(shí)也并非100%，但可以為解決純理論設(shè)計(jì)定性不能定量的問題提供一個(gè)途徑，可從不同角度評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)結(jié)果，因此，提出的設(shè)計(jì)方法有一定的實(shí)際意義。