1、毕业设计说明书20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20Lhydrogenfuelvehicle专业：能源与动力工程学生姓名：班级：B能动181学号：指导教师：培养单位：汽车工程学院2022年6月20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20Lhydrogenfuelvehicle承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是在指导教师指导下严格按照学校和学院有关规定完成的；在毕业设计（论文）中引用他人的观点和参考资料均已加以注释和说明；毕业
2、设计（论文）内容中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为；在毕业设计（论文）中，如有任何违规行为，由本人承担一切责任；对学校关于查重的文件关于做好2021届毕业设计（论文）教学工作的通知已认真阅读，对查重结果的处理办法、尤其对于文字复制比50%需延期一学期答辩的处理结果已了解，对于本人的查重结果，无条件服从学校处理办法。承诺人:日期:汽车变速箱箱体三面钻孔组合机床总体及右主轴箱设计20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析摘要：由于新能源汽车产业的兴起，氢能在汽车上的应用已经成为焦点。氢气的存储及运输技术是氢能应用技术中的关键。碳纤维增强复合材料具有高比强度比模量的特性，非常适合用作高压储氢罐的承压
3、材料。因此，本文针对氢燃料电池的工况特点，建立汽车储氢罐的模型，并分析其力学性能特性及流场特性并在此基础上实现碳纤维汽车复合材料汽车储氢罐的结构优化。本文对碳纤维汽车储氢罐的内胆材料和纤维进行研究，设计了储氢罐的结构参数，以碳纤维储氢罐为研究对象确定其形状和尺寸，建立碳纤维汽车储氢罐的三维模型。针对高压氢气下的使用环境确定储氢罐塑料内胆的材料；以35MPa的储气压力为目标，设计碳纤维复合材料储氢罐承压层的铺层角度。研究铺层参数对产品力学性能特性并在此基础上实现碳纤维汽车复合材料汽车储氢罐的结构优化。具体完成的工作内容如下：（1）根据储氢罐的内胆主要用来存储氢气的作用且不承担气体压力的特点。确定
4、内胆所用的材料必须要对氢气具有很强的阻隔性的要求，采用PE/EVOH/PA/EVOH/PE五层结构。在具有较强的阻隔性的同时。可使PA受PE层保护，以防止PA层吸水。（2）根据储氢罐的纤维层主要是用作承压层以承受压力载荷，选用强度高的增强材料作为承压层的材料。综合比较玻璃纤维，Kevlar纤维和碳纤维的力学性能和加工工艺，最终选择碳纤维作为承压层的材料。（3）高压储氢罐的参数主要有压力容器设计所需要的压力，体积，内径和储氢密度。根据车用移动式储氢罐的储氢密度要求3wt%和国内的厂家的生产能力决定设计35MPa压力的储氢罐。确定本文设计的储氢罐的标准储氢压力为35MPa,最大工作压力为40Mpa
5、。结合储氢罐的安装位置确定碳纤维复合材料储氢罐的基本结构尺寸。（4）进行碳纤维复合材料储氢罐承压层静力学有限元分析。（5）以碳纤维复合材料储氢罐发生失效破坏时所能承受的压力为目标函数。将碳纤维复合材料的铺层角度作为设计变量。在满足碳纤维储氢罐的关于总体质量，使用的材料，设计尺寸和工况载荷的约束条件下研究设计变量对碳纤维复合材料储氢罐承压层力学性能的影响。研究发现随着0铺层的位置的改变，碳纤维复合材料储氢罐的总体变形量也在变化，并且随着0铺层距内胆的距离的增长，储氢罐的变形量呈减小的趋势。通过研究铺层角度对碳纤维复合材料储氢罐承压层力学性能的影响。发现在铺层角度为35左右的铺层角时储氢罐的变形量
6、最小并且最终采用对称铺层的方法来减小因为铺层角度所产生的偏斜现象。关键字：碳纤维复合增强材料；储氢罐；C0MS0L；有限元Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20LhydrogenfuelvehicleAbstract:Withtheriseofnewenergyautomobileindustry,theapplicationofhydrogenenergyinautomobileshasbecomeafocus.Hydrogenstorageandtransportationtechnologyisthekeyofhydrogenenergya
7、pplicationtechnology.Carbonfiberreinforcedcompositehasthecharacteristicofhighspecificstrengthandspecificmodulus,whichisverysuitabletobeusedaspressurematerialforhydrogenstoragetankunderhighpressure.Therefore,accordingtotheworkingconditionsofhydrogenfuelcell,athree-dimensionalmodelofcarbonfiberautomob
8、ilehydrogenstoragetankwasestablishedanditsmechanicalpropertieswereanalyzed.Theinfluencelawofmaterialandcompositestructureonmechanicalpropertiesandimpactdamagecharacteristicsofhydrogenstoragetankwasstudied,andonthisbasis,thestructureoptimizationofhydrogenstoragetankofcarbonfiberautomobilecompositewas
9、realized.Inthispaper,thelinermaterialandfiberofcarbonfiberautomobilehydrogenstoragetankwerestudied,andthestructuralparametersofthehydrogenstoragetankweredesigned.Theshapeandsizeofthecarbonfiberhydrogenstoragetankweredetermined,andthethree-dimensionalmodelofcarbonfiberautomobilehydrogenstoragetankwas
10、established.Determinethematerialoftheplasticlinerofhydrogenstoragetankaccordingtotheuseenvironmentofhydrogenunderhighpressure;Withthetargetof35MPagasstoragepressure,thelaminateAngleandthicknessofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankweredesigned.Thespecifictasksareasfollows:(1) accordingtothecharac
11、teristicsthatthetankismainlyusedtostorehydrogenanddoesnotbearthegaspressure.ThematerialusedinthetankmusthaveastrongbarriertohydrogenandadoptPE/EVOH/PA/EVOH/PEfive-layerstructure.Inastrongbarrieratthesametime.PAcanbeprotectedbyPElayertopreventPAlayerfromabsorbingwater.(2) accordingtothefiberlayerofth
12、ehydrogenstoragetank,itismainlyusedasapressurebearinglayertobearthepressureload.Thereinforcedmaterialwithhighstrengthisselectedasthematerialofthepressurebearinglayer.Themechanicalpropertiesandprocessingtechnologyofglassfiber;Kevlarfiberandcarbonfiberwerecomparedcomprehensively.Theperformanceparamete
13、rsofepoxyresinbaset700-12kone-wayprepregproducedbyShangWeicompanyweresimulatedandanalyzed.(3) theparametersofthehigh-pressurehydrogenstoragetankmainlyincludethepressure,volume,innerdiameterandhydrogenstoragedensityrequiredbythedesignofthepressurevessel.Accordingtothehydrogenstoragedensityrequirement
14、sofmobilehydrogenstoragetankforvehicles(3wt%)andtheproductioncapacityofdomesticmanufacturers,35MPahydrogenstoragetankwasdesigned.Thestandardhydrogenstoragepressureofthehydrogenstoragetankdesignedinthispaperisdeterminedtobe35MPaandthemaximumworkingpressureis40Mpa.Accordingtotheinstallationlocationoft
15、hehydrogenstoragetank,thebasicstructuresizeofthecarbonfibercompositehydrogenstoragetankwasdetermined.(4) conductthestaticfiniteelementanalysisofthepressurizedlayerofcarbonfibercompositehydrogenstoragetank.Createthepropertiesofthesingle-layercompositeboardintheAcp-Premodule.(5) theobjectivefunctionis
16、thepressurethatthecarbonfibercompositehydrogenstoragetankcanwithstandwhenfailureoccurs.ThelayeringAngleandlayeringsequenceofcarbonfibercompositesweretakenasdesignvariables.Itwasfoundthattheoveralldeformationofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankalsochangedwiththechangeofthepositionofthe00coating,
17、andthedeformationofthehydrogenstoragetanktendedtodecreasewiththeincreaseofthedistancebetweenthe0coatingandthetank.TheeffectoflayeringAngleonmechanicalpropertiesofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankwasstudied.ItwasfoundthatthedeformationofthehydrogenstoragetankwasthesmallestwhenthelayeringAnglewa
18、sabout35,andfinallythemethodofsymmetricallayeringwasadoptedtoreducethedeflectioncausedbythelayeringAngle.KeyWords：Carbonfibercompositereinforcement;Hydrogenstoragetank；COMSOL；Finiteelement目录错误!未定义书签。第一章.绪论5第二章.碳纤维复合材料储氢罐结构设计10第三章.碳纤维复合材料储氢罐单相流仿真分析16第四章.承压层铺层的简单优化设计17第五章.结论与展望19参考文献20致谢错误!未定义书签。第1章绪论
19、自1885年卡尔奔驰设计并制造出单缸四冲程发动机并将其装配到一辆三轮汽车开始，世界汽车工业便开始了迅猛的发展。1891年，法国的阿芒标志(ArmandPeugeot)开始将其工厂转型生产汽车；1898年，法国出现雷诺汽车；1897年亚当欧宝将缝纫机厂转为汽车厂；1903年HenryFord创立福特汽车，并于于之后的几年内开始率先采用流水生产线模式生产汽车，使得汽车产量迅速上升和成本下降。使汽车从少数人拥有的奢侈品转变为在千家万户中普及的实惠的产品。1953年第一汽车制造厂在长春动工建设，这成为了我国汽车工业开始起步的标志。随后，我国又新建了第二汽车制造厂。最近的二十年，是我国汽车工业迅猛发展的
20、二十年。截至2010年底，我国汽车产量已达到1800万辆，成为世界汽车大国。由于汽车使用量的迅速激增，作为汽车燃料的石油产品也在被迅速地消耗着,加剧了石油的消耗量。除去石油，可作为燃料的天然气，煤和油母页岩等燃料储量也非常有限。止匕外，常规能源发电主要是以燃煤为主的火力发电，其对生态环境所造成的污染也是极大的。所以，世界各国正在探寻可以代替化石燃料的新能源。近几年来，我国交通运输的能耗所占比例越来越大，汽车尾气污染是酿成空气污染的重要因素，因此，将清洁能源代替传统化石能源对我国的可持续发展和环境保护都具有特别重要的意义。而氢能燃烧热值高，燃烧速度快且燃烧之后只会产生水，不会造成环境污染等特点成
21、为21世纪最具发展潜力的清洁能源。燃料电池汽车（FCV）是一种将氢气或高含氢重燃气作为电池燃料。然后通过燃料电池产生动力驱动车轮的汽车。FCV汽车具有接近于零排放的特性并且FCV汽车运行平稳，无噪声，这使得其具有广阔的发展前景。随着氢燃料电池技术的发展，氢能在汽车应用上的需求越来越大。但是氢气的着火点能量小，爆炸浓度极限范围宽。且氢气的分子小，粘度小，易泄漏扩散。因此，氢气的存储问题成为限制氢能汽车发展的重要瓶颈之一。所以，设计出具有高强度和轻质化的碳纤维复合材料车用储氢罐对提高使用氢气过程中的安全性以及提高储氢罐的储氢性能具有十分重要的意义。1.2 氢能氢是宇宙中分布最广的元素，占宇宙质量的
22、百分之七十五。氢能为二次能源，可由一次能源制成。氢的燃烧热值高，是所有化石和化工燃料中除核能外发热值最高的燃料。氢的可燃范围十分广并且其燃烧速度极快。此外，氢燃烧反应后除了生成水和氨气外不会产生任何对有害的物质。现有的制氢方法诸如电解法，水煤气法和生物制氢等已经发展得比较成熟。通过CCS技术，碳捕捉技术将煤气化制氢过程中所产生的二氧化碳分离，再将其输送直海底或通过CCUS技术将产生的二氧化碳提纯以实现循环利用可以极大地降低煤气制氢中的碳排放国。此外，副产氢的回收再利用，利用太阳能制氢，用植物制氢，热化学制氢等技术均可提高氢的产率】叽现今，城市用车和短程公交车已经逐步开始推广氢能源汽车，氢能也是
23、实现远程运输脱碳方法中成本最低的一种之一。至2030年，在运输领域氢能需求量可达到715万吨/年12虱氢燃料电池汽车是实现氢能大规模运用的最佳表现形式。只有将氢气制备，氢气储运和氢能源电池技术的发展有机结合才能使其变得更加实用。而氢气储备研究则是氢气运用研究中的关键。1.3 国内外储氢技术发展现状近年来，氢能作为车用燃料的研究也取得了长足的进展。2006年宝马研制出氢动力轿车氢能7系，这使汽车工业向可持续发展迈出了第一步；丰田公司生产的Mirai型轿车，单次氢燃料加注仅需3min,最高时速175km/h,最长续航里程为600km（NEDC工况下丰田测试值），燃料电池低温启动温度可达-30C,寿
24、命超过5000h,其在2019年的进博会上展示的新一代MIRAIConcept,比现款的续航能力提升了30%,韩国现代汽车展示了NEXO氢燃料汽车能够在5分钟内充氢完毕，最大续航里程800公里，零下30c可启动，其中关键的是具有3个同样大小的储氢罐，每个储氢罐最多可以存储2.1千克氢气。1-2按照氢气的存储形式以及存储特点可以将储氢技术分为物理以及化学储氢。物理储氢技术主要有低温液化储氢，高压储氢，低温压缩储氢等，化学储氢技术主要有金属氢化物储氢，活性炭吸附储氢，碳纤维和碳纳米管储氢，有机液氢化物储氢，无机物储氢等网o衡量氢气储存技术先进性的主要指标为单位质量储氢密度，即储氢单元内所存储氢的质
25、量与整个储氢单元的质量之比，单位为wt%4o表1.1为上述各储氢发生的经济性比较表。表1.1四种储氢方式经济性的比较储氢方法使用成本储存成本能耗总成本总成本排序高压(P=20MPa)0.828.122.6511.592液化（20K）1.462.3615.3719.024金属氢化物（Fc-Ti）0.67.8445.4113.853吸附（AX-21）2.102.612.467.381150Kl5.4MPa金属氢化物储氢是指利用金属氢化物储氢材料，在适当的温度和压力下可逆地吸收和释放氢气5。其储氢原理是基于氢气分子与金属原子发生化学反应生成金属氢化物将氢以原子形式储存于合金之中，通过控制相平衡反应的
26、温度、压力和组成，来改变储氢量和放氢量，使反应可逆地进行吸氢和放氢循环。但是金属氢化物储氢的存储量较低并且储氢材料因为含有贵重金属，使得其成本很高。表1.2为氢化物的储氢特性的对比。表1.2部分氢化物的特性金属氢化物氢含鼠(wt%)分解压(atm)生成热(cal/molH?)LiH12.71(894()-43.3MgH27.61(290()-17.8M&NiHo3.6l(250*C)-15.4MgCaHa.725.55(350。-17.4CcMg12H4.03(325C)-alh310.1-2.7FlQinMDO.8H322.07(-10C)-6.1vh23.88(50*C)-9.6Vo.8T
27、io.2H1,63.1310(100()-11.8液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30%8,且存在蒸发损失这使得氢气液化成本高,能量损失大。且液氢易挥发，需要极好的绝热装置来隔热,导致液体贮存箱非常庞大。这显然不利于储氢设备在小型车辆上的安装。并且将液态氢气运用于小型轿车上会增加加氢站的建设费用。长期存储高压液态氢气对存储容器的要求极高。并且将大量的氢气进行加压液化会产生极大的能量损失。用于高压气态储氢的储氢罐的储氢密度要比其他储氢发生低很多。以钢为材料的储氢罐在15MPA的压力下，其储氢密度只有Iwt%。但是钢质压力容器技术成熟，成本
28、低,灌装速度快、能耗低，故仍被普遍采用10。虽然气态储氢方式的储氢密度低是其固有的问题，但是与其他两种储氢方式相比而言，高压气态储氢的应用范围十分地广泛并且气态储氢的成本比其他两种储氢方式所需的成本要低出许多。关于安全性，目前国际上已有GTR、ECE、SAE、GB等多个标准，其中关于压缩氢气储存系统性能验证的大类主要包括基本性能验证测试、性能耐久性验证测试(液压顺序测试)等测试11。郑津洋等12在分析车用高压储氢气瓶整体火烧试验方法局限性的基础上，系统研究局部火烧试验方法提出的技术理由、主要内容和特点。周崇波等13针对汽车用质子交换膜燃料电池(PEMFC),描述氢系统的组成，并对该系统中的关键
29、环节进行了综合的安全性分析。唐学志等14对储氢瓶模态和实车运行时的车顶加速度进行了测试，根据多轴疲劳理论分析了储氢瓶的疲劳特性。考虑压缩能耗，续驶里程，基础设施建设成本等因素，车载储氢系统的压力一般为35MPa-70MPa,体积储氢密度大于50kgm-315oDOE要求FCV汽车一次充氢量在5-7kg范围内，为满足高压，高强度的要求，使用气态储氢的储氢罐，到目前为止，已经有四种类型的储氢罐，即全金属材料储氢罐、金属内胆纤维环向缠绕储氢罐、金属内胆纤维全缠绕储氢罐、塑料内胆纤维全缠绕储氢罐。由于钢等金属材料在高压氢环境下的力学性能会因氢脆问题而严重下降16。虽然国内张鑫等16已经对高压储氢气瓶用
30、4130X钢在高压氢气环境下的拉伸性能与疲劳裂纹扩展速率测试进行了深入的研究，但由于国内外的钢种成分控制及热处理工艺不同，这使得对金属材料的氢脆性能试验结果有很大的不同17,如何解决金属材料的氢脆依然是个难题。所以由于存在氢脆问题，I型瓶、H型瓶已被证明不适用于商用车、乘用车，但是，我国已经可以大批量生产III型瓶，并应用于大巴车，公交车上；也有部分厂商已经研制出70MPa的HI型瓶，但其安全性还有待进一步的验证。关于IV型瓶，国内还没有出现相关的产品，有关的研究也较少，因此，对IV型瓶（塑料内胆纤维全缠绕气瓶）进行深入的研究和设计，并对其安全性能进行相关的验证将会对氢气的大规模应用和氢能源汽
31、车的发展具有深远的意义。1.4 本文的研究内容对碳纤维储氢罐的内胆材料和纤维等进行研究，对储氢罐的结构参数进行设计，以碳纤维储氢罐为研究对象确定其形状和尺寸，建立碳纤维汽车储氢罐的模型，进行单相流仿真，从而实现流场优化。针对高压氢气下的使用环境确定储氢罐塑料内胆的材料。研究铺层参数对产品力学性能等的影响规律，并在此基础上碳纤维复合材料储氢罐进行优化。19第二章碳纤维复合材料储氢罐结构设计2.1 材料的选择2.1.1 内胆储氢罐的内胆主要用来起存储氢气的作用，并不起承担气体压力的作用。所以，内胆所用的材料必须要对氢气具有很强的阻隔性,可以有效地防止氢气渗透,以免出现氢气的泄露，从而有爆炸的危险。
32、I型瓶，n型瓶，ni型瓶均是以金属作为内胆材料。但是在常温高压下，氢气会在金属表面吸附在金属中扩散，氢进入金属后，会使金属塑性下降，进而产生裂纹或滞后断裂。金属材料的合金成分，加工方法，热处理工艺以及合金所处环境湿度的变化，氢气压力，应变速率对氢脆敏感性均有较大的影响。TamuraM利用新设计和安装的设备，研究了氢气高压下氢容器候选材料的力学性能。发现铝合金AA6061-T6和316L型奥氏体不锈钢在45mpa气态氢中的拉伸性能、慢应变速率拉伸性能、疲劳性能和疲劳裂纹扩展性能与空气中测试的性能相似21。所以，出于对成本以及氢脆的考虑，一般会选用铝合金作为内胆。铝合金内胆必须是无缝柱体，并且对铝
33、合金的牌号也有严格的要求，铝合金材料的组成成分如下表2.1所示。铝合金必须经等级为T6的回火处理，内胆罐体可由冷挤压或热挤压冷拉制成。表2.1铝合金的组成成分成分铝合金6061最小最大%硅0.400.80铁0.70铜0.150.40猛0.15镁0.801.20铭0.040.35锌0.25碳0.15铅0.005翅0.005其它每个0.05其它总共0.15铝剩余IV型瓶的内胆采用的是工程热塑料内胆，工程热塑料内胆质量轻，成形容易，但基于对高分子材料的研究，如果只采用单种塑料，其对氢的阻隔作用十分有限，出于对加工工艺的考虑，所以本文采用五层结构的工程热塑料，以聚乙烯和尼龙为主要的树脂，将乙烯-乙烯醇
34、聚合物作为阻隔树脂。聚乙烯（PE）质量轻，具有优良的耐化学腐蚀性，耐冲击性能好，易于加工成型，并且聚乙烯是典型的软而韧的材料，因而可将内胆所受的力传递给承压层纤维，其力学性能随密度和结晶度的增加而提高。尼龙即聚酰胺（PA）强度高，耐磨性好，阻隔性较高但耐冲击性差。因此，聚乙烯和尼龙一起可以提供所需的机械强度，但是聚乙烯的表面是惰性的低能表面，黏附性差所以乙烯-乙烯醇聚合物（EVOH）在结构中就起到了使PE和PA相粘合的作用，并且EVOH本身对气体有优异的阻断作用。EVOH还具有极好的加工性，其机械强度，耐磨性和表面强度，由于其热稳定性好，所以含有EVOH的多层容器可以做到再生和再利用。所以，由
35、PA/EVOH/PE三种材料组合而成的改性树脂就可以在起到高阻隔，耐化学腐蚀作用的同时拥有极高的力学性能。考虑到受到的氢气压力较大，故采用PE/EVOH/PA/EVOH/PE五层结构。在具有较强的阻隔性的同时。还可使PA受PE层保护，以防止PA层吸水。2.2.2 纤维储氢罐的纤维层主要是用作承压层以承受压力载荷，因此必须要选用强度高的增强材料。常用的增强材料（Reinforcement）主要有三种：玻璃纤维，Kevlar纤维和碳纤维。玻璃纤维主要是由二氧化硅，氧化铝及各种金属氧化物所组成的硅酸盐产品。玻璃纤维抗腐蚀性好，耐高温，拉伸强度高，弹性系数高，吸水性好，加工性好，与树脂胶结性能好。但是
36、其性脆，耐磨性差，易受机械损伤。Kevlar纤维即芳香聚酰胺纤维（芳纶）最早是由美国杜邦公司研制的聚对苯二甲酰对苯二胺纤维。Kevlar的成型方法较多，主要有界面缩聚法，直接低温法，低温溶液缩聚法，酯交换反应和气相聚合法；成型工艺主要有两种，分别为两步法工艺和一步法制备。Kevlar纤维沿径向具有梯度皮芯结构，芯层中结晶体的排列近似于各向同性，皮层中结晶体的排列接近各向异性，因此其具有非常好的热稳定性，高强度和高模量22。碳纤维指含碳量在90%以上，由睛纶和粘胶纤维经高温碳化制成的纤维。早在1879年，爱迪生就以亚麻为原料制出碳纤维。二十世纪五十年代初，为了满足航空航天技术发展中对比强度和比模
37、量高的耐高温材料的需要。开始采用前驱纤维制造连续的碳纤维长丝。1956年美国研制出高模量粘胶基碳纤维，并将其投放入市场。二十世纪六十年代初,进藤昭男以聚丙烯晴为原料制成碳纤维。1964年，英国皇家航空研究中心制出高性能聚丙烯睛碳纤维,并进行工业化生产。1970年东丽公司和联合碳化物公司交换技术开发出高性能聚丙烯睛基碳纤维，随后东丽公司产品的性能不断提升，使得其处于世界领先地位。碳纤维比强度高，比模量高，抗腐蚀性好，耐高低温。图2.1所示为各种纤维的应力-应变曲线图，由图可看出碳纤维断裂时为一种脆性断裂状态，其断面截面积并不会缩小，而Kevlar纤维则是呈韧性断裂，断裂面有明显的收缩。同时图1也
38、可用来比较弹性模量的大小。衡量纤维力学性能的另一个指标为纤维的比强度和比模量。选用高比强度和高比模量的材料可以在保证罐体强度的同时，减小壁厚，降低质量，提高储氢密度。拉1*应变.%4320-奋备图2.1各纤维的应力-应变曲线综合比较玻璃纤维，Kevlar纤维和碳纤维的力学性能和加工工艺，选择碳纤维作为承压层的材料。本文将基于上伟（江苏）碳纤维复合材料有限公司所生产的环氧树脂基T700-12K单向预浸料的性能参数进行仿真分析。其固化后单层厚度为0.1mm,树脂含量为37%,其各项性能参数如表2.2所示。表2.2材料性能参数表氏X向1量Da杨模方/GT700-12K 121缩度方pao 压强Z向/
39、M10 缩度方pa82 压强X向/M10 伸度方pa拉强Z向/M29 伸度方pa31 拉强X向/M22 剪切强凝方向60 切度方pa剪强X向/M32 松Z向27 泊比方0.2 泊松比X方向M 氏量方pa6 杨模Z向/G&2.2.3 树脂树脂按性质分为热固性树脂和热塑性树脂。纤维复合材料多用热固性树脂作为基体。选用最多的树脂为聚酯树脂，环氧树脂和酚醛树脂。酚醛树脂是由酚类化合物和醛类化合物经缩聚反应制的的。酚醛树脂用作复合材料的基体时可以获得较高的耐热性，防腐蚀性和耐烧蚀性，但其主要用于电绝缘材料和耐烧蚀材料。环氧树脂种类繁多，在固化方面具有优异的性能，多用于黏合剂和用作纤维增强材料的基体。碳纤
40、维复合材料对树脂的要求主要有：树脂的分子量应适中，以防止影响树脂的性能；树脂的流动性和粘附性要好，以使树脂易于浸入纤维；树脂的挥发性要差，以免增加复合材料制件的空隙含量；树脂的固化温度和固化压力要低，固化所需的时间要短；树脂固化后的力学性能应较好，因为树脂固化后的性能会直接影响复合材料的力学性能，所以树脂应具有较好的延伸性，模量和强度。由于环氧树脂收缩率低，其固化过程中的收缩性很低;化学稳定性好，耐碱，耐酸，耐溶剂；其固化后具有优良的力学性能；其粘附性强，对各种物质均有较强的粘附力。因此，本文选用环氧树脂作为基体树脂。2.2结构参数的选择高压储氢罐的参数主要有压力容器设计所需要的压力，体积，内
41、径和储氢密度。储氢密度指储氢罐存储氢气的质量与整个储氢罐的质量之比。一般对车用移动式储氢罐的储氢密度的要求为3wt%。储氢罐的储氢压力与氢气的密度之间存在着直接联系，氢气的密度随着储氢压力的升高而升高，在30-40MPa的压力下，氢气密度的增长较快。国内也多采用35MPa压力的储氢罐。所以本文设计的储氢罐的标准储氢压力为35MPa,最大工作压力为40Mpao丰田Mirai车型的车身长度为4890mm,宽度为1815mm，高度为1535mm。该车型是氢能源汽车中具有代表性的车型，所以为了配合安装，本文中储氢罐的总体设计尺寸为：圆柱筒体内胆长度为500mm，内径为200mm，内胆厚度定为4mm。具
42、体尺寸如图2.2所示。计算得总容积为20L。（2-1）图1.2储氢罐总体尺寸图在规定工作压力40MPa的状态下，氢气将不再满足理想气体状态方程。本文根据彭-鲁滨逊状态方程计算40MPa下氢气的密度。P-R方程为：p_RTa,，）一三与-V*/bbWbb）式（2-1）中a3Z）=a（4Q（Z）i。（7；）=0.45724长2以化；Ii2a（0,7；）=l+K（l-7；3）K=0.37464+1.54226o-0.26992o2；b=0.07780些：临界性质：Tc=33.2K,Pc=1.30MPa,Vc=65X10-6cm3/mol23o设温度为27,得Vm=73.57cm3/mol所以氢气密度
43、为为27.18kg/m3。又由于储氢罐的有效容积为20L,由氢气密度得，氢气质量为：MH2=20X10-3X27.18=0.5436kgMm所以储氢罐系统（含氢气）质量M0=3wf%=0.5436kg/3wt%=18.12kgo所以本文中储氢罐所允许的最大质量为18.12-0.5436=17.5764kg,容积为20L。2.3 防撞保护层设计由于储氢罐是刚性地固定在汽车地板上，所以当汽车发生碰撞时，储氢罐也会受到一定的冲击载荷。又因为储氢罐在通常情况下都是安装在乘员舱后部，为了防止储氢罐受冲击载荷被破坏而产生氢气泄漏，以此可能引发氢气爆炸的风险,同时也为了防止储氢罐发生坠落时，罐体某一部分受到
44、冲击载荷，造成结构破坏，增加了日后使用时的风险，因此，本文还为储氢罐设计了防撞保护层。储氢罐的防撞保护层起到一种缓冲层的作用，其目的就是在储氢罐受到冲击时吸收其受到的冲击能量，将冲击能量转移到储氢罐的整个区域，以防止集中在一点受力。常用的缓冲吸能的材料主要有聚乙烯，聚氨酯泡沫和发泡聚苯乙烯等。但是，在增加铺设防撞保护层后，会影响承压层纤维的性能。所以，本文采用了另一种缓冲结构。该结构利用螺纹将承压层的塑料凸台与保护层相连接，这样就可以在保证纤维层力学性能的同时更有效地保护储氢罐的侧面和端部，具体的保护示意图如图2.4所示。同时，由于是螺纹连接，所以可以根据使用环境和使用工况更图2.4防撞层结构
45、及保护工作示意图2.4 本章小结本章主要介绍了碳纤维复合材料储氢罐的内胆，纤维和树脂的材料选择,最终选用了PE/EVOH/PA/EVOH/PE的五层内胆结构，选用碳纤维作为承压层的纤维材料，选用环氧树脂作为碳纤维增强复合材料的基体。根据车型的尺寸确定了储氢罐的总体尺寸，确定了储氢罐的容积为20L,设计的标准使用压力为35MPa,最大使用压力为40MPa,并根据储氢密度为3wt%的要求确定储氢罐的最大设计质量为17.5764kg。最后为了确保碳纤维复合材料储氢罐在碰撞或跌落的情况下能够保持结构完整不被破坏，设计了防撞层以吸收和传递其受到的冲击载荷。第三章碳纤维复合材料储氢罐单相流仿真分析3.1概
46、述第四章承压层铺层的简单优化设计4.1 基本优化思想长久以来。因为生产加工以及其他各种因素的限制，使得零件设计要靠以往大量累积的实践和设计经验来进行。一般的流程为先根据设计要求，通过累积的经验公式来确定材料和零件的尺寸大小。接着对其结构进行分析。主要是分析比较计算得出的各个方案的变形量，应力应变大小以及复合材料的失效情况。然后选出其中的最优解，确定其为设计方案。4.2 铺层角度对承压层力学性能的影响变形量0.000650.00060.000550.00050X)00450.00045。10152025。30。35040图4.1不同铺层角度时储氢罐的变形量图4.1为。角从5到40变化过程中碳纤维
47、复合材料储氢罐变形量的大小变化图。由图中可以清楚地发现折线在35。处出现了拐点，随着铺层角度的增大，纤维的失效情况会出现一种偏斜的情况，如果继续增大铺层角度，则很有可能会使偏斜的情况加剧，从而使纤维的受力情况变得更加复杂，容易出现偏斜。所以应该使用对称铺层的铺层方法，增加-35的铺层角度，以此来消除或是减轻这种偏斜的情况。4.5本章小结本章简述了一种比较常用的基本优化思想，在确定了储氢罐的基本结构形状和尺寸大小，碳纤维材料的材料属性，总共的铺层数量即碳纤维复合材料储氢罐的总质量不变的情况下，以铺层角度作为设计变量，通过研究铺层顺序对碳纤维复合材料储氢罐承压层的力学性能的影响发现随着0铺层的位置的改变，碳纤维复合材料储氢罐的总体变形量也在变化，并且随着0铺层距内胆的距离的增长，储氢罐的变形量呈减小的趋势。通过研究铺层角度对碳纤维复合材料储氢罐承压层力学性能的影响。发现在铺层角度为35左右的铺层角时储氢罐的变形量最小并且最终采用对称铺层的方法来减小因为铺层角度所产生的偏斜现象。第五章结论与展望5.1 总结本文对碳纤维复合材料储氢罐的内胆材料和纤维等进行研究，对储氢罐的结构参数进行设计，以碳纤维储氢罐为研究对象确定其形
