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作者:高級攻城獅,仿真秀專欄作者
自2015年聯合國巴黎氣候變化大會通過《巴黎協定》,約定改造化石燃料驅動的經濟后,以氫能源為核心的能源轉換成為各國政府、產業及各界人士迫在眉睫的戰略性議題。美、歐、日、韓等國家和地區紛紛布局氫能發展,而我國作為世界上最大的制氫國,氫能發展優勢顯著。
根據《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書》預測,到2020年,中國氫燃料電池汽車將達到1萬輛,行業產值達到3000億元;到2030年,氫燃料電池車輛保有量達到200萬輛,行業產值突破萬億元。在這場從碳經濟社會步入氫能源經濟社會的轉變過程中,氫燃料電池車將成為引領整體技術變革的核心支柱。
作為氫燃料電池車的核心部件,儲氫氣瓶的發展程度將直接決定車的續航能力。高壓儲氣瓶的發展始于20世紀 50年代,最早以金屬鋼瓶為主,因其笨重后改為鋁合金材料,此種氣瓶稱為全金屬氣瓶(I型);到了1970年代開始使用玻璃纖維纏繞鋼或鋁內襯來進一步減輕質量,此種氣瓶稱為金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶(II型);1980年代美國開始以碳纖維全纏繞增強鋁內襯使質量再得以減輕,此種氣瓶稱為金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(III型);1990年代美國開始以高密度聚乙烯作為內襯,外表面纏繞玻璃纖維或碳纖維來制造高壓氣瓶,其質量最輕,為非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶(IV型)。
圖1 Ⅰ~Ⅳ型高壓儲氣瓶對比
上述四種氣瓶類型如圖1所示。其中,I型、II型重容比大,難以滿足氫燃料電池汽車的儲氫密度要求。III型、IV型瓶因采用了纖維全纏繞結構,具有高性能、高單位質量儲氫密度等優點,目前已廣泛應用于氫燃料電池汽車。特別是IV型復合材料高壓儲氫氣瓶具有更輕的重量、更好的疲勞性能以及更便宜的價格成為國內外研究的重點。
IV型高壓儲氫氣瓶主要由塑料內襯、金屬接頭、碳纖維纏繞層、外保護層以及密封結構組成,如圖2所示。其中內襯主要起氣體密封和作為纏繞芯模的作用,基本不承受載荷。纖維纏繞層是采用連續碳纖維浸漬樹脂,按照鋪層設計工藝纏繞在芯模(內襯)上,然后通過固化處理得到,主要為氣瓶提供強度,保證氣瓶滿足設計的承載要求,因此復合材料氣瓶碳纖維纏繞層的結構設計成為車載復合材料氣瓶研制的重點與難點。
圖2 典型IV型高壓儲氫氣瓶結構示意圖
二、復合材料纏繞層結構設計方法
1、網格理論
由于基體樹脂的抗拉強度及抗拉模量只有纖維的2%-5%,且在氣瓶爆破時樹脂基體幾乎完全開裂,已無加強作用,所以在設計纖維纏繞層時忽略樹脂基體的作用,將氣瓶看作完全由纖維承擔載荷。這種忽略樹脂基體剛性、認為張力全部由纖維網絡承擔的設計理論稱為網格理論。國內外研究試驗表明,使用網格理論對復合材料氣瓶進行初步設計,計算出的爆破壓力比較準確。因此目前復合材料氣瓶的初步設計均使用網格理論作為計算依據。
網格理論存在兩個基本假設:
(1)均衡條件假設:假定纖維網格只進行相似性變化,保證纖維最大程度發揮自身強度。
(2)連續性假設:在氣瓶失效前,纖維與內襯之間始終保持連續且沒有任何相對滑動。
使用網格理論即默認這兩個條件。此外,纏繞工藝導致纖維厚度的分布有一定的規律,如纖維在氣瓶極孔處必須與極孔相切等,這些均通過方程和邊界條件的形式給出。
圖 3 纏繞線型示意圖
網格理論的基本假設中均衡條件假設,由靜力平衡條件得到:
式中P為內壓,MPa;R為筒身段半徑,mm。
由于網格理論中假設纖維承擔氣瓶的全部載荷,因此在靜力平衡時纖維應力與環向和螺旋向纖維張力之和相等,因此得到平衡方程:
式中,
為螺旋向纖維應力;
為環向纖維應力;
為螺旋向纖維厚度;
為環向纖維厚度。
依據以上平衡方程,可估算出復合材料氣瓶纏繞層的厚度、纏繞角度以及針對此進行纏繞層強度的校核。但是由于復合材料氣瓶封頭位置,由纏繞定理決定,復合材料層呈現變厚度變角度,難以采用網格理論進行計算,為大家研究的重點。
2、復合材料經典層合板理論
層板理論可以計算各單層板的力學性能,主要包括9個彈性與強度變量,可以通過給定的復合材料氣瓶的鋪層順序、層數以及鋪層方式對復合材料層的強度以及模量進行計算,具有較好的強度擬合性能。
但是應用層板理論的基礎數據一般采用層合板的性能,由于纏繞成型在制備層合板方便有一定的困難,測試的數據與實際纏繞過程有一定的差異性,并且層板理論計算過程較為復雜,特別是氣瓶的封頭部位,纖維纏繞角度與厚度隨著封頭尺寸存在較大差異,導致在其在工程實際應用過程中應用較少。
三、復合材料纏繞層的有限元分析
1、 Abaqus-WCM
ABAQUS WCM 模塊(Wound Composites Moldeler)用于三維纏繞復合材料壓力容器建模,可以準確預測復合材料纏繞壓力容器的性能,并與ABAQUS/CAE無縫連接。
該模塊中具有逐層建模能力,可以根據車載復合材料氣瓶封頭形貌,實現變角度變厚度的詳細建模,如下圖所示。
圖4 Abaqus-WCM復合材料氣瓶建模
該模塊中還具有專業完善的后處理功能,幫助分析結果的查看。并且具有自動生成UVARM功能,可以引入最大應力、最大應變以及hashin等復合材料失效準則對復合材料層強度進行失效判定。
圖5 Abaqus-WCM復合材料氣瓶各層應力分析
2、Ansys有限元分析軟件
ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發。它能與多數CAD軟件接口,實現數據的共享和交換,如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD等, 是現代產品設計中的高級CAE工具之一。Ansys軟件可以通過APDL參數化結構分析實現復合材料氣瓶的結構建模、載荷分析以及結構后處理,如圖6所示。
圖6 Ansys APDL參數化復合材料氣瓶建模
Ansys workbench ACP平臺專門用于復合材料層的建模以及有限云分析,可以通過ACP平臺中LOOK-UP TABLE功能實現復合材料氣瓶纏繞層的變角度以及變厚度建模,如下圖7所示。
圖7 Ansys workbench ACP平臺復合材料氣瓶建模
3、GENOA-FW有限元分析軟件
GENOA是美國AlphaSTAR公司開發的一款工程軟件套件,其中Filament Winding是GENOA軟件中專門針對復合材料纖維纏繞和布帶纏繞的一個模塊,簡稱GENOA-FW ,由于其具備COPVs的參數化建模、纖維纏繞結果模擬以及漸進失效算法等特點,使得COPVs從建模到纖維纏繞結果復現再到仿真計算實現了一體化,有效的解決了在纖維纏繞過程中封頭位置纖維角度變化以及厚度變化的工程問題,采用基于微觀力學模型下的漸進失效算法,可以準確模擬COPVs額定載荷下的損傷和失效,如圖8與圖9所示。
圖8 復合材料氣瓶根據纏繞定律建模
圖9 復合材料氣瓶漸進損傷分析
四、纏繞工藝仿真與強度校核一體化平臺
1、 CADWIND與COMPOSITE STAR平臺
CADWIND軟件為比利時材料工程有限公司(MATERIAL)開發,是世界上廣泛應用的纖維纏繞工藝設計模擬軟件。最早的CADWIND軟件版本發布于1990年,至今已經有近30年的軟件應用歷史。
CADWIND軟件是一個集成CAD/CAM/CAE于一體的專業纖維纏繞工藝設計模擬系統。主要功能包括層合結構復合材料的材料設計、纖維纏繞線型設計、機床纏繞程序計算、纏繞產品的結構強度計算,真正實現了從材料到產品的全流程的設計仿真功能。
它可以幫助用戶實現不同鋪層結構的復合材料剛度、強度、失效過程計算,提供不同纏繞線型設計分析功能,準確掌握纖維滑紗、纖維架空等可纏繞性工藝分析,了解纏繞角度和纏繞層厚度的分布情況;時時動態的纏繞過程機床動態仿真功能,避免機床運動干涉,提高纏繞效率和優化纏繞程序。其復合材料氣瓶的纏繞模塊如圖10所示。
圖10 CADWIND復合材料氣瓶纏繞成型
復合材料設計和計算模塊COMPOSITE STAR是CADWIND軟件設計包的一部分,如圖11所示。它采用數據庫管理模式,可以基于纖維和樹脂的材料力學性能,通過復合材料細觀力學計算方法進行單層板材料的力學性能計算;復合材料設計計算采用毯式圖方法,依據層合材料的剛度、柔度等材料性能參數(許用值),進行鋪層角度、鋪層比例的設計計算;另外,它可以進行載荷作用下的層合材料的強度計算、依據適合的強度準則、材料失效模式和材料失效位置進行強度比計算和失效過程計算分析。
材料失效準則包括最大應力強度準則、最大應變強度準則、蔡—希爾失效準則(Tsai-Hill theory)、霍夫曼失效準則(Hoffman criterion)、蔡—胡張量準則(Tsai-Wu tensor theory)、Puck失效準則(簡單Puck失效準則,改進Puck失效準則)、Hashin等失效準則;材料失效模式包括FF纖維斷裂和IFF層間失效兩種模式;材料失效過程計算可以依據材料使用性能要求選擇第一層失效、第一層纖維失效和最后一層纖維失效,進行層合材料設計。
圖11 COMPOSITE STAR進行復合材料氣瓶強度校核
2、Composicad與ESACOMP平臺
根據賽福特公司及Skinner & Associates集團,該軟件其人性化的設計,能使部件加工程序員快速地制作出所需的部件。該軟件聚焦在零件級,而不是目前多數軟件所聚焦的獨立的層次分級。ComposicaD軟件可用于所有類型的數控纖維纏繞機,并產生輸出圖案。該軟件還具有控制其他參項的能力,這些參項伴隨整個纏繞過程,其中包括纖維張力、樹脂池溫度、心軸壓力以及其他參項。
ComposicaD軟件使用許多改進了的算法來計算纖維路徑和機器的運作,它包含了一個材料數據庫,是關于常用纖維帶設置的,其中包括帶寬、帶厚度、最大滑移潛力、帶密度、成本及其他參數。這些參數用來計算層壓的重量、用過的纖維的長度、消費成本以及纏繞的時間。這些都是以整個部件為基礎并且用于獨立的薄層。所以ComposicaD軟件作為復合材料氣瓶的纏繞軟件具有獨特的優勢,其纏繞氣瓶線型如圖12所示。
圖12 ComposicaD復合材料氣瓶纏繞模擬
ComposicaD軟件可生成直接用于ESACOMP軟件的文件,通過ESACOMP軟件可快速實現復合材料氣瓶在內壓下的應力以及應變分析,并且可引入各種失效判據,對復合材料氣瓶復合材料層進行爆破壓強的預測,如圖13所示。
圖13 Composicad與ESACOMP平臺復合材料層分析
五、未來展望
隨著復合材料理論及軟件技術的發展,復合材料氣瓶纏繞成型技術、結構設計以及有限元技術發展較快,呈現纏繞工藝仿真-結構設計-有限元分析技術一體化趨勢,但目前國內起步較晚,特別是有限元分析軟件較為落后,會嚴重阻礙國內復合材料氣瓶的技術進步,為未來重要的發展方向之一。
由于篇幅有限,筆者沒有在這里分享自己車載儲氫復合材料氣瓶結構設計與有限元分析的案例——35MPa高壓車載儲氫氣瓶結構設計,當前播放量超過1800+,感興趣的朋友可以關注我在仿真秀平**家發布是視頻教程,目前已經更新完整,有試看(見下午介紹)。
六、我的精品課-儲氫高壓復合材料氣瓶結構設計10講
2020年4月,我在仿真秀官網和APP發布了一套基于《35MPa高壓車載儲氫氣瓶結構設計》精品系列課。屬于工程實例產品教程,希望對學習型仿真工程師有所幫助。
作者:高級攻城獅,仿真秀專欄作者
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