本發(fā)明涉及有限元模擬，尤其涉及一種復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法。

背景技術(shù)：

1、氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到世界各國(guó)的重視，氫能儲(chǔ)運(yùn)是氫能產(chǎn)業(yè)中連接上游制氫和下游用氫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是較為成熟的儲(chǔ)氫方案，采用聚合物內(nèi)膽的復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶以其更輕的質(zhì)量和更高的儲(chǔ)氫密度廣泛應(yīng)用在車載儲(chǔ)氫等場(chǎng)景。

2、在復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶服役的過程中，高壓氫氣會(huì)在其聚合物內(nèi)膽中溶解和擴(kuò)散占據(jù)內(nèi)膽中微小裂紋等缺陷，在氣瓶快速泄壓的過程中，積聚在內(nèi)膽中的高壓氫氣來不及釋放，造成內(nèi)膽材料破裂，形成鼓泡損傷。內(nèi)膽發(fā)生鼓泡損傷后其機(jī)械性能和阻氫性能下降，氫氣更容易在內(nèi)膽中擴(kuò)散，導(dǎo)致氣瓶發(fā)生氫氣泄漏，給氣瓶的使用安全造成威脅。

3、建立復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法，有助于研究復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)膽結(jié)構(gòu)的鼓泡情況以及內(nèi)膽鼓泡的影響因素，對(duì)內(nèi)膽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣瓶使用工況的確定有著重要的工程意義。但是，目前關(guān)于復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶的有限元仿真研究主要集中在高壓儲(chǔ)氫環(huán)境下的破損、老化、斷裂、滲透等方面的缺陷研究，目前尚未見到針對(duì)內(nèi)膽鼓泡損傷的研究成果。

4、因此，本發(fā)明擬提出針對(duì)儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)膽鼓泡以及考慮鼓泡內(nèi)氫氣壓力下降因素的鼓泡演化有限元仿真方法，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法。

2、為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：

3、提供一種復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法，包括以下步驟：

4、(1)作為有限元仿真研究對(duì)象的儲(chǔ)氫氣瓶，包括聚合物內(nèi)膽和包裹于內(nèi)膽外側(cè)的碳纖維復(fù)合材料纏繞層；從儲(chǔ)氫氣瓶上取樣，對(duì)內(nèi)膽材料進(jìn)行拉伸、斷裂力學(xué)和氫氣滲透試驗(yàn)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行拉伸和氫氣滲透試驗(yàn)，獲取內(nèi)膽材料和碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)；

5、(2)利用內(nèi)膽材料和碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)建立局部氣瓶氫氣滲透模型，獲得氫氣滲透壓隨內(nèi)膽厚度變化關(guān)系曲線；

6、(3)建立聚合物內(nèi)膽含有缺陷裂紋的復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶有限元模型；該模型由含有缺陷裂紋內(nèi)膽三維模型、瓶閥座三維模型以及外層碳纖維纏繞層裝配而成，三種模型相互作用面之間添加硬接觸；

7、在缺陷裂紋內(nèi)膽三維模型中引入位于內(nèi)膽表面以下的深度缺陷，缺陷類型是氣孔類空腔缺陷或裂紋缺陷；對(duì)于氣孔類空腔缺陷，進(jìn)一步引入貫穿其空腔壁的初始裂紋；

8、根據(jù)內(nèi)膽中氫氣滲透壓隨內(nèi)膽厚度變化關(guān)系曲線，對(duì)內(nèi)膽中相應(yīng)深度的缺陷中施加氫氣壓力載荷，內(nèi)膽鼓泡過程視為準(zhǔn)靜態(tài)裂紋擴(kuò)展；

9、(4)應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)理論求解缺陷裂紋前沿區(qū)域的j積分值，如求解結(jié)果大于臨界值jcr，視為內(nèi)膽發(fā)生鼓泡；

10、進(jìn)一步應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)理論求解缺陷裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子ki，如求解結(jié)果大于內(nèi)膽材料斷裂韌性kic，視為鼓泡在進(jìn)一步演化；

11、(5)在鼓泡演化過程中，考慮缺陷內(nèi)氫氣向外滲透和缺陷體積增大對(duì)鼓泡內(nèi)壓力下降的影響，并在每個(gè)裂紋擴(kuò)展步驟中對(duì)鼓泡內(nèi)的氫氣壓力進(jìn)行更新。

12、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(1)中獲取的內(nèi)膽材料和碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)，至少包括：內(nèi)膽真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比、斷裂韌性kic、j-r曲線、內(nèi)膽厚度，以及內(nèi)膽和復(fù)合材料纏繞層的氫擴(kuò)散系數(shù)與溶解度系數(shù)；進(jìn)一步地，依據(jù)j-r曲線選取合適裂紋尺寸對(duì)應(yīng)的j積分值作為鼓泡發(fā)生臨界值jcr。

13、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(2)中，建立局部氣瓶氫氣滲透模型時(shí)，選擇該局部氣瓶的形狀為圓片形。

14、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(3)的氣孔類空腔缺陷或裂紋缺陷中，其裂紋的擴(kuò)展方向與氣瓶軸向平行，裂紋類型為圍線積分；針對(duì)裂紋尖端奇異性的處理模式為退化單元控制，使用塌陷單元邊，重復(fù)節(jié)點(diǎn)。

15、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(3)中裂紋前沿積分體網(wǎng)格為楔形單元且圍繞裂紋尖端環(huán)形排列，單元類型為c3d20r，圍繞裂紋前沿尖端進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，形成包圍裂紋前沿尖端的嵌套積分體形式；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，不斷縮小最里層積分體大小，直到得到的j積分值大小趨于穩(wěn)定且為正值。

16、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(3)中，對(duì)內(nèi)膽中的深度缺陷氫氣壓力施加載荷時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)氫氣壓力為一段時(shí)間內(nèi)氣瓶泄壓后的終了壓力。

17、作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟(5)中，在鼓泡演化過程中，按照如下方法計(jì)算鼓泡內(nèi)的氫氣壓力下降：

18、(5.1)將空腔缺陷近似成半徑為rvoid的球體，對(duì)泄壓時(shí)間段內(nèi)氫氣由空腔向外擴(kuò)散的濃度分布曲線c(r)進(jìn)行積分，獲得進(jìn)入內(nèi)膽中的氫氣含量；

19、(5.2)考慮缺陷體積增大造成的鼓泡內(nèi)壓力下降，空腔內(nèi)的高壓氫氣采用abel-nobel狀態(tài)方程計(jì)算真實(shí)氣體的壓縮因子z；

20、d1：在每一步計(jì)算中，先利用當(dāng)前步鼓泡內(nèi)壓力pi計(jì)算壓縮因子zi，再計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子ki；若計(jì)算結(jié)果經(jīng)比較后裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，則限定在下一個(gè)擴(kuò)展步中的裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度小于當(dāng)前裂紋尺寸的設(shè)定比例值；

21、d2：將空腔缺陷的體積設(shè)定為近似微小長(zhǎng)方體，計(jì)算鼓泡形成的空腔缺陷的體積v；

22、d3：計(jì)算鼓泡過程的第i個(gè)裂紋擴(kuò)展步中的鼓泡缺陷內(nèi)氫氣壓力；

23、(5.3)重復(fù)步驟d1-d3的計(jì)算過程，直到鼓泡時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子ki小于材料的斷裂韌性kic，此時(shí)鼓泡過程結(jié)束。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

25、1、本發(fā)明通過在內(nèi)膽中引入初始缺陷裂紋，并限定裂紋形態(tài)、定義、計(jì)算方式，采用斷裂力學(xué)分析手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡的仿真；首先使用彈塑性斷裂力學(xué)理論對(duì)鼓泡發(fā)生進(jìn)行判定，再使用線彈性斷裂力學(xué)理論并考慮缺陷內(nèi)壓力降低對(duì)鼓泡演化過程影響進(jìn)行仿真，貼合實(shí)際鼓泡發(fā)生物理過程，具有較高的準(zhǔn)確性。

26、2、本發(fā)明能夠解決復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶高壓氫環(huán)境下內(nèi)膽鼓泡試驗(yàn)成本高及條件限制問題，對(duì)內(nèi)膽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣瓶使用工況參數(shù)確定具有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(1)中獲取的內(nèi)膽材料和碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)，至少包括：內(nèi)膽真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線、彈性模量、屈服強(qiáng)度、泊松比、斷裂韌性kic、j-r曲線、內(nèi)膽厚度，以及內(nèi)膽和復(fù)合材料纏繞層的氫擴(kuò)散系數(shù)與溶解度系數(shù)；進(jìn)一步地，依據(jù)j-r曲線選取合適裂紋尺寸對(duì)應(yīng)的j積分值作為鼓泡發(fā)生臨界值jcr。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)中，建立局部氣瓶氫氣滲透模型時(shí)，選擇該局部氣瓶的形狀為圓片形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)的氣孔類空腔缺陷或裂紋缺陷中，其裂紋的擴(kuò)展方向與氣瓶軸向平行，裂紋類型為圍線積分；針對(duì)裂紋尖端奇異性的處理模式為退化單元控制，使用塌陷單元邊，重復(fù)節(jié)點(diǎn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中裂紋前沿積分體網(wǎng)格為楔形單元且圍繞裂紋尖端環(huán)形排列，單元類型為c3d20r，圍繞裂紋前沿尖端進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，形成包圍裂紋前沿尖端的嵌套積分體形式；對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，不斷縮小最里層積分體大小，直到得到的j積分值大小趨于穩(wěn)定且為正值。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，對(duì)內(nèi)膽中的深度缺陷氫氣壓力施加載荷時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)氫氣壓力為一段時(shí)間內(nèi)氣瓶泄壓后的終了壓力。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(5)中，在鼓泡演化過程中，按照如下方法計(jì)算鼓泡內(nèi)的氫氣壓力下降：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟(5.1)中，按下式計(jì)算由空腔向內(nèi)膽中滲透的氫氣含量：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟d2中，按下式計(jì)算鼓泡形成的空腔缺陷的體積v：

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述步驟d3中，按下式計(jì)算鼓泡演化過程中缺陷內(nèi)氫氣壓力：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及有限元模擬技術(shù)，旨在提供一種復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶聚合物內(nèi)膽鼓泡有限元仿真方法。包括：測(cè)試儲(chǔ)氫氣瓶?jī)?nèi)膽和外層復(fù)合材料的性能參數(shù)；建立局部氣瓶氫氣滲透模型，獲得氫氣滲透壓隨內(nèi)膽厚度變化關(guān)系曲線；建立聚合物內(nèi)膽含有缺陷裂紋的復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶有限元模型，引入位于內(nèi)膽表面以下的深度缺陷；以內(nèi)膽發(fā)生鼓泡為界，分別應(yīng)用彈塑性斷裂力學(xué)理論求解缺陷裂紋前沿區(qū)域的J積分值，以及應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)理論求解缺陷裂紋前沿的應(yīng)力強(qiáng)度因子；在鼓泡演化過程中，考慮缺陷內(nèi)氫氣向外滲透和缺陷體積增大對(duì)鼓泡內(nèi)壓力下降的影響，并在每個(gè)裂紋擴(kuò)展步驟中對(duì)鼓泡內(nèi)的氫氣壓力進(jìn)行更新。本發(fā)明貼合實(shí)際鼓泡發(fā)生物理過程，具有較高的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：花爭(zhēng)立,時(shí)浩,彭文珠,齊智鵬,李奇楠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14