CN116825257B - 储氢瓶疲劳特性预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种储氢瓶疲劳特性预测方法及系统。本发明的预测方法包括：氢介质条件下储氢瓶充放氢热力学试验；建立储氢瓶热力学模型；储氢瓶热应力试验；建立储氢瓶热应力有限元仿真模型；获取不同温度下纤维材料特性与失效行为、基体材料特性与失效行为、纤维‑基体界面材料特性与失效行为及复合材料层间脱粘特性；建立复合材料微观等效体积单元有限元模型；不同温度下层合板疲劳失效试验；建立热力耦合下多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型；建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型；储氢瓶疲劳试验；储氢瓶疲劳特性的预测。本发明可以准确地预测氢‑热‑力耦合条件下的储氢瓶疲劳失效行为。
Description
技术领域
本发明涉及氢安全领域，尤其是一种氢热力动态耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法及系统。
背景技术
高压储氢是现有技术成熟度高、应用广泛的储氢方式之一，复合材料缠绕内胆的储氢瓶是氢能储存、运输的关键装备，也是氢能大规模应用的核心装备。储氢瓶失效会造成人身伤亡与财产损失，影响储氢系统规模化应用的进程。
储氢瓶失效主要有爆炸与疲劳失效，对于其失效模式，主要有纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效与复合材料层间脱粘4种，储氢瓶在充放氢的过程中由于汤姆-焦耳逊效应会产生温度急剧上升或下降，这种温度急剧变化通过两种途径影响储氢瓶疲劳寿命，（1）储氢瓶温度变化导致储氢瓶内胆与复合材料层产生热应力；（2）储氢瓶温度变化导致储氢瓶复合材料属性发生变化，进而影响储氢瓶的4种失效模式，导致储氢瓶疲劳失效。前期对储氢瓶疲劳失效的预测方法主要存在以下不足：（1）进行储氢瓶失效预测时，一般仅考虑纤维断裂与基体开裂两种失效模式，缺乏全面考虑纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效与层间脱粘四种模式进行分析；（2）储氢瓶疲劳失效预测一般在稳态条件下进行，没有考虑动态充放气过程中储氢瓶内部温度场变化导致的失效模式的变化。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种氢热力动态耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法及系统，其全面考虑纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效与层间脱粘4种失效模式，结合流体动力学分析和热应力分析方法，实现氢热力动态耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测，有效提升储氢瓶的疲劳预测精度，进一步提高储氢瓶的安全性。
为此，本发明采用如下的一种技术方案：一种储氢瓶疲劳特性预测方法，其包括步骤：
S1，氢介质条件下储氢瓶充放氢热力学试验，获取温度场分布特性；
S2，建立储氢瓶热力学模型，利用S1获取的数据进行模型有效性验证；
S3，进行储氢瓶热应力试验，在储氢瓶内外施加恒温温度场，测量储氢瓶的内外壁、储氢瓶复合材料层与铝制内胆的应变特性，获取热应力分布特性；
S4，建立储氢瓶热应力有限元仿真模型，利用S3获取的数据进行模型有效性验证；
S5，获取不同温度下纤维材料特性与失效行为、基体材料特性与失效行为、纤维-基体界面材料特性与失效行为及复合材料层间脱粘特性；
S6，利用S5得到的材料特性，建立复合材料微观等效体积单元有限元模型；
S7，进行不同温度下层合板疲劳失效试验，获取不同温度下不同铺层方式层合板的疲劳失效特性；
S8，利用S6中复合材料微观等效体积单元有限元模型，建立热力耦合下多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，利用S7中获取的不同温度下层合板疲劳失效特性数据进行模型有效性验证；
S9，结合储氢瓶热力学模型仿真得到的温度场分布特性、储氢瓶热应力有限元仿真模型仿真得到的热应力分布特性和多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型；
S10，进行氢热力耦合下储氢瓶疲劳试验，验证S9得到模型的有效性；
S11，在不同充放气速率及不同温度场下，利用S9得到的模型进行储氢瓶疲劳特性的预测。
进一步地，步骤S1中，以氢气作为充放介质，在设定的压力与流量的条件下进行储氢瓶的充放氢热力学试验，获取储氢瓶充放气过程中瓶内的温度场分布特性，试验时需要在储氢瓶内外侧布置多个温度传感器组成的温度传感器阵列。
进一步地，步骤S2中，基于流体动力学软件，建立储氢瓶热力学模型，在储氢瓶瓶口施加氢气的压力与流量，设置复合材料层与铝制内胆的热传导系数，考虑汤姆逊-焦耳效应，进行储氢瓶三维流体动力学与热力学仿真分析，并与试验进行对比，若温度场仿真精度≥90%，则认为储氢瓶热力学模型有效，否则调节传热特性，直至储氢瓶热力学模型有效为止。
进一步地，所述的步骤S3，在储氢瓶热应力试验中，以不同温度的水为介质，施加温度载荷，并在多个位置、多个铺层中分布式布置光纤应变传感器，在储氢瓶表面与内胆内部布置分布式应变片，获取储氢瓶不同温度下的应变特性。
进一步地，步骤S4中，建立储氢瓶热应力有限元仿真模型时，设置储氢瓶热膨胀系数，在储氢瓶铝制内胆与复合材料层上施加均布热载荷，获取储氢瓶热应变，通过S3中的试验进行对标，若储氢瓶热应力有限元仿真模型应变的仿真精度≥90%，则认为储氢瓶热应力有限元仿真模型有效，否则调节储氢瓶热应力有限元仿真模型中的热膨胀参数，直至储氢瓶热应力有限元仿真模型有效为止。
进一步地，步骤S5中，通过不同温度下纤维拉伸试验获取纤维的材料特性与失效行为，通过不同温度下基体拉伸试验获取基体的材料特性与失效行为，通过不同温度下纤维抽丝试验获取纤维-基体界面的材料特性与失效行为，通过不同温度下的复合材料层间脱粘试验获取层间脱粘特性，为仿真提供材料属性基础。
进一步地，步骤S6中，所述的复合材料微观等效体积单元有限元模型由纤维-基体与界面粘接层组成，通过cohesive单元模拟纤维-基体界面失效，并将S5中获取的材料特性施加到复合材料微观等效体积单元有限元模型中。
进一步地，步骤S7中，宽温域层合板疲劳失效试验时，设置不同的铺层模式体现不同失效模式主导的层合板疲劳失效行为，通过[90]2的层合板拉伸失效验证纤维失效预测的精度，通过[0]2的层合板拉伸失效验证基体失效预测的精度，通过[±45]2的层合板拉伸失效验证纤维-基体界面失效预测的精度与复合材料层间脱粘预测的精度。
进一步地，步骤S8中，通过与试验对比获取准确的材料特性，结合S6中的复合材料微观等效体积单元有限元模型与宏观层合板有限元模型，建立多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，在层合板之间添加层间脱粘失效，在两端施加循环载荷，通过复合材料微观等效体积单元有限元模型模拟材料的杨氏模量与疲劳退化特性，通过宏观层合板有限元模型模拟层合板结构的应力-应变响应与失效行为；通过与S7中的试验进行对比，验证多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型的中材料属性设置的有效性与对纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效、层间脱粘4种不同失效模式仿真的准确性。
进一步地，步骤S9中，对于有限元仿真中的每一个增量步，基于S2中的储氢瓶热力学模型进行热力学仿真，获取该增量步条件下的储氢瓶充放氢阶段温度场分布特性；同时，将该温度场分布特性施加到S4中的储氢瓶热应力有限元仿真模型中，获取储氢瓶的热应力分布特性；然后，基于S8中获取的具有温度依赖性的复合材料材料属性，建立储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，将仿真所得的温度场分布特性与热应力分布特性作为热载荷与应力载荷施加到模型中，形成氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型。模型中考虑了温度对材料特性、不同尺度的失效行为与热应力特性的多重作用。
进一步地，步骤S10中，用氢气作为介质，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶疲劳特性试验，在储氢瓶内外壁布置多个温度传感器测量储氢瓶内温度分布，在储氢瓶内外壁布置多个应变传感器测量储氢瓶应变分布，在储氢瓶径向与轴向瓶身处测量位移特性，并进行S9中模型的验证，若模型对疲劳寿命的精度≥90%，温度分布的精度≥90%，应变分布的精度≥80%，则模型有效，否则重新调整模型参数。
进一步地，所述步骤S11具体为：在不同储氢瓶充放速率和不同的温度场条件下，利用储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型进行储氢瓶疲劳特性的预测，重点分析储氢瓶疲劳循环次数和储氢瓶疲劳循环后的残余爆炸压力。
本发明采用的另一种技术方案为：一种储氢瓶疲劳特性预测系统，其用于实现上述多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明通过氢介质条件下复合材料储氢瓶充放氢热力学试验，获取储氢瓶充放气时的热动力学分布特性，通过复合材料缠绕储氢瓶热力学模型进行储氢瓶热力学的准确预测；进而开展储氢瓶热应力试验，并通过模型准确地获取储氢瓶的热应力分布；通过不同温度条件下纤维失效特性、基体失效特性、纤维-基体界面失效特性与复合材料层间脱粘试验，获取储氢瓶的材料属性与失效特性，通过储氢瓶复合材料微观等效基体单元有限元模型实现了四种失效特性的准确预测，并通过层合板疲劳失效试验进行了验证；结合储氢瓶热力学分析与热应力分析，建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，通过试验验证模型的有效性。
本发明有效提升了充放气动态工况下储氢瓶疲劳特性的预测精度，进一步提升了储氢瓶的安全性。
附图说明
图1为本发明多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法的原理图；
图2为本发明储氢瓶复合材料微观等效体积单元有限元模型图；
图3为利用本发明储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型得到的疲劳特性仿真图；
图4为本发明应用例中的储氢瓶循环工况图；
图5为本发明应用例中残余特性爆炸图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例提供一种氢热力耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法，如图1所示，其采用的步骤如下：
S1，氢介质条件下储氢瓶充放氢热力学试验，获取温度场分布特性；
S2，建立储氢瓶热力学模型，利用S1获取的数据进行模型有效性验证；
S3，进行储氢瓶热应力试验，在储氢瓶内外施加恒温温度场，测量储氢瓶的内外壁、储氢瓶复合材料层与铝制内胆的应变特性，获取热应力分布特性；
S4，建立储氢瓶热应力有限元仿真模型，利用S3获取的数据进行模型有效性验证；
S5，获取不同温度下纤维材料特性与失效行为、基体材料特性与失效行为、纤维-基体界面材料特性与失效行为及复合材料层间脱粘特性；
S6，利用S5得到的材料特性，建立复合材料微观等效体积单元有限元模型；
S7，进行不同温度下层合板疲劳失效试验，获取不同温度下不同铺层方式层合板的疲劳失效特性；
S8，利用S6中复合材料微观等效体积单元有限元模型，建立热力耦合下多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，利用S7中获取的不同温度下层合板疲劳失效特性数据进行模型有效性验证；
S9，结合储氢瓶热力学模型仿真得到的温度场分布特性、储氢瓶热应力有限元仿真模型仿真得到的热应力分布特性和多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型；
S10，进行氢热力耦合下储氢瓶疲劳试验，验证S9得到模型的有效性；
S11，在不同充放气速率及不同温度场下，利用S9得到的模型进行储氢瓶疲劳特性的预测。
上述多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法的具体实施过程如下：
步骤S1：以氢气作为充放介质，在设定的压力与流量的条件下进行储氢瓶的充放氢热力学试验，获取储氢瓶充放气过程中瓶内的温度场分布特性。试验的关键在于需要在储氢瓶内外侧布置多个温度传感器组成的温度传感器阵列。
步骤S2：基于流体动力学软件，建立复合材料缠绕储氢瓶的热力学模型，在储氢瓶瓶口施加氢气的压力与流量，设置复合材料层与铝制内胆的热传导系数，考虑汤姆逊-焦耳效应，进行储氢瓶三维流体动力学与热力学仿真分析，并通过与试验进行对比，若对于温度场仿真精度≥90%，则认为模型有效，否则调节传热特性，直至模型有效为止。
步骤S3：进行储氢瓶热应力试验，在储氢瓶内外施加恒温温度场，测量储氢瓶的内外壁、复合材料层与储氢瓶内胆间的应变特性。在储氢瓶热应力试验中，以不同温度的水为介质，施加温度载荷，并在多个位置、多个铺层中分布式布置光纤应变传感器，在储氢瓶表面与内胆内部布置分布式应变片，获取储氢瓶不同温度下的应变特性。
步骤S4：建立储氢瓶热应力有限元仿真模型，设置储氢瓶热膨胀系数，在储氢瓶内胆与复合材料缠绕层上施加均布热载荷，获取储氢瓶热应力，通过步骤S3中的试验进行对标，若有限元模型应变的仿真精度≥90%，则认为模型有效，否则调节模型的中热膨胀参数，直至模型有效为止。
步骤S5：通过不同温度下纤维拉伸试验获取纤维的材料特性与失效行为，通过不同温度下基体拉伸试验获取基体的材料特性与失效行为，通过不同温度下纤维抽丝试验获取纤维-基体界面的材料特性与失效行为，通过不同温度下的层间脱粘试验获取复合材料层间粘接特性，为仿真提供材料属性基础。
步骤S6：为准确模拟储氢瓶材料微观失效，建立储氢瓶复合材料微观等效体积单元有限元模型（如图2），该模型由纤维-基体与界面粘接层组成，通过cohesive单元模拟纤维-基体界面失效，并将步骤S5中获取的材料特性施加到储氢瓶复合材料微观等效体积单元有限元模型中。
步骤S7：开展不同温度下层合板疲劳失效试验，试验的关键在于设置不同的铺层模式体现不同失效模式主导的层合板疲劳失效行为，通过[90]2的层合板拉伸失效验证纤维失效预测的精度，通过[0]2的层合板验证基体失效的精度，通过[±45]2的层合板验证界面失效的精度与层间脱粘的精度。
步骤S8：建立热力耦合多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型。通过与试验对比获取准确的材料特性，关键在于结合步骤S6中的复合材料微观等效体积单元模型与宏观层合板有限元模型，建立多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，在层合板之间添加层间脱粘失效，在两端施加循环载荷，通过等效体积单元模型模拟材料的杨氏模量与疲劳退化特性，通过层合板有限元模型模拟层合板结构的应力-应变响应与失效行为。通过与步骤S7中的试验进行对比，验证模型的中材料属性设置的有效性与对纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效、层间脱粘4种不同失效模式仿真的准确性。
步骤S9：建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，关键点对于有限元仿真中的每一个增量步，基于步骤S2中的模型进行热力学仿真，获取该增量步条件下的储氢瓶充放氢阶段温度场分布特性；同时，将该温度场分布特性施加到步骤S4中储氢瓶热应力有限元模型中，获取本步骤中储氢瓶的热应力分布特性；然后，基于步骤S8中获取的具有温度依赖性的复合材料材料属性，建立储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，将仿真所得的温度场分布特性与应力场特性作为热载荷与应力载荷施加到模型中，形成氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，模型中考虑了温度对材料特性、不同尺度的失效行为与热应力特性的多重作用（疲劳特性仿真结果如图3）。
步骤S10：用氢气作为介质，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶疲劳特性试验，在储氢瓶内外壁布置多个温度传感器测量储氢瓶内温度分布，在储氢瓶内外壁布置多个应变传感器测量储氢瓶应变分布，在储氢瓶径向与轴向瓶身处测量位移特性，并进行步骤S9中模型的验证，若模型对疲劳寿命的精度≥90%，温度分布的精度≥90%，应变分布的精度≥80%，则模型有效，否则重新调整模型参数。
步骤S11：在不同储氢瓶充放速率、不同的温度场条件下进行储氢瓶疲劳特性的预测，重点分析储氢瓶疲劳循环次数和储氢瓶疲劳循环后的残余爆炸压力。
本实施例还提供一种氢热力耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测系统，其用于实现上述的多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法。
应用例
本发明的氢热力耦合下多尺度多失效模式储氢瓶疲劳特性预测方法，基于宁波慈溪氢能示范工程中的碳纤维缠绕铝制内胆高压储氢瓶为例，验证储氢瓶疲劳寿命预测的可行性。其中，储氢瓶复合材料初始与退化的相关参数如表1-表4所示，铝制内胆的材料特性如表5所示。其中E11、E22、E33分别为纵向、横向与垂向模量，G12为面内剪切模量，G23、G13均为面外剪切模量，v12为面内泊松比，v23、v13均为面外泊松比，ρ为复合材料的密度，//>//>//>//>分别为复合材料纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横向拉伸强度、横向压缩强度、剪切强度。
表1复合材料层初始力学参数
表2 复合材料层强度性能
表3 复合材料性能退化折减系数
表4 复合材料层疲劳特性参数
表5 铝制内胆材料特性
具体实施步骤如下：
本发明通过储氢瓶残余特性爆炸试验进行了验证，其中，循环工况如图4，储氢瓶循环12000次后进行残余特性爆炸分析（如图5与表6），可见，储氢瓶考虑氢热力耦合特性时，预测值更为精准，且更为安全。
表6储氢瓶爆炸压力
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，包括步骤：
S1，氢介质条件下储氢瓶充放氢热力学试验，获取温度场分布特性；
S2，建立储氢瓶热力学模型，利用S1获取的数据进行模型有效性验证；
S3，进行储氢瓶热应力试验，在储氢瓶内外施加恒温温度场，测量储氢瓶的内外壁、储氢瓶复合材料层与铝制内胆的应变特性，获取热应力分布特性；
S4，建立储氢瓶热应力有限元仿真模型，利用S3获取的数据进行模型有效性验证；
S5，获取不同温度下纤维材料特性与失效行为、基体材料特性与失效行为、纤维-基体界面材料特性与失效行为及复合材料层间脱粘特性；
S6，利用S5得到的材料特性，建立复合材料微观等效体积单元有限元模型；
S7，进行不同温度下层合板疲劳失效试验，获取不同温度下不同铺层方式层合板的疲劳失效特性；
S8，利用S6中复合材料微观等效体积单元有限元模型，建立热力耦合下多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，利用S7中获取的不同温度下层合板疲劳失效特性数据进行模型有效性验证；
S9，结合储氢瓶热力学模型仿真得到的温度场分布特性、储氢瓶热应力有限元仿真模型仿真得到的热应力分布特性和多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，建立氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型；
S10，进行氢热力耦合下储氢瓶疲劳试验，验证S9得到模型的有效性；
S11，在不同充放气速率及不同温度场下，利用S9得到的模型进行储氢瓶疲劳特性的预测；
步骤S2中，基于流体动力学软件，建立储氢瓶热力学模型，在储氢瓶瓶口施加氢气的压力与流量，设置复合材料层与铝制内胆的热传导系数，考虑汤姆逊-焦耳效应，进行储氢瓶三维流体动力学与热力学仿真分析，并与试验进行对比，若温度场仿真精度≥90%，则认为储氢瓶热力学模型有效，否则调节传热特性，直至储氢瓶热力学模型有效为止；
步骤S4中，建立储氢瓶热应力有限元仿真模型时，设置储氢瓶热膨胀系数，在储氢瓶铝制内胆与复合材料层上施加均布热载荷，获取储氢瓶热应变，通过S3中的试验进行对标，若储氢瓶热应力有限元仿真模型应变的仿真精度≥90%，则认为储氢瓶热应力有限元仿真模型有效，否则调节储氢瓶热应力有限元仿真模型中的热膨胀参数，直至储氢瓶热应力有限元仿真模型有效为止。
2.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S5中，通过不同温度下纤维拉伸试验获取纤维的材料特性与失效行为，通过不同温度下基体拉伸试验获取基体的材料特性与失效行为，通过不同温度下纤维抽丝试验获取纤维-基体界面的材料特性与失效行为，通过不同温度下的复合材料层间脱粘试验获取层间脱粘特性。
3.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S6中，所述的复合材料微观等效体积单元有限元模型由纤维-基体与界面粘接层组成，通过cohesive单元模拟纤维-基体界面失效，并将S5中获取的材料特性施加到复合材料微观等效体积单元有限元模型中。
4.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S7中，宽温域层合板疲劳失效试验时，设置不同的铺层模式体现不同失效模式主导的层合板疲劳失效行为，通过[90]2的层合板拉伸失效验证纤维失效预测的精度，通过[0]2的层合板拉伸失效验证基体失效预测的精度，通过[±45]2的层合板拉伸失效验证纤维-基体界面失效预测的精度与复合材料层间脱粘预测的精度。
5.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S8中，通过与试验对比获取准确的材料特性，结合S6中的复合材料微观等效体积单元有限元模型与宏观层合板有限元模型，建立多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型，在层合板之间添加层间脱粘失效，在两端施加循环载荷，通过复合材料微观等效体积单元有限元模型模拟材料的杨氏模量与疲劳退化特性，通过宏观层合板有限元模型模拟层合板结构的应力-应变响应与失效行为；通过与S7中的试验进行对比，验证多尺度复合材料层合板疲劳特性有限元模型的中材料属性设置的有效性与对纤维断裂、基体开裂、纤维-基体界面失效、层间脱粘4种不同失效模式仿真的准确性。
6.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S9中，对于有限元仿真中的每一个增量步，基于S2中的储氢瓶热力学模型进行热力学仿真，获取该增量步条件下的储氢瓶充放氢阶段温度场分布特性；同时，将该温度场分布特性施加到S4中的储氢瓶热应力有限元仿真模型中，获取储氢瓶的热应力分布特性；然后，基于S8中获取的具有温度依赖性的复合材料材料属性，建立储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型，将仿真所得的温度场分布特性与热应力分布特性作为热载荷与应力载荷施加到模型中，形成氢热力耦合下储氢瓶多尺度多失效模式疲劳特性有限元模型。
7.根据权利要求1所述的储氢瓶疲劳特性预测方法，其特征在于，步骤S10中，用氢气作为介质，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶疲劳特性试验，在储氢瓶内外壁布置多个温度传感器测量储氢瓶内温度分布，在储氢瓶内外壁布置多个应变传感器测量储氢瓶应变分布，在储氢瓶径向与轴向瓶身处测量位移特性，并进行S9中模型的验证，若模型对疲劳寿命的精度≥90%，温度分布的精度≥90%，应变分布的精度≥80%，则模型有效，否则重新调整模型参数。
8.一种储氢瓶疲劳特性预测系统，其特征在于，用于实现权利要求1-7任一项所述储氢瓶疲劳特性预测方法。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018107730A1 (zh) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | 海口未来技术研究院 | 复合材料的疲劳寿命预测方法及预测系统 |
| CN109766624A (zh) * | 2019-01-04 | 2019-05-17 | 北京航空航天大学 | 一种胶接结构粘接层在高低温冷热循环条件下疲劳寿命的预测方法 |
| CN112836342A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 北京航空航天大学 | 一种基于连续损伤力学的微米烧结银芯片粘接层疲劳失效物理模型建模与验证方法 |
| WO2022117664A1 (en) * | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Thiry Cedric Robert | Computer implemented engineering materials mechanical property based search method |
| CN115169088A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-10-11 | 张家港氢云新能源研究院有限公司 | 一种针对深冷高压储氢瓶的疲劳寿命预测方法 |
| CN115455586A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-12-09 | 中国计量大学 | 一种考虑内胆坍塌机理的复合材料储氢瓶的疲劳寿命预测方法 |
| CN115935627A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-04-07 | 浙江工业大学 | 一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法 |
-
2023
- 2023-08-31 CN CN202311114758.3A patent/CN116825257B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018107730A1 (zh) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | 海口未来技术研究院 | 复合材料的疲劳寿命预测方法及预测系统 |
| CN109766624A (zh) * | 2019-01-04 | 2019-05-17 | 北京航空航天大学 | 一种胶接结构粘接层在高低温冷热循环条件下疲劳寿命的预测方法 |
| WO2022117664A1 (en) * | 2020-12-04 | 2022-06-09 | Thiry Cedric Robert | Computer implemented engineering materials mechanical property based search method |
| CN112836342A (zh) * | 2021-01-05 | 2021-05-25 | 北京航空航天大学 | 一种基于连续损伤力学的微米烧结银芯片粘接层疲劳失效物理模型建模与验证方法 |
| CN115169088A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-10-11 | 张家港氢云新能源研究院有限公司 | 一种针对深冷高压储氢瓶的疲劳寿命预测方法 |
| CN115455586A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-12-09 | 中国计量大学 | 一种考虑内胆坍塌机理的复合材料储氢瓶的疲劳寿命预测方法 |
| CN115935627A (zh) * | 2022-11-25 | 2023-04-07 | 浙江工业大学 | 一种提高站用储氢气瓶疲劳寿命的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Review on optimization design, failure analysis and non-destructive testing of composite hydrogen storage vessel;Wei Zhou et al.;International Journal of Hydrogen Energy;第47卷(第91期);第38862-38883页 * |
| 车载液氢气瓶强度与振动疲劳特性研究;王鑫;中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅰ辑;第2023卷(第02期);第B015-317页 * |
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