塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法

1.本发明属于塑料内胆高压储氢气瓶可靠性设计与计算领域，尤其涉及一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法。


背景技术：

2.自《巴黎协定》以来，各国制定了长期低碳发展战略，交通部门对转向环保型车辆的需求很高，运输部门制定了采用氢燃料电池电动汽车的战略。通用汽车、丰田、现代、戴姆勒、宝马和其他公司都在氢燃料电池技术方面进行了投资。氢可以作为电力、生物燃料和合成液体燃料的补充，它是少数有潜力提供世界运输能源需求主要份额的能源载体之一，温室气体和空气污染物排放量接近零，氢越来越被视为一种多功能的未来能源载体，这可以填补能源系统中的不同角色。然而，由于氢气的气体性质，它面临着具有挑战性的储存问题，储氢可能会是氢能源经济成功的最大障碍，因此，解决好储氢问题是氢能源发展的关键之一。
3.与金属材料氢气瓶相比，塑料内胆复合材料高压储氢气瓶具有质量轻、寿命长、成本低的优点，已成为目前气瓶研发与制造的重点与热点。目前，国内关于塑料内胆复合材料高压储氢气瓶的研究尚处于起步阶段，存在设计经验落后、相关理论缺乏、复合材料铺层优化设计及轻量化设计方法不成熟的问题。因此，在厘清复合材料铺层参数对气瓶承载能力影响规律的基础上，进行复合材料铺层的优化及轻量化设计具有重要的实践意义与工程应用价值。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，有效解决国内关于塑料内胆复合材料高压储氢气瓶的复合材料铺层优化设计及轻量化设计方法不成熟的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
6.一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，应用于高压储氢气瓶，所述高压储氢气瓶由塑料内胆及缠绕在塑料内胆外的复合材料铺层组成，所述复合材料铺层包括环向缠绕层和螺旋缠绕层，包括以下步骤：
7.s1、环向缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
8.采用abaqus软件进行环向缠绕层建模，设计i组模型，每组模型的环向缠绕层数为i
·
n。
9.添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移。
10.计算输出每组模型的环向缠绕层纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随环向缠绕层数增加的变化规律。
11.s2、螺旋缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
12.采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，设置一定的螺旋缠绕角度θ，设
计k组模型，每组模型的螺旋缠绕层数为k
·
l。
13.将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的螺旋缠绕层纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随螺旋缠绕层数增加的变化规律。
14.s3、螺旋缠绕角度对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
15.采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，设置m层螺旋缠绕层，设置t组螺旋缠绕角度变化的模型，每组模型的螺旋缠绕角度为t
·
α。
16.将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随螺旋缠绕角度增加的变化规律。
17.s4、环向缠绕层及螺旋缠绕层的缠绕顺序对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
18.采用abaqus软件进行高压储氢气瓶建模，设置螺旋缠绕角度θ。
19.设置3种缠绕方式，分别为：螺旋缠绕层x层+环向缠绕层y层、环向缠绕层y层+螺旋缠绕层x层、螺旋缠绕层层+环向缠绕层y层+螺旋缠绕层层。
20.将塑料内胆的外表面与缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力的大小及位置。
21.s5、复合材料铺层的初步设计。
22.根据高压储氢气瓶的设计压力，初步设计复合材料的环向缠绕层数、螺旋缠绕层数及螺旋缠绕角度。
23.s6、复合材料铺层的优化设计。
24.进一步设计逐层变化的螺旋缠绕角度，使高压储氢气瓶两端的极孔附近的复合材料铺层的厚度连续。
25.s7、复合材料铺层的轻量化设计。
26.基于步骤s1、s2、s3和s4的缠绕参数影响结果，获得最佳缠绕层数分布范围、最优螺旋缠绕角度以及合适的缠绕顺序，进一步优化环向缠绕层数、螺旋缠绕层数、螺旋缠绕角度及环向缠绕层和螺旋缠绕层的缠绕顺序。
27.进一步地，步骤s1中采用1/4模型建模。
28.进一步地，步骤s2、s3和s4中均采用1/36模型建模。
29.本发明的有益技术效果是：
30.(1)本发明通过优化环向缠绕层数、螺旋缠绕层数、螺旋缠绕角度及环向缠绕层和螺旋缠绕层的缠绕顺序，实现总缠绕层数的降低，达到高压储氢气瓶的轻量化的目的，减少复合材料铺层层数，进而降低成本。
31.(2)本发明厘清了复合材料铺层的缠绕参数对高压储氢气瓶承载能力的影响，使
高压储氢气瓶的优化设计过程更加方便、更加容易理解且便于精细化调整缠绕参数，提高高压储氢气瓶的可靠性。
32.(3)本发明步骤明确，操作简单，便于工程人员操作。并且，本发明不局限于特定体积及尺寸的高压储氢气瓶，具有普适性。
33.(4)本发明仅依赖于一种有限元计算软件，不需要过多的软件支撑，方便应用。
附图说明
34.下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
35.图1是本发明高压储氢气瓶10层环向缠绕层1/4有限元模型的网格和边界条件；
36.图2是随着环向缠绕层数的增加，纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22变化曲线；
37.图3是本发明1/36高压储氢气瓶有限元模型的网格和边界条件；
38.图4是随着螺旋缠绕层数的增加，纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22变化曲线；
39.图5是随着螺旋缠绕角度的增加，纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22变化曲线，其中，(a)是7层缠绕模型，(b)是14层缠绕模型，(c)是21层缠绕模型，(d)是28层缠绕模型，(e)是35层缠绕模型；
40.图6是本发明高压储氢气瓶的结构示意图。
具体实施方式
41.一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，应用于高压储氢气瓶，所述高压储氢气瓶由塑料内胆及缠绕在塑料内胆外的复合材料铺层组成，所述复合材料铺层包括环向缠绕层和螺旋缠绕层，包括以下步骤：
42.s1、环向缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
43.由于内胆对环向缠绕层的受力影响可以忽略不计，只建立环向缠绕层进行模拟，采用abaqus软件进行环向缠绕层建模，由于该结构为旋转对称模型，因此为计算方便采用1/4模型建模。
44.分别设置环向缠绕层数为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75和80层共16组；添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，如图1所示。
45.计算输出每组模型的环向缠绕层纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22；分别分析纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22随环向缠绕层数增加的变化规律，如图2所示。随着环向缠绕层数的增加，纤维方向和垂直纤维方向的最大应力均逐渐减小，缠绕层数增加初期，应力减小幅度较大，当缠绕层数达到30层后，随着层数的增加，应力减小的较为平缓。
46.s2、螺旋缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
47.采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，由于该结构为旋转对称模型，因此为计算方便采用1/36模型建模，如图3所示。
48.设置一定的螺旋缠绕角度θ如10
°
；分别设置螺旋缠绕层数为7、14、21、28、35、42、50层共7组；设置内压为20mpa；将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置；
添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移。
49.计算输出每组模型的螺旋缠绕层纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22；分别分析纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22随螺旋缠绕层数增加的变化规律，如图4所示。发现，随着螺旋缠绕层数的增加，纤维方向和垂直纤维方向的最大应力均逐渐减小，缠绕层数增加初期，应力减小幅度较大，当缠绕层数达到35层后，随着层数的增加，应力减小的较为平缓。
50.s3、螺旋缠绕角度对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
51.采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，由于该结构为旋转对称模型，因此为计算方便采用1/36模型建模；分别设置螺旋缠绕层数为7、14、21、28和35层共5种模型；每种模型设置螺旋缠绕角度10
°
、15
°
、20
°
、25
°
、30
°
、35
°
、40
°
、45
°
、50
°
、55
°
、60
°
、65
°
、70
°
、75
°
和80
°
共15组角度设置；设置内压为20mpa；将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置；添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移。
52.计算输出每组模型的纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22；分别分析纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22随螺旋缠绕角度增加的变化规律，如图5所示。发现，随着缠绕角度的增加，纤维方向及垂直纤维方向的最大应力在不同缠绕层数下的变化规律基本一致。因此，以28层螺旋缠绕为例对影响规律进行阐述，随着缠绕角度的增加，纤维方向最大应力s11先减小后增大，垂直纤维方向的最大应力s22在缠绕角度达到60
°
之前数值基本稳定，60
°
之后逐渐增大且变化幅度较大。
53.s4、环向缠绕层及螺旋缠绕层的缠绕顺序对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究。
54.采用abaqus软件进行高压储氢气瓶建模，由于该结构为旋转对称模型，因此为计算方便采用1/36模型建模。
55.选取螺旋缠绕角度50
°
；分别设置螺旋缠绕层14层+环向缠绕层21层、环向缠绕层21层+螺旋缠绕层14层和螺旋缠绕层7层+环向缠绕层21层+螺旋缠绕层7层共3组缠绕方式；设置内压为20mpa；将塑料内胆的外表面与缠绕层的内表面进行绑定设置；添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移。
56.计算输出每组模型的纤维方向最大应力s11和垂直纤维方向最大应力s22；分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力的大小及位置，见表1和表2。发现，三种缠绕顺序的最大s11均出现在封头1筒体的过渡处，最大s22均出现在封头1中部，其中，环向缠绕层21层+螺旋缠绕层14层的缠绕方式，最大s11和最大s22值最小。所述封头1的位置见图6。
57.表1不同缠绕顺序模型的螺旋缠绕层应力分布结果
[0058][0059]
表2不同缠绕顺序模型的环向缠绕层应力分布结果
[0060][0061]
s5、复合材料铺层的初步设计；
[0062]
通过高压储氢气瓶的受力，初步设计复合材料的环向缠绕层数、单一的螺旋缠绕角度及螺旋缠绕层数，见表3。
[0063]
表3复合材料铺层的初步设计
[0064][0065]
s6、复合材料铺层的优化设计；
[0066]
逐步改变螺旋缠绕层的角度，设计不同层次螺旋缠绕角度变化，使高压储氢气瓶两端的极孔2附近的复合材料铺层的厚度连续，避免铺层堆积，局部过厚，缠绕方式见表4。所述极孔2的位置见图6。
[0067]
表4复合材料铺层的优化设计
[0068][0069]
s7、复合材料铺层的轻量化设计。
[0070]
基于步骤s1、s2、s3和s4的缠绕参数影响结果，进一步优化环向缠绕层数、螺旋缠绕层数、螺旋缠绕角度及环向缠绕层和螺旋缠绕层的缠绕顺序，对比各个方案的承载能力和总缠绕层数，最终缠绕方案见表5。以此，达到高压储氢气瓶轻量化的设计，减少复合材料铺层层数，进而降低成本。
[0071]
表5总缠绕层数减少的最佳优化方案
[0072][0073][0074]
本发明在充分揭示复合材料铺层的缠绕参数对高压储氢气瓶承载能力影响规律的基础上，通过螺旋缠绕角度、螺旋缠绕层数、环向缠绕层数、螺旋缠绕层与环向缠绕层顺序的调整与优化，使塑料内胆高压储氢气瓶的承载能力更好、纤维用量更少，达到优化和轻量化的目的，实现储氢气瓶可靠性的提高及制造成本的降低。
[0075]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，应用于高压储氢气瓶，所述高压储氢气瓶由塑料内胆及缠绕在塑料内胆外的复合材料铺层组成，所述复合材料铺层包括环向缠绕层和螺旋缠绕层，其特征在于，包括以下步骤：s1、环向缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究；采用abaqus软件进行环向缠绕层建模，设计i组模型，每组模型的环向缠绕层数为i
·
n；添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移；计算输出每组模型的环向缠绕层纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随环向缠绕层数增加的变化规律；s2、螺旋缠绕层数对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究；采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，设置一定的螺旋缠绕角度θ，设计k组模型，每组模型的螺旋缠绕层数为k
·
l；将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的螺旋缠绕层纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随螺旋缠绕层数增加的变化规律；s3、螺旋缠绕角度对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究；采用abaqus软件进行塑料内胆及螺旋缠绕层建模，设置m层螺旋缠绕层，设置t组螺旋缠绕角度变化的模型，每组模型的螺旋缠绕角度为t
·
α；将塑料内胆的外表面与螺旋缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力随螺旋缠绕角度增加的变化规律；s4、环向缠绕层及螺旋缠绕层的缠绕顺序对高压储氢气瓶承载能力的影响规律研究；采用abaqus软件进行高压储氢气瓶建模，设置螺旋缠绕角度θ；设置3种缠绕方式，分别为：螺旋缠绕层x层+环向缠绕层y层、环向缠绕层y层+螺旋缠绕层x层、螺旋缠绕层层+环向缠绕层y层+螺旋缠绕层层；将塑料内胆的外表面与缠绕层的内表面进行绑定设置，添加周期性边界条件，并在模型端部施加固定约束防止刚性位移，施加一定的内压值p进行计算，计算输出每组模型的纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力，分别分析纤维方向最大应力和垂直纤维方向最大应力的大小及位置；s5、复合材料铺层的初步设计；根据高压储氢气瓶的设计压力，初步设计复合材料的环向缠绕层数、螺旋缠绕层数及螺旋缠绕角度；s6、复合材料铺层的优化设计；进一步设计逐层变化的螺旋缠绕角度，使高压储氢气瓶两端的极孔附近的复合材料铺层的厚度连续；s7、复合材料铺层的轻量化设计；
基于步骤s1、s2、s3和s4的缠绕参数影响结果，获得最佳缠绕层数分布范围、最优螺旋缠绕角度以及合适的缠绕顺序，进一步优化环向缠绕层数、螺旋缠绕层数、螺旋缠绕角度及环向缠绕层和螺旋缠绕层的缠绕顺序。2.根据权利要求1所述的塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，其特征在于，步骤s1中采用1/4模型建模。3.根据权利要求2所述的塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法，其特征在于，步骤s2、s3和s4中均采用1/36模型建模。

技术总结
本发明属于塑料内胆高压储氢气瓶可靠性设计与计算领域，具体公开了一种塑料内胆高压储氢气瓶纤维缠绕铺层的优化设计方法。所述高压储氢气瓶由塑料内胆及缠绕在塑料内胆外的复合材料铺层组成，所述复合材料铺层包括环向缠绕层和螺旋缠绕层。本发明在充分揭示复合材料铺层缠绕参数对气瓶承载能力影响规律的基础上，通过螺旋缠绕角度、螺旋缠绕层数、环向缠绕层数和螺旋缠绕层与环向缠绕层顺序的调整与优化，使塑料内胆高压储氢气瓶的承载能力更好、纤维用量更少，达到优化和轻量化的目的，实现高压储氢气瓶可靠性的提高及制造成本的降低。低。低。


技术研发人员：蒋文春 张倩 王炳英 白江坤 闫九澎 王鼎 杜洋 罗云
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.03.15
技术公布日：2023/7/18