V 型氢气罐的爆破压力性能比较：评估各种形状和材料（上）

• 环形储罐的爆破压力优于球形和圆柱形设计。

• [-45/45]s 堆叠序列优化了环形储罐的应力分布。

• 玄武岩/环氧复合材料的爆破压力性能优于其他材料。

• 凯夫拉/环氧树脂环形储罐在重量性能方面优于其他。

• 环形储罐具有有效的应力管理功能，并且提高了储氢的安全性。

引言

氢能因其清洁、高效等特点，被广泛认为是未来能源的重要组成部分。特别是在交通运输、发电和供热领域，它为这些历史上困难的行业脱碳提供了解决方案。氢能为燃料电池电动汽车 (FCEV) 提供动力，这些汽车只排放水蒸气，实现与传统内燃机汽车相比的零排放。然而，氢能的商业化应用需克服生产成本高昂、储存与运输的技术难题。氢气的低密度和高易燃性要求采取严格的安全措施，且其储存需在高压、低温条件下进行或采用特殊吸附材料。

在储氢容器的设计与测试方面，有限元分析（FEA）提供了一种节省成本和时间的高效方法，可在实际制造前评估设计方案的可行性。特别是对于复合材料，FEA考虑了其异质性和各向异性，需要采用微观至宏观多尺度的建模方法。先进的软件工具如Abaqus和Ansys支持复合材料行为的精确模拟，促进了结构设计、分析与优化的进展。

爆破压力的预测和失效特征的分析依赖于多种理论和标准，包括最大主应力理论、最大变形能量理论、最大剪切强度理论以及Tsai-Wu、Tsai-Hill、Hoffman、Puck、Hashin等失效准则，以全面评估储氢容器的结构完整性。

储氢技术通常分为两大类：物理型和材料型。物理型包括以压缩气体形式储存氢气、冷/低温压缩和液态氢储存等方法。在这一类别中，有五种类型的压力容器适用于储氢，如图1所示。

图1. 用于储存气态氢的五类压力容器

用于储氢的压力容器具有多种设计和特性，可满足特定需求。

I 型容器完全由金属制成，通常是铝或钢。虽然它们最具成本效益，但也是最重的。

II 型容器将钢芯与玻璃纤维复合材料包裹相结合，虽然制造成本较高，但重量明显减轻，耐压性增强。

III 型容器采用全复合材料包裹和金属衬里，将结构载荷主要分散到复合材料上，使其在中等压力下可靠，但在更高压力测试下仍存在挑战。

IV 型容器由碳纤维或碳纤-玻纤复合材料制成，衬里由高密度聚乙烯 (HDPE) 等聚合物制成。尽管它们是重量最轻的压力容器，但价格仍然相对昂贵。这些容器能够承受高达 100 MPa 的压力。

此外，创新的 V 型容器采用全复合材料无衬里设计，可提供轻量化解决方案并优化体积利用率。由于其固有的精简的施工方法，这种类型降低了制造成本，并最大限度地降低了操作和维护风险。

储氢技术的发展已导致各种应用和行业使用各种类型的储氢罐。I 型压力容器的容量很大，通常在 200 bar 左右的压力下运行。由于制造这些容器时使用的金属材料密度高，因此这些容器的特点是重量大。它们主要用于固定环境，例如大规模工业氢气储存，或用于潜艇等拥有充足空间和承载能力的大型容器。II 型储氢罐也用于固定应用，在约 300 bar 的较高压力下运行。这种增加的压力容量是通过加入高强度长丝包裹来实现的。III 型和 IV 型氢气罐成为汽车应用的最佳解决方案，与 I 型和 II 型相比，它们可显著减轻重量。尽管如此，如今的主要汽车制造商正在从 III 型转向 IV 型，因为后者成本较低且有重量优势。V 型储罐仍在研发中，其商业应用受到高昂材料成本的限制。V 型氢气罐提供了一种革命性的储存方法，无需使用内衬，从而减轻了重量并缩短了制造时间。它们解决了质量问题，使用寿命长。尽管存在渗透率较高和飞行历史有限等潜在缺点，但 V 型储罐的表现优于传统储罐，使其成为未来能源储存和推进需求的颇具前景的解决方案。

1.3储氢容器形状

工业上，氢气通常使用球形和圆柱形压力容器储存，由于空间限制，圆柱形容器更适合移动应用。圆柱形容器更具成本效益，更容易制造和高效包装，而球形容器在应力分布和材料厚度方面具有优势。球形容器仅需圆柱形容器壁厚的一半即可承受相同的压力，使其成为高压储存的首选。然而，球形容器制造起来更具挑战性且成本更高，并且其包装效率低于圆柱形容器。

圆顶形状显著影响储氢容器的爆破压力性能。具有不同圆顶头的容器表现出不同的机械特性。Sharma 等人研究了不同圆顶形状对 III 型和 IV 型储氢容器的爆破压力、失效特性和重量性能的影响。

图2. 容器有多种构造，包括（A）半球形封头、（B）抛物面封头、（C）椭球形封头（I）、（D）椭球形封头（II）、（E）椭球形封头（III）和（F）等张封头

工业上常用球形和圆柱形容器，圆环结构对称壳体，节省空间减重，适用于狭小空间，特别是船上和方形区域，比圆柱球形更高效。环形压力容器研究显示爆破压力符合法规，适用于车辆燃油系统。Zhan和Vu的研究验证了环形储罐的机械行为预测方法，并指出环形壳体在材料节省方面的潜力，以及应力分布受 Ro/ro 比率（大半径与小半径之比）的影响。

1.4 V 型储氢容器材料及层压板铺层

已有多项研究深入探讨了优化材料选择和层压铺层技术，以增强此类容器的性能。本研究旨在探究优化V型氢储罐的复合材料，比较球形、圆柱形和环形容器的爆破压力性能，并分析几何形状对爆破压力的影响。创新点包括全面比较不同形状的爆破压力性能，采用FEA和一阶剪切变形理论分析多种复合材料，为储罐性能材料选择提供见解，推动了储氢技术的发展。

2.1几何形状和材料

本文研究了三种储罐形状，其填充量均为 57 升。这些形状包括半径为 242 毫米的球形罐、内半径为 200 毫米、外半径为 400 毫米的环形罐以及直径和长度分别为 305 毫米和 650 毫米的圆柱形罐。圆柱形罐考虑采用高度为 120 毫米的椭圆形圆顶形状。在这三种形状的设计中，都考虑了相同的 26 毫米凸台直径。图 3显示了各种设计及其相应的尺寸。

图 3. 各种设计的几何形状和尺寸

图3模型设计填充57升，研究三种形状的I型钢氢罐性能（0.8mm厚，70MPa内压）。钢的弹性模量215GPa，泊松比0.3。目标是分析形状对V型储罐用碳T700/环氧树脂性能的影响，未考虑复合材料性能的温度依赖性。

2.2复合材料氢容器有限元分析

本研究使用Abaqus进行有限元模拟，利用其复合材料铺层功能模拟纤维缠绕。需设定每层厚度、材料、方向角和积分点。轴向设为零参考方向（图4）。分析施加静态内压，用传统壳单元S4R网格化（图5）。S4R是双线性四节点三维壳单元，适用于厚薄壳，采用缩减积分，进行了网格收敛分析。

图 4. 各种储罐设计的纤维取向

图5. 有限元压力容器模型的剖面图

2.3 一阶剪切变形理论

本研究涉及单向纤维增强复合材料，该复合材料属于正交各向异性材料。为了计算 V 型储氢罐中的应力分布，采用了一阶剪切变形理论。定义了位移场和应变分量，给出了面内应力与应变的关系以及横向应力的计算方法。

2.4 复合材料的失效准则

在本研究中，采用Tsai - W准则测试V型氢气储罐的爆破压力。详细形式如下：

分别表示纵向和横向的轴应力，而 σ6 表示轴内平面剪切应力。Xt 和 Xc 分别表示纵向拉伸强度和压缩强度。Yt 和Yc 分别为横向拉伸强度和压缩强度。S代表面内剪切强度。本研究采用 Tsai-Wu 标准确定储氢容器的爆破压力。计算过程详细概述如图6所示。

图6. 爆破压力计算流程图

该流程图表示对氢气容器施加负载、计算诱导应力并评估 Tsai-Wu 失效指数的迭代过程，直到其超过 1，表明已达到爆破压力。

3.结果与讨论

3.1 参考金属压力容器

首项研究案例以0.8mm均匀厚度钢材为基准，测试三种形状的金属I型储罐性能，承受70MPa内压，通过冯·米塞斯应力评估。结果显示环形最佳（图7），与文献一致。

图7. 参考金属压力容器不同形状的应力分布