V 型氢气罐的爆破压力性能比较：评估各种形状和材料（下）

3.2V型复合材料储罐数值模型的验证

本研究验证了数值模型，以评估其与实验数据的准确性和可靠性，特别关注纤维增强复合材料结构的爆破压力性能。设计参数、复合材料和负载条件直接采用 Chang 描述的实验装置，确保模拟结果与实验结果之间能够直接比较。表 2列出了分析中使用的石墨/环氧树脂的机械性能。

图 8所示的模拟设计复制了 Chang 的实验，其中容器设计尺寸为曲率半径 R = 50 毫米、边长 L = 300 毫米、角铺层取向 S和层厚度。

图 8. 验证模型中的应力分布

如表 3所示，模拟得到的爆破压力为 5.36 MPa，而 Chang 的实验结果得到的爆破压力为 5.39 MPa。模拟值与实验值之间仅有 0.55% 的微小差异，表明一致性很高，凸显了计算模型在预测类似负载条件下纤维增强复合材料的结构行为方面的准确性。

3.3不同堆放顺序V型罐体型性能比较

在验证了复合材料罐的数值模型之后，对三种V型氢罐试验案例进行研究，评估其形状在不同堆叠顺序下的性能。试验在对称层压 [±θ]ns 和碳T700/环氧树脂，4层对称堆叠，10 MPa内压的氢气瓶进行。

表4 不同试验工况压力容器参数

图 9. 三种形状的三种情况的 von Mises 和最大主应力分布比较

von Mises和最大主应力分布随复合材料层堆叠顺序变化，环形形状中尤为明显。圆柱形储罐高应力在中部，球形储罐极点应力增加。Tsai-Wu失效准则用于计算爆破压力，显示环形储罐在高压保持和空间利用上优于其他形状，适用于如车辆燃油箱等应用。

3.4各种复合材料V型罐体性能比较

研究显示，不同复合材料堆叠顺序影响von Mises应力分布，环形容器性能最优。玄武岩/环氧树脂应力分布最佳，爆破压力最高，优于凯夫拉/环氧树脂、E玻璃/环氧树脂和碳T700/环氧树脂。本研究为复合材料在环形压力容器设计中的应用提供了重要的参考依据。

图 10. 所有复合材料不同形状的应力 Von Mises 应力分布

材料选择对储罐应用至关重要，重点关注爆破压力、成本、重量和环境抗性等因素。玄武岩/环氧树脂在加压环境应力控制上表现优异，可能成为航空航天、高性能汽车系统或高压气体存储等领域的首选。

图 11. 各种复合材料的环形 Tsai-Wu 分布与 [-45,45]s 堆叠序列的比较

图12.  碳/环氧[-45,45] S环形储罐的S 11、S 12和S 22值

图11显示玄武岩/环氧树脂的环形Tsai-Wu分布最低，其Y向拉伸和剪切应力阈值优于其他材料。环形储罐比圆柱和球形储罐重，但V型储罐使用复合材料减轻重量，提高效率和实用性，适用于重量敏感的应用。复合材料低密度改善性能，增强储氢系统的强度重量比和耐腐蚀性。

3.5 权重性能分析

表7分析了碳T700环氧树脂制球形、圆柱形和环形氢储罐的性能，堆叠顺序[−45,45]s。球形储罐具有最高的单位质量氢密度和结构性能指数，优于圆柱形和环形储罐，得益于其低表面积体积比，减少了材料用量。但球形储罐制造难度大、成本高，且填充效率低于圆柱形储罐。

研究优化环形储罐重量性能，测试玄武岩、凯夫拉、E玻璃和碳T700环氧树脂材料，堆叠顺序[−45,45]s。凯夫拉表现最佳，单位质量氢密度0.0251，优于其他材料和传统高效的碳T700球形罐，因密度低、抗拉强度高，适合高压储氢应用。

在结构性能方面，Kevlar 还展示了测试材料中最高的结构性能指数 (0.0305)，进一步凸显了其在高压应用方面的适用性。玄武岩、E-Glass 和 Carbon T700 的结构性能指数分别为 0.0271、0.0248 和 0.0222。虽然玄武岩的结构性能相对较高，但其密度和由此产生的储罐质量与 Kevlar 相比更高。E-Glass 提供了均衡的性能，但仍低于 Kevlar 的效率。Carbon T700 尽管质量较低，但结构性能指数最低，再次证明 Kevlar 是环形氢气储罐的最佳材料。

分析表明，虽然由 T700 环氧树脂制成的球形罐具有出色的重量性能，但采用 Kevlar 制成环形罐可提供更高的效率。这一发现对于轻型高压储氢系统的开发至关重要，因为它强调了材料选择对于提高储存效率的重要性。Kevlar 环形罐不仅可以储存更多的氢气，而且还能保持较低的系统质量。

本研究通过爆破压力测试（ISO认证的关键部分）调查了各种形状的V型氢气罐的性能。对不同堆叠顺序和材料的球形、圆柱形和环形进行了比较。使用有限元分析（FEA）和一阶剪切变形理论，研究表明，与球形和圆柱形设计相比，环形设计具有更好的应力分布和爆破压力性能。

主要发现包括

形状影响：环形设计明显优于其他形状，爆破压力达到 12.7 MPa，凸显了其高效高压储氢的潜力。研究结果一致支持环形储罐，在各种堆叠顺序和材料中，环形储罐表现出优于其他形状的性能。

爆破压力材料选择：玄武岩/环氧树脂成为环形储罐性能最佳的复合材料，爆破压力为 12.7 MPa。其他材料如凯夫拉/环氧树脂 (10.8 MPa)、E 玻璃纤维/环氧树脂 (11.4 MPa) 和碳 T700/环氧树脂 (8.9 MPa) 也表现出不同的性能水平。

堆叠顺序：堆叠顺序优化了所有材料的环形应力分布，强调了层压板铺层在增强爆破压力性能方面的重要性。

复合材料比较：环形形状在所有测试材料中表现出一致的优势，其中玄武岩/环氧树脂表现出最佳的应力管理和爆破压力性能。

重量性能：由碳纤维 T700/环氧树脂制成的球形储罐在传统形状中表现出最高的单位质量氢密度 (0.0217)，凸显了其卓越的重量效率。尽管如此，由凯夫拉纤维制成的堆叠序列的环形储罐的性能却超过了这一水平，实现了更高的单位质量氢密度 (0.0251)。

本研究强调了环形容器在提高 V 型储氢效率方面的潜力。结果表明，优化储氢罐的形状和材料选择可以显著提高安全性、成本效益和对 ISO 标准的遵守程度。未来的研究应调查环形形状如何满足各种 ISO 要求，并考虑尺寸优化以提高效率。在本研究中，采用了一种简化的分层方法，提供了初步见解，但并未完全捕捉到实际缠绕层角度的复杂设计考虑因素。未来的工作将侧重于结合先进的缠绕技术和可变的层角度，以更好地模拟真实条件。此外，进一步的研究应探索新的形状和材料，以改进储氢技术，最终促进其在可持续能源系统中的更广泛应用。

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