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碳纤维复合材料高压储氢容器力学模型分析与抗疲劳研究

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目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2氢能

1.2.1氢能的利用

1.2.2储氢技术

1.3国内外高压储氢技术发展状况

1.3.1国外发展状况

1.3.2国内发展状况

1.4复合材料压力容器相关标准

1.5复合材料压力容器的优点

1.6金属内胆与塑料内胆纤维缠绕气瓶优缺点比较

1.7本文研究内容

2碳纤维复合材料高压储氢容器的研究

2.1概述

2.2材料的选择

2.2.1内胆

2.2.2纤维

2.2.3树脂

2.3防撞击保护层

2.4设计参数的选择

2.5防渗漏的研究

2.6缠绕成型工艺

2.6.1概述

2.6.2缠绕成型工艺的分类

2.6.3缠绕规律的内容和分类

3碳纤维复合材料高压储氢容器的结构设计

3.1概述

3.2设计方法

3.3内胆封头的设计

3.4缠绕层设计

3.5防撞击保护层设计

3.6储氢密度

3.7容器结构

3.8小结

4碳纤维复合材料高压储氢容器力学分析

4.1概述

4.2复合材料的失效准则

4.2.1最大应力准则

4.2.2最大应变准则

4.2.3蔡-希尔(Trai-Hill)强度准则

4.3单向板的偏轴弹性特性

4.3.1偏轴刚度矩阵

4.3.2偏轴刚度的特点

4.4筒体的力学分析

4.5失效准则校核

4.5.1最大应力准则校核

4.5.2蔡-希尔强度准则校核

4.6封头的力学分析和校核

4.7小结

5碳纤维复合材料高压储氢容器有限元分析

5.1概述

5.2复合材料的建模

5.2.1坐标系

5.2.2单元类型

5.2.3层的属性

5.3建立模型并分析

5.3.1复合材料压力容器结构简介

5.3.2模型和结果

5.3.3主要的菜单命令

6提高碳纤维复合材料高压储氢容器抗疲劳性能的研究

6.1概述

6.2纤维-树脂复合材料(FRC)疲劳的研究

6.2.1 S-N曲线理论

6.2.2疲劳累积损伤理论

6.2.3单向复合材料疲劳损伤机理

6.2.4平均应力对疲劳寿命的影响

6.2.5如何改进复合材料的抗疲劳性能

6.3铝合金的疲劳研究

6.3.1疲劳极限图

6.3.2应力疲劳公式的研究

6.3.3如何提高铝合金的抗疲劳性能

6.4提高复合材料压力容器整体抗疲劳性能

6.5小结

7总结与展望

参考文献

致 谢

在读期间发表(录用)论文和所获奖项

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摘要

随着社会的发展,化石能源将不能满足经济高速发展的需求,需要开发新的能源。氢能是一种清洁的能源,具有零污染的特点,有望在石油时代的末期,代替石油成为一种主要的二次能源。高压储氢技术是一种应用广泛、简便易行的储氢方式,而且成本低,充放气速度快,操作在常温下就可进行。因此,本文的研究内容是设计轻质高压储氢罐。主要内容如下: 进行铝内胆碳纤维树脂复合材料高压储氢容器的结构设计,提出设计方法,确定主要尺寸。工作压力为70MPa,容积为25L,储存大约1kg氢气,达到约5wt%的质量储氢密度。 对设计的储氢容器进行力学分析,整体模型简化为两个子模型分别计算应力,并用最大应力准则和蔡-希尔准则校核,然后用有限元方法验证模型简化和理论计算的正确性。 研究了影响碳纤维树脂复合材料和铝合金疲劳的因素,复合材料疲劳寿命符合“木桶原理”,阐述降低铝内胆的平均应力可以提高整体储氢容器的疲劳寿命,并提出了实现方案。 主要创新点:提出力学简化模型,使得各向异性的复合材料的应力计算变得简单,而且误差较小。提出复合材料疲劳寿命木桶原理,通过降低铝内胆平均应力的方法来提高整个容器的疲劳寿命。

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