【摘 要】
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纤维缠绕储氢瓶凭借其质量轻、强度高等特点,在车载燃料电池领域具有良好的适用性。由于其特殊的成型方式,导致其相比全金属储氢瓶而言具有更复杂的力学性能。在结构设计方面,工程上通常使用有限元方法进行性能预测,但由于纤维缠绕储氢瓶在封头区域变厚度变角度的特点,有限元模型的精度会严重影响分析结果,因此对纤维缠绕储氢瓶进行精细、高效地建模具有重要意义。在缠绕工艺方面,为了缓解纤维缠绕储氢瓶封头上的厚度堆积,工
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纤维缠绕储氢瓶凭借其质量轻、强度高等特点,在车载燃料电池领域具有良好的适用性。由于其特殊的成型方式,导致其相比全金属储氢瓶而言具有更复杂的力学性能。在结构设计方面,工程上通常使用有限元方法进行性能预测,但由于纤维缠绕储氢瓶在封头区域变厚度变角度的特点,有限元模型的精度会严重影响分析结果,因此对纤维缠绕储氢瓶进行精细、高效地建模具有重要意义。在缠绕工艺方面,为了缓解纤维缠绕储氢瓶封头上的厚度堆积,工程上一般凭借缠绕经验,通过扩孔工艺解决,但相关的理论研究较少。针对以上问题,本文结合理论分析与数值模拟,以Ⅲ型纤维缠绕储氢瓶为研究对象,进行了以下几个方面的研究:（1）研究了复合材料力学基础理论,总结了正交各向异性材料的本构关系以及目前使用的复合材料失效判据;基于经典层合板理论和网格理论确定了纤维缠绕储氢瓶的一般设计方法;完成了复合材料的基本力学测试,测量得到了基本的力学性能参数。（2）针对纤维缠绕储氢瓶建模精度的不足,基于ABAQUS二次开发方法,搭建了高效建模系统。通过该系统建立了渐进损伤模型,并通过水压爆破试验与其对照。结果表明:渐进损伤模型与水压爆破试验的结果误差在3%以内,验证了建模系统的可靠性。（3）针对纤维缠绕储氢瓶封头上纤维的厚度堆积,提出了带宽扩孔法和极值扩孔法两种扩孔工艺方法。以工作压力为70MPa的纤维缠绕储氢瓶为研究对象,基于高效建模系统建立了不同扩孔方案下的渐进损伤模型,通过比较数值模拟的结果研究不同扩孔工艺对纤维缠绕储氢瓶性能的影响。结果表明:（1）对于该种规格的纤维缠绕储氢瓶,采用1.5倍带宽扩孔为最佳;（2）扩孔工艺不仅可以有效的缓解封头上的厚度堆积,还可以使封头上的纤维分布更加均匀;（3）在采用适当的扩孔方案的情况下,扩孔工艺可以降低纤维缠绕储氢瓶的整体应力水平,提高承载能力;（4）扩孔顺序应当以全缠绕和扩孔缠绕交替进行为宜。
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