纤维缠绕复合材料储氢气瓶的制备课件.pptx

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1、2020.10纤维缠绕复合材料高压储氢气瓶的制备设备测试（抗冲击性）保护展（抗冲击性）压力释放阀车载高压储氢气瓶氢能作为一种清洁、高效、安全、可持续的新能源，被视为2121世纪最具发展潜力的清洁能源，是人类的战略 能源发展方向。目前，氢能技术硏究的重点在于汽车产业等方面的应用。氢气储存技术是氢能源汽车领域发 展的关键，碳纤维复合材料高压智能储氢气瓶是理想的车用高压气态储氢容器SensorsCylindersFrame.Brackets,ProtectionPressure RegulatorPiping,ValvesCylinder I Valve 瓶阀Low PressureH2 Outle

2、t气瓶High Pressure H2 Filling 咼压充氢智能在线压力探厕系统导电连接ElectricalConnection 低压氢气出口燃料电池反应堆料电池升压逆变器一科技发展及环保需求2020年被认为是氢燃料电池商品车市场启动年。预 计随着氢能与燃料电池、关键材料等技术的逐步成熟，氢燃料电池系统的成本继续呈现下降趋势，将更加有利 于氢燃料电池系统产品的产业化和商业化。.动打方布与啊花克瀉闵宛丹頌公平騒庆甲種.窝驱：BSSF-Cell是辩&苜軟电池车.零排SL续蛔达400公里：率田：FCV RI将斗电池车坟#于2011”吸2COWM做并孑何年交付ggg會户.KV地gon年狭!或昊帽，

3、米零计出20”年广.全球1010家车企在新能源规划汇中将氢能源项目列入重点丿m国际标准名称诂川涎：1何1欧 CGH2R：2006気 动力行乍仙纨系统CGH2R标HE足犬JF个丿K编気团能力行乍供纨系统的，2006年12丿J公布，作兵附录7的A、B阴个部分给出，r却心诺気瓶的共求。A 部分为*瓶没计制造的疫求，B部分为（瓶检驶的试驶万法。没订 右命不F 20年21 1 木 JIGA-T-S：2004勻或 能汽乍川!5 J代储纽/（瓶 技术标淮JIGA标冲足部Vf J针对红维绑绕伟丿K氛【脱的标 准.制订2004年.标HE内容 在要包括五章:总则、制 造方法、没订确认 及批貳验、型试验及附氷：.诂

4、川 广金 腻内胆车用纤錐仝绸绕価压気*瓶柯型料内脾军用纟F 绯绵绕45J心式*瓶，并耍求 充装的 W C纯度/li 99.99%以1-.未明确没订命.3国际标ME化纟131 ISO/DIS15869：2009乍 川*1及気，*t*倫 存汽瓶ISO 标HE足国际标沛化组织気技木委员公#n*瓶技木委 员公的1瓶没计分技木委员会联r起孕的。共内容E-41S 们丄 材料、没施耍求、结构和 匚艺、嘔式试验、场只 貳 骇柯批试阪、标记、応输淮俗及四个附录。诂川广金胰 内月旦乍川纟F维全绸绕何丿K気*瓶和型料内胆乍川纟F绯 绑绕两iJEMC微:，并要求充装気*纯度99.99%以上。设：订寿命不爲于15年.4

5、1村际标准孕案ISO/CD 19881:2015车用压编纣顷HJ J公称匚作旅丿J不大J-70MPa,IL容积不大J*1000L 的乍川床縮 仙瓶，1娈包林材料、没计、制造、标识、生产伏驶及附录5联介国欧洲经济委员会 工作组UNZECE/WP.29/AC.3 HFCV気燃料电池行乍 全球技木法规（简称 GTR）GTRAJj以糸统为尖较对象,山编制说明、法规1上文和附 录三部分纟IL成.法埋止文内容 拭奖有阴大部分：整乍安 仝婪求和貳验力.法、乍我你纽系统安全要求何狀验方法.该法规给出编体気系统、液気尙存系统、燃料系统 及电池安全:的安全性能顺厅实豹耍求及型式忒吹耍未。JGI 1腮诂月J不大J*

6、70MPa,没订命不高F-15年。6欧 W法规 EC 79/2009和 EU 406,2010気动力汽乍 型式UUiE丿也以系统为UW佥对象.分洌给出编気你存系统、液 该储”系统中*瓶、版岡、池旅装買、调旅迥、连桜竹$、I1W零部件和系统的型J弋认h”顷厅实WT及求和 安装焚水.没订右命不命r 20年.世界各国对车载储氢气瓶制定标准而 ISO/CD 19881:2015车 用压缩氢 气瓶是 2015年提 出的国际 标准草案序号内容我国企业标准技术要求ISO CD 19981:2016 技术要求1MS公称压力35MPa,公称水容积不大 450L,常用温度YO65C,充 装压缩題气，设计為命不高于

7、-15 年的山型瓶。用公称压力不大70MPa,温度-4085C,LL容积不大于 1000L 的车用压缩氢汽瓶。2结构型式端丿F 口或者两端开口的【II型瓶。分为A类、B类、C类三个类别：分为I型、II型、山型、IV型四种 气瓶。3设汁要求设计寿命不高于15年,水压试验 压力为1.5倍公称工作压力,最小 设汁爆破压力不小r 3.4倍公称 压力（玻璃纤维）。A类和C类气瓶的设订寿命在10 年到25年之间,B类气瓶的设i|-寿命为15年。4介质压缩富气压缩气瓶5材料内脾采用6061铝合金,采用挤压、冲压拉仲或旋压成型，进行固溶时 效热处理：缠绕层为玻璃纤维、芳 纶纤维或者碳纤維，树脂采用热固 性树脂

8、或者热塑性树脂。III型气瓶内脾采用铝介金；缠绕层 为玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维；树脂采用热固性树脂或者热塑性 树脂。6型式试验 要求（瓶（只向乾切强度、水丿K爆破试 验、常温疲劳、火烧、枪击、损失 容限、极限温度疲劳试验、跌落、化学腐蚀、加速应力破坏）III型气瓶常温疲劳、水压爆破试 验、火烧、枪击、损伤容限试验、极限温度疲劳忒验、跌落、化学腐 蚀试加速应力破坏、気气气体 循坏试验铝内胆碳纤维缠绕气瓶结构形式缠绕设备缠绕设备工作示意图三工位缠绕机缠绕机主要由芯模驱动和绕丝嘴驱动两大部分组成。OCHCHCH双酚A型环氧树脂结构树脂基体环氧树脂是泛指含有两个或两个以上环氧基&匕，以脂肪族、脂环族

9、或芳香族 等有机物为骨架并能通过环氧集团反应形成有用的热固性高分子低聚体。特点：力学性能高，具有很强的内聚力，分子结构致密；粘结性能优异，体系中有活性极大的环氧 基、羟基、及蟋键、胺键、酯键等赋予的高粘结强度；固化收缩小；工艺性能好；性能稳定，在热 固性树脂综合性能最好。同时配方设计具有灵活性和多样性。芳香胺加成聚合型.一显在型固化剂潜伏型-催化型-直链脂肪胺聚醜胺L脂环胺阴离子聚合型 一阳离子聚合型单官能酸哥 两官能酸醉 游离酸酸酎酸帝型寸 一酚醛型IJ一聚硫醇型单一多胺多胺型改性胺W=M*K*EnW=M*E n%w：100g环氧胺类固化剂用量(g)；M：胺类值 子量；n：胺中活泼氢原子数；

10、E：环氧树脂环氧 值；：胺固傲制纯度W：100g环氧酸酉(固化剂用量(g)；M：酸酉干类固化 剂分子量；n：分子结构中酸酎单元数；E：环氧树脂环 氧值;K：经验系数(0.75-1.0)，一般选0.85RiNH2+CH2CHR2 RiNHCH?CHR2 OHRiNHCH2CHR2+OHCH+CH CHOHOOHOHKiOHCH2CHR2OCH2CHR2RN，CH2CHR2环氧树脂与胺类固化历程ROOTC/R/Co?oo/CNR 件/RC-OCH?HCH2 o Io I c-o/RT/C-NR 撰R、cOCH：CHCH2O 勇?JNR脾b、ocNR 脾R芦o?C-NR,+CH2CHo C-O-CH

11、2o环氧树脂与酸酎固化历程实例J:CTBN改性环氧树脂的环氧值为0.56,使用甲基四氢苯酎作为固化剂，树脂体系中促进剂含量 为1份，改性剂1.5份，求该树脂配方中甲基四氢苯酎的用量。分子量为166.18,反应官能团为1个酸酊基团W=K*E=X(0.850.90)X0.56=79.183.7取w值为80份，即具体树脂配方为：CTBN改性环氧树脂100份（质量），促进剂1份，改性剂1份。湿法缠绕树脂基本要求：树脂粘度0.6-1.5Pa.S,适用期2.5-3ho甲基四氢苯酎80份,内胆设计固化成型充放氢循环试验系统结构有限元分析纤维缠绕储氢气瓶设计线路层合板理论各层间不产生滑移；薄板，忽略Z向应力；

12、垂直于的中面直线变形后仍为直线。-F邛%M W球4=0)*(冬 Ft)k=4=蔻位序-构 k=k 心=芝卸G；-Z；T)3妇 k缠绕内胆纤维缠绕容器在工艺要求的不断提升下，要求容器的承载能力加大、质量要求减轻，因此有了金 属内衬纤维缠绕的压力容器的出现。内衬层起到定型和密封作用，外部纤维缠绕主要承担压力载荷。纤维缠绕复合材料比重小，质量 轻，便于移动和携带，使压力容器的应用愈来愈方便。缠绕铝合金内胆缠绕气瓶铝内胆特征：1.结构是无缝隙、防渗透；2.铝内胆在很大温度范围内比较稳定；3.铝内胆抗碰撞，损伤容限比塑料内胆高；4.内胆厚度比塑料薄。5.研制周期长、价格高。高分子呈聚合物内衬绑塗虱用w内

13、川阈確w尤切1.不会产生应力腐蚀和氢脆现象,特 别适合CNG和高压氢气；2.塑料内胆具有优良的抗疲劳性能，疲劳寿命可达45000次以上；3.耐酸、碱等腐蚀性能优越，对气体 纯度要求不高；4抗冲击性能优越，即使瓶体被冲击 深坑，也不会发生爆炸；5.制造工艺简单，成本更低；6.在储氢高压方面更具有优势。4(1-/2)U/E4气质I tf%:内衬失稳应力；E：内衬弹性模量；:内衬材料泊松比頌tf:内衬与纤维厚度；R：内衬半第；:纤维初张力实彳列：铝合金内衬厚度为2mm；直径为100mm；缠绕复合材 料层的厚度为4.0mm,单层厚度0.223mm,求纤维缠绕初张力。E V 72000,2、2 e、_%

14、.=-也=-x()2=31.6(MPa)4(1-)3 丿 4x(1-032)50%=七.匕/=31.6x2 士4=15.8()T。=15.8x0.223=3.5(2/mm)缠绕结构设计11：内衬总长；I：筒身段长度；D：筒身段直径;d：接嘴外径；t：内衬厚度；t1：封头底部厚度P：设定内压；f：单根纱拉断0小M：纵向纱片数；N：纱团数；m：2fMNcosaPD 5 。、n=-(2tarTa)4fmN:缠绕角 环向纱密度实例：内衬尺寸：D=150mm；dl=80mm；缠绕用纤维为T700；复丝拉断力仁160Kgf；w=4mm 要求设计爆破压力Pb=20Mpa,求缠绕层设计。设计过程：缠绕角度：a

15、=arcsin(dl/D)=32.2,取32.2；每层螺旋向纱片数:/VT N vw w 必人-2*X Z X,Cxcjd C GO.H Z-寸螺旋向缠绕层数:x Z，夕z x x x ZF=/，x _，.蚤x/.多环向缠绕层数：m=10/4.5=2.22注环向纱片宽设为4.5mmz CN kg、3工X N.C surface.Elbow circular cross-section.Create FEA dm._Cone-ExitElbow rectangular cross-section-.Elbow dKptical cross-$ectov.load project-Sve proj

16、ect.Rectangular cro$s-section.M Elliptical cross-section.DXF contour.30缠绕4切点纱线状态缠绕厚度变化缠绕井度变化45缠绕4切点纱线状态15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80r/mmE EE E 9 9 8 87 76 65 54 43 32 2E EE E%头纤厚变匕封处维度仆2 2 3 3t(r)=mx+m2r+m3r+m4r*x r tr I 771 /TI4:与工艺相关待定系数r:极孔平行圆半径/、7?COS%心)-r cos aco iFFE,，R:筒身段半径 a0:筒身

17、段缠绕角。：封头平行圆缠绕角r:极孔平行圆半径ta：筒身缠绕层厚度气瓶结构仿真设计利用ABAQUS、ANSYS等有限元设计软件进行储氢气瓶的仿真模拟，实现对 气瓶理论设计的验证与优化，可以实现不同优化结构和不同路径等状态的考核。进一步，通过Matlab优化算法实现不同工艺参数与结构设计的逐步优化。-.071372:;歸間牌間牌仰气瓶不同模态、承载变形、/有厚度应力分析 _爆破时内衬Mises应力分布 爆破时纤维层应力分布|e.eo3O217.677426.551835.4262|44.300653.17S62.049470.923879.798封头段应力分析M ON XP0.5-0.00 1.

18、00 2.00 3.00 4.00 S.00 6.00 7.00疲劳寿命对数IgxM:04/45/902/-45SS N:02/45/-45/02/902SSP:45/-45/02/902/02S0.12 mmo 0.15 mm0 )00 200 300 400 500 600 700Length/mm缠绕厚度对疲劳性能影响气瓶开发开发出多个规格的III型复合 材料气瓶，常见的容积规格有 3L,6.8L,9L,12L,20L,55L、等。可以根据来图加工定制。可以根据来图加工定制。规格。工作压力。03L30MPa-50MPa.6.8L.30MPa 50MPa。9L30MPa 50MPa。12L

19、30MPa 70MPa。20L30MPa 70MPa 55L30MPa 70MPa。检测持术配奁及开发检测持术配奁及开发9 /p F /，./材料基木性能检测、丿K K力容器无损检测高压循环寿命检测设备等O O脉冲实验台、疲劳试验机X X射线检测红外探伤热场电镜在线结构检测超声波探伤垂 二2.9气瓶无损探伤技术开发爆“G力-Kffi力疲劳与寿命技术基于复合材料高压疲劳损伤 机理，累积材料数据，建立经 验公式，预测气瓶寿命。建立气瓶在线健康监测系统，提供实时数据，提高气瓶使用 安全性。复合材料传感器（AE換能器）滤 波 器计 算 枳高速 转换器放大器热塑性树脂EUUM液态热塑树脂优势tLIWK次

20、Kit*12队190树脂纯浇注体性能|性能性能UnitEliumHO IMpa70.59拉伸模量模量ISO 527Gpa3.07断裂率%3.8Mpa117.92模量模量ISO 684Gpa3.63断裂率%2.7穹曲搬搬1 SOI 78Mpa110.56ModulusGpa2吸水ISO 62%Elium 190层合板性能1250gsmglass UD-TM+CPIC at 56 v%住能住能UnitElium 190拉伸(0)5蝠模量模量ISO 527-5MpaGpa46.8断裂应变%3.35压缩(0)弓號弓號SACMASRMIR-94Mpa雖雖Mpa1290穹曲(0)模量模量ISO 14125

21、Gpa46.6断裂应变%3以ISO 527-5TypeBMpa拉伸(90)模量Gpa13.2断裂应变%0.41练习题1.铝合金内衬厚度为2mm；直径为150mm；缠绕复合材料层的厚度为3.6mm,单层厚度 0.225mm,求纤维缠绕初张力。2.一湿法缠绕树脂配方，环氧树脂的环氧值为0.52,使用甲基六氢苯酎作为固化剂，计算100g 环氧树脂需添加多少甲基六氢苯酎进行固化。3.若进行缠绕气瓶的研制，需要从哪些方面考虑研制所需条件。4.一小型气瓶，最高使用内压为26.5MPa,要求具有1.5倍以上的使用安全系数，气瓶外径是 135mm,气嘴处直径是41mm,使用T700碳纤维进行缠绕，纤维复丝拉断力为f=170kgf,纤 维缠绕纱片宽带为4mm,环向可调整为4.5mm,试进行缠绕结构层设计。