纖維纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶的制備課件

2020.10纖維纏繞復(fù)合材料高壓儲氫氣瓶的制備設(shè)備測試（抗沖擊性）保護(hù)展（抗沖擊性）壓力釋放閥車載高壓儲氫氣瓶氫能作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的新能源，被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗侨祟惖膽?zhàn)略能源發(fā)展方向。目前，氫能技術(shù)硏究的重點在于汽車產(chǎn)業(yè)等方面的應(yīng)用。氫氣儲存技術(shù)是氫能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，碳纖維復(fù)合材料高壓智能儲氫氣瓶是理想的車用高壓氣態(tài)儲氫容器SensorsCylindersFrame.Brackets,ProtectionPressureRegulatorPiping,ValvesCylinderI\Valve

瓶閥LowPressureH2Outlet氣瓶HighPressureH2Filling咼壓充氫智能在線壓力探廁系統(tǒng)導(dǎo)電連接ElectricalConnection低壓氫氣出口燃料電池反應(yīng)堆料電池升壓逆變器一科技發(fā)展及環(huán)保需求2020年被認(rèn)為是氫燃料電池商品車市場啟動年。預(yù)計隨著氫能與燃料電池、關(guān)鍵材料等技術(shù)的逐步成熟，氫燃料電池系統(tǒng)的成本繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢，將更加有利于氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化。.動打方布與啊花克瀉閔宛丹頌公平騒慶甲種.窩驅(qū)：BSSF-Cell是辯&苜軟電池車.零排SL續(xù)蛔達(dá)400公里：率田：FCVRI將斗電池車墳#于2011”吸2COWM做?并孑何年交付ggg會戶.KV?地gon年狹!"■?或昊帽，米零計出20”年廣.全球10家車企在新能源規(guī)劃匯中將氫能源項目列入重點丿m國際標(biāo)準(zhǔn)名稱詁川涎：1何1歐CGH2R：

2006《気動力行乍仙紈系統(tǒng)》CGH2R標(biāo)HE足犬JF個丿K編気團(tuán)能力行乍供紈系統(tǒng)的，2006年12丿J公布，作兵附錄7的A、B陰個部分給出，r卻心諾気瓶的共求。A部分為*瓶沒計制造的疫求，B部分為'（瓶檢駛的試駛?cè)f法。沒訂右命不"F20年211木JIGA-T-S：

2004《勻或能汽乍川!<5J代儲紐/（瓶技術(shù)標(biāo)淮》JIGA標(biāo)沖足?部VfJ針對紅維綁繞偉丿K氛'【脫的標(biāo)準(zhǔn).制訂「2004年.標(biāo)HE內(nèi)容在要包括五章:總則、制造方法、沒訂確認(rèn)及批貳驗、型試驗及附氷：.詁川廣金膩內(nèi)膽車用纖錐仝綢繞価壓気*瓶柯型料內(nèi)脾軍用纟F緋綿繞45J心式*瓶，并耍求充裝的WC純度/li99.99%以1-.未明確沒訂％命.3國際標(biāo)ME化纟131ISO/DIS15869：2009《乍川*1及気，*<t*倫存汽瓶》ISO標(biāo)HE足國際標(biāo)沛化組織気技木委員公#n*瓶技木委員公的'1瓶沒計分技木委員會聯(lián)<r起孕的。共內(nèi)容E-41S們丄材料、沒施耍求、結(jié)構(gòu)和匚藝、嘔式試驗、場只貳駭柯批試阪、標(biāo)記、応輸淮俗及四個附錄。詁川廣金胰內(nèi)月旦乍川纟F維全綢繞何丿K気*瓶和型料內(nèi)膽乍川纟F緋綁繞兩iJEM'C微:，并要求充裝気*純度99.99%以上。設(shè)：訂壽命不爲(wèi)于15年.41村際標(biāo)準(zhǔn)孕案ISO/CD19881:2015《車用壓編紂'頃》HJJ?公稱匚作旅丿J不大J-70MPa,IL容積不大J*1000L的乍川床縮仙―瓶，1￡孌包林材料、沒計、制造、標(biāo)識、生產(chǎn)伏駛及附錄5聯(lián)介國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會工作組UNZECE/WP.29/AC.3HFCV《気燃料電池行乍全球技木法規(guī)》（簡稱GTR）GTRAJj以糸統(tǒng)為尖較對象,山編制說明、法規(guī)1上文和附錄三部分纟IL成.法埋止文內(nèi)容拭獎有陰大部分：整乍安仝婪求和貳驗力.法、乍我你紐系統(tǒng)安全要求何狀驗方法<.該法規(guī)給出編體気系統(tǒng)、液気尙存系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)及電池安全:的安全性能順廳實豹耍求及型式忒吹耍未。JGI"1腮詁月J『不大J*70MPa,沒訂％命不高F-15年。6歐W法規(guī)EC79/2009和EU406,2010《気動力汽乍型式UUiE》丿也以系統(tǒng)為UW僉對象.分洌給出編気你存系統(tǒng)、液該儲”?系統(tǒng)中*瓶、版岡、池旅裝買、調(diào)旅迥、連桜竹?$、I1W零部件和系統(tǒng)的型j弋認(rèn)h”頃廳實WT及求和安裝焚水.沒訂右命不命r

20年.世界各國對車載儲氫氣瓶制定標(biāo)準(zhǔn)而ISO/CD19881:2015《車用壓縮氫氣瓶》是2015年提出的國際標(biāo)準(zhǔn)草案序號內(nèi)容我國企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求ISOCD19981:2016技術(shù)要求1MS公稱壓力35MPa,公稱水容積不大「450L,常用溫度YO—65°C,充裝壓縮題氣，設(shè)計為命不高于-15年的山型瓶。用「公稱壓力不大「70MPa,溫度-40—85°C,LL容積不大于1000L的車用壓縮氫汽瓶。2結(jié)構(gòu)型式?端丿F口或者兩端開口的【II型瓶。分為A類、B類、C類三個類別：分為I型、II型、山型、IV型四種氣瓶。3設(shè)汁要求設(shè)計壽命不高于15年,水壓試驗壓力為1.5倍公稱工作壓力,最小設(shè)汁爆破壓力不小r3.4倍公稱壓力（玻璃纖維）。A類和C類氣瓶的設(shè)訂壽命在10年到25年之間,B類氣瓶的設(shè)i|-壽命為15年。4介質(zhì)壓縮富氣壓縮氣瓶5材料內(nèi)脾采用6061鋁合金,采用擠壓、沖壓拉仲或旋壓成型，進(jìn)行固溶時效熱處理：纏繞層為玻璃纖維、芳綸纖維或者碳纖維，樹脂采用熱固性樹脂或者熱塑性樹脂。III型氣瓶內(nèi)脾采用鋁介金；纏繞層為玻璃纖維、芳綸纖維或碳纖維；樹脂采用熱固性樹脂或者熱塑性樹脂。6型式試驗要求'（瓶（只向乾切強(qiáng)度、水丿K爆破試驗、常溫疲勞、火燒、槍擊、損失容限、極限溫度疲勞試驗、跌落、化學(xué)腐蝕、加速應(yīng)力破壞）III型氣瓶〈常溫疲勞、水壓爆破試驗、火燒、槍擊、損傷容限試驗、極限溫度疲勞忒驗、跌落、化學(xué)腐蝕試加速應(yīng)力破壞、気氣氣體循壞試驗〉鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)形式纏繞設(shè)備纏繞設(shè)備工作示意圖三工位纏繞機(jī)纏繞機(jī)主要由芯模驅(qū)動和繞絲嘴驅(qū)動兩大部分組成。OCHCHCH雙酚A型環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)~樹脂基體環(huán)氧樹脂是泛指含有兩個或兩個以上環(huán)氧基&匕，以脂肪族、脂環(huán)族或芳香族等有機(jī)物為骨架并能通過環(huán)氧集團(tuán)反應(yīng)形成有用的熱固性高分子低聚體。特點：力學(xué)性能高，具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，分子結(jié)構(gòu)致密；粘結(jié)性能優(yōu)異，體系中有活性極大的環(huán)氧基、羥基、及蟋鍵、胺鍵、酯鍵等賦予的高粘結(jié)強(qiáng)度；固化收縮小；工藝性能好；性能穩(wěn)定，在熱固性樹脂綜合性能最好。同時配方設(shè)計具有靈活性和多樣性。芳香胺加成聚合型.一顯在型固化劑「潛伏型■?-催化型-「-直鏈脂肪胺聚醜胺L脂環(huán)胺「陰離子聚合型一陽離子聚合型單官能酸哥兩官能酸醉游離酸酸酎—酸帝型寸一酚醛型IJ一聚硫醇型單一多胺多胺型改性胺W=M*K*EnW=M*En"%w：100g環(huán)氧胺類固化劑用量(g)；M：胺類值子量；n：胺中活潑氫原子數(shù)；E：環(huán)氧樹脂環(huán)氧值；：胺固傲制純度W：100g環(huán)氧酸酉(固化劑用量(g)；

M：酸酉干類固化劑分子量；n：分子結(jié)構(gòu)中酸酎單元數(shù)；E：環(huán)氧樹脂環(huán)氧值;K：經(jīng)驗系數(shù)(0.75-1.0)，一般選0.85Ri—NH2+CH2—CH—R2RiNH—CH?—CH—R2°OHRiNH—CH2—CH—R2

+OH—CH+CH—CH—OHOOHOHKiOHCH2—CH—R2OCH2—CH—R2R—N，\CH2—CH—R2環(huán)氧樹脂與胺類固化歷程ROOTC/\R\/Co?oo/C—NR件/RC-OCH^?HCH2—oIoIc-o/R\T④/C-NR撰R、c—OCH：CHCH2?O勇?JNR脾b、oc—NR脾R’'蘆o?C-NR,?+CH2—CH—'oc-o-ch2o環(huán)氧樹脂與酸酎固化歷程實例J:CTBN改性環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值為0.56,使用甲基四氫苯酎作為固化劑，樹脂體系中促進(jìn)劑含量為1份，改性劑1.5份，求該樹脂配方中甲基四氫苯酎的用量。分子量為166.18,反應(yīng)官能團(tuán)為1個酸酊基團(tuán)W=^K*E=^x(0.85~0.90)x0.56=79.1~83.7取w值為80份，即具體樹脂配方為：CTBN改性環(huán)氧樹脂100份（質(zhì)量），促進(jìn)劑1份，改性劑1份。濕法纏繞樹脂基本要求：樹脂粘度0.6-1.5Pa.S,適用期＞2.5-3ho甲基四氫苯酎80份,內(nèi)膽設(shè)計固化成型充放氫循環(huán)試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元分析纖維纏繞儲氫氣瓶設(shè)計線路層合板理論?各層間不產(chǎn)生滑移；?薄板，忽略Z向應(yīng)力；?垂直于的中面直線變形后仍為直線。㈣-F邛%}MW球〃4=￡0)*(冬F(xiàn)t)k=\4=蔻位"序-構(gòu)』k=\k心=芝卸G；-Z；t)3婦k纏繞內(nèi)膽纖維纏繞容器在工藝要求的不斷提升下，要求容器的承載能力加大、質(zhì)量要求減輕，因此有了金屬內(nèi)襯纖維纏繞的壓力容器的出現(xiàn)。內(nèi)襯層起到定型和密封作用，外部纖維纏繞主要承擔(dān)壓力載荷。纖維纏繞復(fù)合材料比重小，質(zhì)量輕，便于移動和攜帶，使壓力容器的應(yīng)用愈來愈方便。纏繞鋁合金內(nèi)膽纏繞氣瓶鋁內(nèi)膽特征：1.結(jié)構(gòu)是無縫隙、防滲透；2.鋁內(nèi)膽在很大溫度范圍內(nèi)比較穩(wěn)定；3.鋁內(nèi)膽抗碰撞，損傷容限比塑料內(nèi)膽高；4.內(nèi)膽厚度比塑料薄。5.研制周期長、價格高?！叻肿映示酆衔飪?nèi)襯■「綁塗虱用w內(nèi)川〔閾確w尤切［1.不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象,特別適合CNG和高壓氫氣；2.塑料內(nèi)膽具有優(yōu)良的抗疲勞性能，疲勞壽命可達(dá)45000次以上；3.耐酸、堿等腐蝕性能優(yōu)越，對氣體純度要求不高；4?抗沖擊性能優(yōu)越，即使瓶體被沖擊深坑，也不會發(fā)生爆炸；5.制造工藝簡單，成本更低；6.在儲氫高壓方面更具有優(yōu)勢。4(1-//2)U/E4氣質(zhì)Itf%:內(nèi)襯失穩(wěn)應(yīng)力；E：內(nèi)襯彈性模量；:內(nèi)襯材料泊松比頌tf

:內(nèi)襯與纖維厚度；R：內(nèi)襯半第；:纖維初張力實彳列：鋁合金內(nèi)襯厚度為2mm；直徑為100mm；纏繞復(fù)合材料層的厚度為4.0mm,單層厚度0.223mm,求纖維纏繞初張力。E

V72000,2、2e、__%.=------——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)纏繞結(jié)構(gòu)設(shè)計11：內(nèi)襯總長；I：筒身段長度；D：筒身段直徑;d：接嘴外徑；t：內(nèi)襯厚度；t1：封頭底部厚度P：設(shè)定內(nèi)壓；f：單根紗拉斷0小M：縱向紗片數(shù)；N：紗團(tuán)數(shù)；m：2fMNcosaPD5。、n=-----(2?tarTa)4fmN:纏繞角環(huán)向紗密度實例：內(nèi)襯尺寸：D=150mm；dl=80mm；纏繞用纖維為T700；復(fù)絲拉斷力仁160Kgf；w=4mm要求設(shè)計爆破壓力Pb=20Mpa,求纏繞層設(shè)計。設(shè)計過程：纏繞角度：a=arcsin(dl/D)=32.2,取32.2；每層螺旋向紗片數(shù):/VT■—Nvww必人—-2*XZX,CxcjdCGO.H—Z-寸螺旋向纏繞層數(shù):<,//V>xZ，夕zxxxZF=/<，x?_?，，??.蚤x/.多》環(huán)向纏繞層數(shù)：m=10/4.5=2.22注環(huán)向紗片寬設(shè)為4.5mmz—■CN—kg?、3工XN.C<x/Ox=?==》最終纏繞層設(shè)計為：32.2°螺旋向纏繞為2層；環(huán)向纏繞層數(shù)為4層纏繞芯模纏繞厚度變化纏繞角度變化14°纏繞紗線狀態(tài)纏繞軟件主要有CADwind.CADfil等[File]ViewWindingPostprocessingMachineToolsWindowOptionsHelploadmandrel-.SOW.fOVTQCreatemandrelCircularcross*section...DXF->surface.Elbowcircularcross-section...CreateFEAdm._Cone-ExitElbowrectangularcross-section-..ElbowdKpticalcross-$ect>o?v.loadproject-S^veproject..Rectangularcro$s-section.MEllipticalcross-section.^DXF?>contour...30°纏繞4切點紗線狀態(tài)纏繞厚度變化纏繞井度變化45°纏繞4切點紗線狀態(tài)1520253035404550556065707580r/mmEE^98765432EE%頭纖厚變匕封處維度仆23t(r)=mx+m2r+m3r+m4r*??xr>trI771]~/TI4:與工?藝相關(guān)待定系數(shù)r:極孔平行圓半徑/、7?COS%心)'----r

cosacoiFFE,"，R:筒身段半徑a0:筒身段纏繞角。：封頭平行圓纏繞角r:極孔平行圓半徑ta：筒身纏繞層厚度氣瓶結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計利用ABAQUS、ANSYS等有限元設(shè)計軟件進(jìn)行儲氫氣瓶的仿真模擬，實現(xiàn)對氣瓶理論設(shè)計的驗證與優(yōu)化，可以實現(xiàn)不同優(yōu)化結(jié)構(gòu)和不同路徑等狀態(tài)的考核。進(jìn)一步，通過Matlab優(yōu)化算法實現(xiàn)不同工藝參數(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計的逐步優(yōu)化。-.071372::;歸間牌間牌仰氣瓶不同模態(tài)、承載變形、/有厚度應(yīng)力分析__爆破時內(nèi)襯Mises應(yīng)力分布爆破時纖維層應(yīng)力分布|e.eo3O217.677426.551835.4262|44.300653.17S62.049470.923879.798封頭段應(yīng)力分析?MONXP0.5-------------------------------------------------------------------------------------------------0.001.002.003.004.00S.006.007.00疲勞壽命對數(shù)IgxM:[04/45/902/-45]SsN:[02/45/-45/02/902]ssP:[45/-45/02/902/02]s—0.12mm—o—0.15mm0)00200300400500600700Length/mm纏繞厚度對疲勞性能影響氣瓶開發(fā)開發(fā)出多個規(guī)格的III型復(fù)合材料氣瓶，常見的容積規(guī)格有3L,6.8L,9L,12L,20L,55L、等?？梢愿鶕?jù)來圖加工定制。規(guī)格。工作壓力。03L30MPa-50MPa.「6.8L.30MPa?50MPa?！?L30MPa?50MPa。。12L30MPa?70MPa?！?0L30MPa?70MPa『「55L30MPa?70MPa。「檢測持術(shù)配奩及開發(fā)9■■■/?p?■■■■■—F/■，./材料基木性能檢測、丿K力容器無損檢測高壓循環(huán)壽命檢測設(shè)備等O脈沖實驗臺、疲勞試驗機(jī)X射線檢測紅外探傷熱場電鏡在線結(jié)構(gòu)檢測超聲波探傷垂《《《《《《二2.9氣瓶無損探傷技術(shù)開發(fā)爆“G力-Kffi力疲勞與壽命技術(shù)基于復(fù)合材料高壓疲勞損傷機(jī)理，累積材料數(shù)據(jù)，建立經(jīng)驗公式，預(yù)測氣瓶壽命。建立氣瓶在線健康監(jiān)測系統(tǒng)，提供實時數(shù)據(jù)，