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碳纤维全缠绕复合材料高压储氢气瓶耐局部火烧性能研究

作　者: 欧可升
导　师: 郑津洋
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 复合材料高压储氢气瓶耐火性能局部火烧试验传热特性力学性能退化热-结构耦合失效预测
分类号: TQ116.2
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

氢能具有来源多样、洁净环保、可储运、可被高效转换利用等优点,将成为与电能同样重要的二次能源。氢能与氢燃料电池汽车的发展已成为世界主要汽车生产国的国家战略,也是我国中长期科学与技术发展规划纲要的重点基础研究内容。高压储氢因具有设备结构简单、压缩氢气制备能耗低、充装和排放速度快等优点,已成为氢燃料电池汽车普遍采用的储氢方式。高压储氢气瓶作为氢燃料电池汽车的重要储能部件,因储存介质为易燃易爆的高压氢气(35～70MPa),且具有可燃的碳纤维/树脂复合材料层,其在汽车起火等意外事故中的安全性能已成为氢燃料电池汽车被公众广泛接受和市场化推广的关键。汽车意外起火往往导致高压储氢气瓶受局部火作用,其在压力泄放装置(PRD)开启前发生爆炸的危险大大增加。目前高压储氢气瓶在局部火烧环境下的耐火性能尚不明确,更缺乏失效预测方法,亟待开展研究。本文在国家高技术研究发展计划(“863"计划)课题“高压储氢、输氢、加氢安全保障技术装备与应用示范”(项目编号：2012AA051504)的支持下,针对碳纤维全缠绕复合材料高压储氢气瓶的耐局部火烧性能开展了研究。主要研究内容和取得的创新成果如下：(1)开展了高压储氢气瓶局部火烧试验关键技术研究,形成了自冷却气体快速增压、火源扩展远程控制、热响应参数远程监测、试验安全保障等高压储氢气瓶局部火烧试验关键技术,研制了高压储氢气瓶局部火烧试验装置。开展了高压储氢气瓶局部火烧试验与火烧残余强度试验研究,重点研究了氢气与空气分别作为气瓶充装介质时的热响应与泄放规律,以及氢气与空气泄放对气瓶火烧残余强度的影响规律。研究表明：氢气与空气在局部火烧试验时的热响应差异较小,但氢气的泄放速率远大于空气的泄放速率；受氢气泄放后发生爆燃的影响,充装介质为氢气的局部火烧试验气瓶的火烧残余强度更小。(2)基于高压储氢气瓶局部火烧试验研究结果,建立了高压储氢气瓶局部火烧试验过程数值模型,实现了不同火源类型的高压储氢气瓶局部火烧试验过程模拟。基于所构建的数值模型,开展了局部火烧条件下高压储氢气瓶传热特性研究,揭示了充装介质、充装压力、局部火烧时间、局部火烧部位等对PRD动作时间的影响规律；对比分析了铝内胆(Ⅲ型瓶)与塑料内胆(Ⅳ型瓶)碳纤维全缠绕高压储氢气瓶在局部火烧环境下的传热特性差异。研究表明：仅内胆材料不同时,在相同的局部火烧环境下,Ⅲ型瓶内的氢气平均温升与压升速率高于Ⅳ型瓶；当气瓶局部火烧部位远离瓶口PRD时,Ⅲ型瓶的瓶口氢气温升速率高于Ⅳ型瓶,热量能更快地传递至其PRD。(3)解决了高压储氢气瓶局部火烧试验过程数值模型与有限元分析模型间的热响应数据耦合传递问题,建立了局部火作用下气瓶热载荷分析方法,实现了高压储氢气瓶热-结构耦合边界条件的有效传递。构建了高压储氢气瓶铝内胆与碳纤维／树脂复合材料层的材料力学性能退化模型,结合气瓶热载荷分析结果,建立了热-结构耦合作用下气瓶力学响应分析方法；在此基础上,通过求解气瓶在局部火烧各时刻下的爆破压力,揭示了气瓶爆破压力随局部火烧时间的退化规律,进而建立了气瓶爆破压力-瓶内气体压力-局部火烧时间的关联关系,提出了局部火作用下高压储氢气瓶的爆破压力与耐火时间预测方法,并以日本汽车研究所(JARI)开展的高压储氢气瓶局部火烧爆炸试验为例,对气瓶的爆破压力与耐火时间进行了预测,验证了预测方法的准确性。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
ABSTRACT  9-23
第1章绪论  23-49
  1.1. 引言  23-32
    1.1.1 氢能发展概述  23-25
    1.1.2 氢燃料电池汽车发展概况  25-27
    1.1.3 复合材料高压储氢气瓶发展现状  27-32
  1.2. 复合材料高压储氢气瓶火烧试验方法研究进展  32-38
    1.2.1 整体火烧试验方法的局限性  32-33
    1.2.2 局部火烧试验方法的必要性  33-35
    1.2.3 局部火烧试验方法的主要内容  35-37
    1.2.4 局部火烧试验方法的主要特点  37-38
  1.3. 火烧条件下复合材料高压储氢气瓶传热特性研究进展  38-42
    1.3.1 试验研究  38-40
    1.3.2 数值模拟  40-42
  1.4. 复合材料高压储氢气瓶失效研究进展  42-45
    1.4.1 结构载荷作用下气瓶失效研究进展  42-43
    1.4.2 复合材料层合板热损伤研究进展  43-44
    1.4.3 热-结构耦合作用下气瓶失效研究进展  44-45
  1.5. 目前存在的主要问题  45-46
  1.6 研究内容与技术路线  46-49
    1.6.1 课题来源  46
    1.6.2 研究内容  46-47
    1.6.3 技术路线  47-49
第2章复合材料高压储氢气瓶局部火烧试验装置研制及试验研究  49-79
  2.1 引言  49-50
  2.2 试验关键技术研究  50-56
    2.2.1 自冷却气体快速增压  50-51
    2.2.2 火源扩展远程控制  51-53
    2.2.3 热响应参数远程监测  53-54
    2.2.4 试验安全保障  54-56
  2.3 试验装置研制  56-60
    2.3.1 试验装置总体方案设计  56-57
    2.3.2 自冷却气体增压系统  57-59
    2.3.3 火源扩展远程控制系统  59
    2.3.4 热响应参数远程监测系统  59
    2.3.5 数据采集系统  59-60
    2.3.6 安全保护系统  60
  2.4 气瓶局部火烧试验研究  60-68
    2.4.1 试验目的  61
    2.4.2 试验方法  61-68
  2.5 气瓶火烧残余强度试验研究  68-69
    2.5.1 试验目的  68
    2.5.2 试验方法  68-69
  2.6 结果分析与讨论  69-76
    2.6.1 气瓶瓶体的热响应规律  69-71
    2.6.2 氢气与空气的热响应规律  71-73
    2.6.3 氢气与空气的泄放规律  73-74
    2.6.4 氢气与空气泄放对气瓶火烧残余强度的影响规律  74-76
  2.7. 本章小结  76-79
第3章局部火烧条件下复合材料高压储氢气瓶传热特性研究  79-107
  3.1. 引言  79
  3.2. 模型建立  79-85
    3.2.1 模型假设  80
    3.2.2 基本控制方程  80-81
    3.2.3 湍流子模型  81-82
    3.2.4 燃烧子模型  82-83
    3.2.5 传热子模型  83-84
    3.2.6 瓶内气体热响应子模型  84-85
    3.2.7 数值算法  85
  3.3. 模型参数  85-94
    3.3.1 几何参数  85-88
    3.3.2 热物理参数  88-93
    3.3.3 边界条件与网格  93-94
  3.4. 模型验证  94-97
  3.5. 结果分析与讨论  97-106
    3.5.1 PRD动作时间的影响规律  97-103
    3.5.2 Ⅲ型瓶与Ⅳ型瓶的传热特性对比  103-106
  3.6. 本章小结  106-107
第4章局部火作用下复合材料高压储氢气瓶失效预测方法  107-135
  4.1. 引言  107-108
  4.2. 局部火作用下气瓶热载荷分析方法  108-110
    4.2.1 气瓶热响应分析  108
    4.2.2 热响应数据耦合传递  108-109
    4.2.3 气瓶热分析  109-110
  4.3. 热-结构耦合作用下气瓶力学响应分析方法  110-119
    4.3.1 材料力学性能退化模型  110-115
    4.3.2 内胆弹塑性力学分析  115-116
    4.3.3 复合材料层力学分析  116-118
    4.3.4 有限元实现  118-119
  4.4 气瓶爆破压力与耐火时间预测方法  119-122
    4.4.1 气瓶失效准则  119-121
    4.4.2 气瓶爆破压力预测方法  121-122
    4.4.3 气瓶耐火时间预测方法  122
  4.5 分析案例与方法验证  122-134
    4.5.1 气瓶局部火烧爆炸试验案例  122-124
    4.5.2 气瓶热载荷分析  124-129
    4.5.3 气瓶力学响应分析  129-132
    4.5.4 气瓶爆破压力与耐火时间预测  132-134
  4.6 本章小结  134-135
第5章总结与展望  135-139
  5.1 主要研究内容与结论  135-136
  5.2 主要创新点  136-137
  5.3 展望  137-139
参考文献  139-153
在读期间取得的科研成果  153-155
在读期间参与科研项目  155
在读期间获得奖项  155

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