【摘 要】
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随着氢燃料电池和电动汽车的快速发展和产业化,IV型储氢气瓶因其轻量化、疲劳性能优异等特点,已成为全球研究的热点。IV型储氢气瓶目前普遍采用碳纤维作为主要复合材料,但是出于轻质的要求,本文将采用质量更轻的芳纶纤维作为主要复合材料,并对其进行结构设计、仿真分析、疲劳分析以及最佳自紧力优化。本文针对70MPa IV型储氢气瓶主要进行以下几方面研究:（1）对芳纶复合材料IV型储氢气瓶进行结构设计。依照设计
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随着氢燃料电池和电动汽车的快速发展和产业化,IV型储氢气瓶因其轻量化、疲劳性能优异等特点,已成为全球研究的热点。IV型储氢气瓶目前普遍采用碳纤维作为主要复合材料,但是出于轻质的要求,本文将采用质量更轻的芳纶纤维作为主要复合材料,并对其进行结构设计、仿真分析、疲劳分析以及最佳自紧力优化。本文针对70MPa IV型储氢气瓶主要进行以下几方面研究:（1）对芳纶复合材料IV型储氢气瓶进行结构设计。依照设计指标,进行内胆结构的整体设计,并依据网格理论为基础对内胆结构和纤维增强层进行初步设计。依据叠层理论,采用二次破坏强度理论和Tcai-Hill强度理论对强度进行两次校核,保证复合强度要求。（2）芳纶复合材料IV型储氢气瓶在不同内压工况下的有限元设计。基于ABAQUS,WCM插件建立有限元模型。对塑料内胆进行屈曲分析,为防止在纤维缠绕过程中塑料内胆发生屈曲现象。通过对气瓶在各个载荷工况下的应力应变分析,以保证在各个载荷工况下气瓶均满足气瓶设计要求。（3）气瓶的疲劳优化设计。采用ABAQUS对气瓶进行不同自紧压力下的应力分析,得出不同自紧压力对气瓶平均应力和纤维应力比的影响。可知:提高气瓶的抗疲劳性能是通过降低内胆平均应力来实现;依据纤维应力比的约束条件得出最佳自紧力。自紧处理后气瓶疲劳寿命提升200%,以此可证明自紧处理可大幅提升气瓶的疲劳寿命。综上所述,本文以芳纶复合材料IV型储氢气瓶为研究对象,选择芳纶纤维复合材料作为缠绕层材料,对其进行整体结构设计并采用有限元软件ABAQUS对低温高压储氢气瓶的强度和复合材料气瓶的疲劳寿命进行研究,得到最佳自紧压力和疲劳循环次数,为降低低温高压储氢的成本和提高安全循环次数提供理论基础。
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