纤维缠绕复合材料储氢气瓶的制备课件

2020.10,纤维缠绕复合材料高压储氢气瓶,的制备,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,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,21,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,Sensors,Cylinders,Frame.Brackets,Protection,Pressure Regulator,Piping,Valves,Cylinder I,Valve,瓶阀,Low Pressure,H,2,Outlet,气瓶,High Pressure H,2,Filling,咼压充氢,智能在线压,力探厕,系统,导电连接,Electrical,Connection,低压氢气出口,燃,料电池反应堆,料电池升压逆变器一,车载高压储氢气瓶SensorsCylindersFrame.,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,，,米零计出,20,”年,广.,全球,10,家车企在新能源规划汇中将氢能源项目列入重点,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,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,2,1 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/DIS,15869,：,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.,4,1,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*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,丿m国际标准名称诂川涎：1何1欧 CGH2R：2006気,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,1,MS,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,-,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,而 ISO/CD 19881:2015车 用压缩氢 气瓶,铝内胆碳纤维缠绕气瓶结构形式,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。,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。,OCHCHCH双酚A型环氧树脂结构树脂基体特点：力学性能高,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,I,J,一聚,硫醇型,单一多胺,多胺型,改性胺,W=M*K*E,n,W=,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；,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,0.85,芳香胺加成聚合型.一显在型固化剂潜伏型-催化型-直,RiNH,2,+CH,2,CHR,2,RiNHCH?,CHR2,OH,RiNHCH,2,CHR,2,+,OH,CH,+,CH CH,OH,O,OH,OH,Ki,OH,CH2CH,R2,O,CH,2,CHR,2,RN，,CH,2,CHR,2,环氧树脂与胺类固化历程,RiNH2+CH2CHR2 RiNHCH?C,R,O,O,T,C,/,R,/,C,o,?,o,o,/CNR,件,/,R,C-OCH?HCH2,o I,o I c-o,/,R,T,/C-NR,撰,R,、,cOCH,：,CHCH,2,O,勇,?,JNR,脾,b,、,o,cNR,脾,R,芦,o,?C-NR,+,CH,2,CH,o,c-o-ch,2,o,环氧树脂与酸酎固化历程,ROOT?o/T?bo?C-NR,环氧树脂与酸酎固化历,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,实例J:CTBN改性环氧树脂的环氧值为0.56,使用甲基四,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,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,层合,板理论,各层间不产生滑移；,薄板，忽略,Z,向应力；,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,层合板理论各层间不产生滑移；-F邛%M W球,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,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。,缠绕铝合金内胆缠绕气瓶铝内胆特征：,高分子呈聚合物内衬,绑,塗虱用,w,内川,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。,高分子呈聚合物内衬绑塗虱用w内川阈確w尤切,4(1-/,2,)U,/,E,4,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,t,f,: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,、_,%.=-,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),4(1-/2)U/E4气质I tf%:内衬失稳应力；,缠绕结构设计,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,：,2fMNcosa,PD,5,。,、,n=,-,(2tarTa),4fmN,:缠绕角 环向纱密度,11：内衬总长；I：筒身段长度；D：筒身段直径;d：接嘴外,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=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,4.5mm,z,CN,kg,、,3,工,X,N.C surface.,Elbow circular cross-section.,Create FEA dm._,Cone-,Exit,Elbow rectangular cross-section-.Elbow dKptical cross-$ectov.,load project-,Sve project.,Rectangular cro$s-section.,M,Elliptical cross-section.,DXF contour.,缠绕芯模缠绕厚度变化缠绕角度变化14缠绕纱线状态缠绕软件主,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,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4,15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80,r/mm,EE,9 8765432,EE%,头纤厚变匕,封处维度仆,15 20 25 30 35 40 45 50 55 60,2 3,t(r)=m,x,+,m,2,r,+,m,3,r+m,4,r,*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,a,co,iFFE,，R:,筒身段半径,a,0,:,筒身段缠绕角,。：封头平行圆缠绕角,r:,极孔平行圆半径,t,a,：,筒身缠绕层厚度,2 3*x r tr I 771,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。,气瓶结构仿真设计利用ABAQUS、ANSYS等有限元设计软件,-.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.eo3O2,17.6774,26.5518,35.4262,|,44.3006,53.17S,62.0494,70.9238,79.798,封头段应力分析,-.071372:;歸間牌間牌仰气瓶不同模态、承载变形、/,M ON XP,0.5,-,0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 S.00 6.00 7.00,疲劳寿命对数,Igx,M:,0,4,/45/90,2,/-45Ss,N:,0,2,/45/-45/0,2,/90,2,s,s,P:,45/-45/0,2,/90,2,/0,2,s,0.12 mm,o 0.15 mm,0 )00 200 300 400 500 600 700,Length/mm,缠绕厚度对疲劳性,能影响,M ON XP0.5-,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。,规格。,工作压力。,0,3L,30MPa-50MPa.,6.8L.,30MPa,50MPa,。,9L,30MPa,50MPa,。,。,12L,30MPa,70MPa,。,20L,30MPa,70MPa,55L,30MPa,70MPa,。,气瓶开发规格。工作压力。03L30M,检测持术配奁及开发,9,/,p,F,/,，,./,材料基木性能检测、丿,K,力容器无损检测,高压循环寿命检测设备等,O,脉冲实验台,、,疲劳试验机,检测持术配奁及开发材料基木性能检测、丿K力容器无损检测高压循,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,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,2.9,气瓶无损探伤技术开发,爆,“G,力,-Kffi,力,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,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，,热塑性树脂,EUUM,液态热塑树脂优势,tLI,WK,次,Kit*,12,队,190,树脂纯浇注体性能,|,性能,Unit,EliumHO I,Mpa,70.59,拉伸,模量,ISO,527,Gpa,3.07,断裂率,%,3.8,Mpa,117.92,模量,ISO,684,Gpa,3.63,断裂率,%,2.7,穹曲,搬,1,SOI,78,Mpa,110.56,Modulus,Gpa,2,吸水,ISO 62,%,Elium 190,层合板性能,1250gsmglass UD-TM+CPIC at 56 v%,住能,Unit,Elium 190,拉伸,(0),5,蝠,模量,ISO 527-5,Mpa,Gpa,46.8,断裂应变,%,3.35,压缩,(0),弓號,SACMA,SRMIR-94,Mpa,雖,Mpa,1290,穹曲,(0),模量,ISO 14125,Gpa,46.6,断裂应变,%,3,以,ISO 527-5,TypeB,Mpa,拉伸,(90),模量,Gpa,13.2,断裂应变,%,0.41,热塑性树脂EUUM液态热塑树脂优势tLIWK12队190,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。,练习题,