便携式储氢罐三维建模及静力学分析研究

便携式储氢罐三维建模及静力学分析研究

汤云婷，齐东，牛佳成

（河北建筑工程学院，河北省 张家口市 075000）

摘要：氢具有较高的热值（1.4×108J/kg）。以储氢罐作为便携式能量源，其单位质量具有更高的能量密度，可以灵活应用于民用以及特殊环境作业的场景。本文设计了容量为1升的圆柱形储氢罐，根据GB150-2011压力容器标准，确定其主要结构参数。在Solidworks软件中进行三维建模和有限元分析，考察其应力应变，为小容量储氢罐提供设计依据和优化方法。

关键词：储氢；压力容器；Solidworks；有限元

1.引言

高压气态储氢作为较为常见的储氢方式。储氢罐是储存氢气的压力容器，具有制造成本低、加氢速度快、能耗低等特点，被广泛应用于工业生产和交通等领域。按照制造材料不同，储氢罐主要分为钢制储氢罐、金属内胆纤维缠绕和塑料内胆纤维缠绕等类型。目前，钢制储氢罐主要应用于氢燃料汽车和加氢站。在储氢罐的设计过程中，工艺要求、安全要求和经济性要求是其重要环节[1]。

储氢罐在充放氢气过程中承受实时变化的交变载荷，因此，保证储氢罐的结构强度尤为重要[2]。本文以最节省耗材为原则，在满足压力容器标准安全系数的基础上，计算容量为1升的圆柱形储氢罐的结构参数。最后，在Solidworks软件中，通过建模和有限元分析计算，找出设计结构的薄弱区域并进行适当的优化，为储氢罐的设计提供参考依据。

2.结构参数计算与建模

对于一定容积的圆柱形储氢罐，若要做到最省材料，其内表面积应为最小。假设V为储氢罐体积，S和S´为储氢罐内表面积及其导数，h为储氢罐内部高度，r为储氢罐内部底面半径，则有：

                                                       （1）

取V=1L，S´=0，可得r=54.4mm，h=108mm，即储氢罐内表面积最小参数。

储氢罐材质为钢，内表面喷涂聚合物图层，设计压力为3MPa，安全阀开启压力为4MPa。经初步计算，根据GB150-2011压力容器，确定壁厚为16mm。

为了分析储氢罐体的承压特性，在Solidworks草图中作图，回转生成储氢罐体结构。如图1所示。

图1 储氢罐及剖面结构

3.仿真模拟

为了简化计算，取半截面储氢罐，在Simulation中进行仿真模拟。由于内表面聚合物涂层几乎没有承载强度，因此在仿真模拟过程中不予考虑[3]。对排气孔顶部进行固定，在储氢罐内表面施加设计压力，进行网格划分，生成76913个实体单元，如图2所示。

图2 储氢罐载荷及网格

储氢罐的材料性能会对其强度造成很大影响，一般情况下，其弹性模量越大，刚性越大，承压能力越好[4]。钢的各物理参数如表1所示。

表1钢的物理参数

按照上述条件对储氢罐进行静应力分析，得到其应力应变和位移分布，如图3所示。

a应变分布云图   b位移分布云图

图3 储氢罐应变及位移

通过仿真计算可知，在3MPa氢气压力下，储氢罐总体应变和位移变化很小，符合结构设计要求。最后，在后处理过程中，通过对应力热点诊断发现，储氢罐顶圆开孔处为应力奇异区域，该处为气阀连接孔，应力出现了集中。如图4所示。

图4 储氢罐应力奇异区域诊断

因此，在储氢罐制造过程中，应适当加大该区域的厚度，以保证其可靠性。

4.结论

本文针对容量为1L的储氢罐进行了设计和优化，通过建模和仿真模拟对其进行静力学计算，采用应力热点诊断法对其进行了应力奇异区域分析，得出以下结论：

（1）在r=54.4mm，h=108mm时，1L的储氢罐遵循最为节省材料原则。

（2）16mm壁厚符合3MPa储氢罐安全设计要求。

（3）该圆柱形储氢罐应力集中区域在顶圆开孔处，在制造过程中，应增适当增加该处的厚度，以保证其安全可靠性。

基金项目：河北省科学技术厅、河北省教育厅2022 年大中学生科技创新能力培育专项项目“基于侧面逆丝缠绕的便携式碳纤维储氢罐设计研究”（项目编号：22E50169D）

参考文献：

[1]王兆伟,查元明.Φ500扁平钢带氢气储罐安全分析[J].压力容器, 1997(4):4.

[2]于畅,田贯三.天然气储气罐破坏效应分析[J].中国安全科学学报, 2010, 20(5):5.DOI:10.3969/j.issn.1003-3033.2010.05.012.

[3]王洪宇,袁裕鹏,童亮,等.船用储氢罐充注过程数值模拟研究[J].武汉理工大学学报, 2022, 44(3):7.

[4]程友良,张盼,何传金.小型储氢罐低温吸附特性影响因素及解决方案研究[J].力学与实践, 2022, 44(4):9.

作者简介：汤云婷（2003—），河北唐山，本科，河北建筑工程学院，研究方向：储能科学与工程