[发明专利]塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法

说明书

本发明涉及高压气瓶安全评定技术领域，具体涉及一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法。塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶由塑料内胆、碳纤维螺旋缠绕层和碳纤维周向缠绕层组成，其中塑料内胆内径为D₀、外径为D₁，螺旋缠绕层的外径为D₂，周向缠绕层的外径为D₃；塑料内胆包含前后封头段和中间的筒身段，螺旋缠绕层为封头、筒身段全缠绕，周向缠绕层只缠绕在筒身段。纤维缠绕采用测地线缠绕理论，内压完全由纤维承担。通过分析预算塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶在内压作用下纤维在周向和经向的最大应力，进而预算气瓶的爆破强度。本发明通过该气瓶爆破强度计算方法，可以更加方便直观快速地获得气瓶的爆破强度预测。

技术领域

本发明涉及高压气瓶安全评定技术领域，具体涉及一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法。

背景技术

为应对化石燃料引起的大气污染，近年燃料电池汽车得到了快速发展，也对其中的储能元件——储氢气瓶的设计制造与安全性研究提出了迫切需求。目前量产的氢燃料电池汽车均采用高压(35MPa或70MPa)储氢方式。例如，丰田公司的氢燃料电池汽车MIRAI、本田公司的CLARITY、上汽的荣威950等。

高压氢气瓶是氢能研究的一个难点和重点，内部介质为高压高纯度氢气，易泄漏扩散、可燃范围广、爆炸能量高，易引发氢脆，导致材料性能劣化，装备失效机制改变，甚至造成突然断裂和爆炸。现有高压氢气瓶可分为四类，包括单层钢制无缝高压氢气瓶、钢内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶、铝内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶和塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶。

国内在用的高压氢气瓶为铝内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶，工作压力大多为35MPa，储氢密度低，难以满足加氢站、氢燃料电池汽车发展的需要。塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶重量轻、疲劳寿命长、储氢密度最高，但国内研究尚不成熟。由于氢气燃爆的危害性极大，气瓶一旦发生爆破事故，将延缓我国氢能源汽车产业的发展。

因此，准确合理地预测塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破压力是助力我国氢能源产业的安全快速发展的必要手段。

发明内容

基于上述背景，本发明的目的是提供一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法，塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶由塑料内胆、碳纤维螺旋缠绕层和碳纤维周向缠绕层组成，其中塑料内胆内径为D₀、外径为D₁，螺旋缠绕层的外径为D₂，周向缠绕层的外径为D₃；塑料内胆包含前后封头段和中间的筒身段，螺旋缠绕层为封头、筒身段全缠绕，周向缠绕层只缠绕在筒身段。纤维缠绕采用测地线缠绕理论，内压完全由纤维承担。通过分析预算塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶在内压作用下纤维在周向和径向的最大应力，进而预算气瓶的爆破强度。

本发明采用以下的技术方案：

一种塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶的爆破强度预算方法，塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶由塑料内胆、碳纤维螺旋缠绕层和碳纤维周向缠绕层组成，其中塑料内胆内径为D₀、外径为D₁，螺旋缠绕层的外径为D₂，周向缠绕层的外径为D₃；塑料内胆包含前后封头段和中间的筒身段，螺旋缠绕层为封头段、筒身段全缠绕，周向缠绕层只缠绕在筒身段，气瓶爆破强度包括塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段的计算和封头段的计算；

(1)塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段的计算：

①碳纤维螺旋缠绕层受力分析

塑料内胆碳纤维全缠绕高压氢气瓶筒身段螺旋缠绕层的螺旋缠绕方向与气瓶母线方向的夹角为θ；

螺旋缠绕层的经向力计算：