计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法及系统

1.本发明涉及氢安全领域，尤其是一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法及系统。


背景技术：

2.高压储氢是现有技术成熟度高、应用广泛的储氢方式之一，复合材料缠绕铝制内胆储氢瓶是氢能储存、运输的关键装备，也是氢能大规模应用的核心装备。储氢瓶失效会造成人身伤亡与财产损失，影响储氢系统规模化应用的进程，受到科学界与工业界的广泛关注。
3.储氢瓶失效主要有爆炸与疲劳失效。其中，运行一段时间后强度下降导致的疲劳失效是储氢瓶失效研究的重点，储氢瓶疲劳失效的残余压力与剩余循环寿命的预测则是储氢瓶设计开发的核心内容。由于加工制造过程难以完美控制，储氢瓶的内胆与复合材料缠绕层材料特性存在非均匀分布的特征，这会影响储氢瓶的疲劳寿命，导致储氢瓶在较弱的位置更易失效；然而，前期仿真中较少考虑储氢瓶内胆与复合材料层材料特性的非均匀性，既缺乏通过试验进行定量表征，也没有在预测方法中进行准确设置，这会降低储氢瓶失效预测的准确性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效的预测方法及系统，以提高储氢瓶失效预测的准确性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其包括步骤：s1：建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶铝制内胆自由模态的仿真结果；s2：储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型，并将结果与s1中的储氢瓶铝制内胆仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置s1中储氢瓶铝制内胆材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s3：采用复合材料缠绕储氢瓶铝制内胆，建立储氢瓶自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶复合材料缠绕层的仿真结果；s4：复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型，并将结果与s3中的仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，否则，重新设置s3中复合材料缠绕储氢瓶材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s5：复合材料样件疲劳失效试验，获取复合材料的特性，得到材料强度和杨氏模量；
s6：储氢瓶疲劳失效试验，获取储氢瓶铝制内胆与复合材料层的疲劳失效特性；s7：利用s2 及s4获取的杨氏模量分布特性和s5得到的复合材料特性，建立考虑材料非均匀性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行疲劳失效分析，将模型的仿真结果与储氢瓶疲劳失效试验结果对比，若分布应变误差≤10%，关键点位移≤10%，则认为模型有效，否则调整材料属性，直至模型有效为止；s8：利用储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行不同铺层方式和不同杨氏模量下复合材料缠绕储氢瓶疲劳失效仿真。
6.进一步地，所述的步骤s1，建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型时，设置空间分布上非均匀的材料属性，通过特征值分析计算储氢瓶铝制内胆的模态频率与模态振型。
7.进一步地，所述的步骤s2，储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证时，在不同测点上布置分布式的加速度传感器，并采用三轴激光测振仪，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型。
8.进一步地，所述的步骤s3，建立复合材料缠绕储氢瓶自由模态分析有限元模型时，在储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型的基础上，设置非均匀复合材料特性的储氢瓶复合材料缠绕层，通过特征值分析计算复合材料储氢瓶不同铺层的模态频率与模态振型。
9.进一步地，所述的步骤s4，复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证时，试验中除了在不同测点上布置分布式的加速度传感器外，还需要在不同铺层上布置光纤式应变传感器，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型。
10.进一步地，所述的步骤s5中，用与储氢瓶复合材料层相同的复合材料试样作为样件，进行疲劳失效试验，获取复合材料的杨氏模量与疲劳失效特性，并建立不同铺层材料杨氏模量与材料强度的函数关系。
11.进一步地，所述的步骤s6，储氢瓶疲劳失效试验时，以复合材料缠绕储氢瓶为对象，在循环载荷条件下进行储氢瓶疲劳特性试验。
12.更进一步地，储氢瓶疲劳失效试验中，需要在每个铺层的不同空间位置上布置光纤应变传感器，分布式在线监测储氢瓶复合材料层材料特性的变化，包含杨氏模量与材料强度特性；同时在储氢瓶铝制内胆内侧布置分布式耐高压应变传感器，检测铝制内胆材料属性的变化。
13.进一步地，所述的步骤s7中，通过python进行非均匀参数的赋值，并进行疲劳失效分析。
14.本发明还提供一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测系统，其用于实现所述的储氢瓶疲劳失效预测方法。
15.与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明进行了储氢瓶铝制内胆与复合材料缠绕储氢瓶的自由模态试验，在试验中通过先进的三轴激光测振仪与分布式三向加速度传感器获取了储氢瓶的准确模态振型，进而进行了模态分析，通过频率与mac值定量评价了储氢瓶铝制内胆与复合材料层的材料非均匀特性设置的准确性；然后，开展储氢瓶疲劳特性试验，在试验中各铺层内部布置分布式的光纤传感器，在铝制内胆内部布置分布式的应变片，获取内部压力-应变特性，并建立了具有非均匀摩擦接触特性的储氢瓶疲劳失效有限元模型，通过对比分析验证了模型的有效
性；本发明的计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效的预测方法可以有效提高储氢瓶疲劳失效预测的准确性与可靠性。
附图说明
16.图1为本发明储氢瓶疲劳失效预测方法的原理示意图；图2为本发明储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型图；图3为本发明复合材料缠绕储氢瓶分布式加速度传感器布置示意图；图4为本发明储氢瓶疲劳试验光纤应变传感器布置示意图；图5为图4的右侧视图；图6为本发明具有非均匀材料特性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型图；图7为本发明应用例中的循环工况图；图8为本发明应用例中储氢瓶的残余特性爆炸图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
18.实施例本实施例提供一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效的预测方法，如图1所示，包括以下步骤：s1：建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶铝制内胆自由模态的仿真结果；s2：储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型，并将结果与s1中的储氢瓶铝制内胆仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置s1中储氢瓶铝制内胆材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s3：采用复合材料缠绕储氢瓶铝制内胆，建立储氢瓶自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶复合材料缠绕层的仿真结果；s4：复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型，并将结果与s3中的仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置s3中复合材料缠绕储氢瓶材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s5：复合材料样件疲劳失效试验，获取复合材料的特性，得到材料强度和杨氏模量；s6：储氢瓶疲劳失效试验，获取储氢瓶铝制内胆与复合材料层的疲劳失效特性；s7：利用s2 及s4获取的杨氏模量分布特性和s5得到的复合材料特性，建立考虑材料非均匀性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行疲劳失效分析，将模型的仿真结果与储氢瓶疲劳失效试验结果对比，若分布应变误差≤10%，关键点位移≤10%，则认为模型有效，否则调整材料属性，直至模型有效为止；
s8：利用储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行不同铺层方式和不同杨氏模量下复合材料缠绕储氢瓶疲劳失效仿真。
19.上述步骤的具体实施过程如下：步骤s1：建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型，模型中关键在于设置空间分布上非均匀的材料属性，通过特征值分析计算储氢瓶铝制内胆的模态频率与模态振型。
20.步骤s2：开展储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证，试验中关键在于在不同测点上布置分布式的加速度传感器，并采用三轴激光测振仪，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型，并将结果与步骤s1中的储氢瓶铝制内胆仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型误差（mac值误差）≤15%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置步骤1中储氢瓶铝制内胆材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止。
21.步骤s3：建立复合材料缠绕储氢瓶自由模态分析有限元模型（图2），在内胆模型的基础上，设置非均匀复合材料特性的储氢瓶复合材料缠绕层，通过特征值分析计算复合材料储氢瓶不同铺层的模态频率与模态振型。
22.步骤s4：复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证，试验中在不同测点上布置分布式的加速度传感器（布置方案如图3所示），在不同铺层上布置光纤式应变传感器，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型，并将结果与步骤s3中的复合材料缠绕储氢瓶自由模态仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型误差（mac值误差）≤15%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置步骤3中复合材料缠绕储氢瓶材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止。
23.步骤s5：用与储氢瓶复合材料层相同的复合材料试样作为样件，进行疲劳失效试验，获取复合材料的杨氏模量与疲劳失效特性。关键点在于，从同批次储氢瓶上不同位置取出50个不同的试样，并建立不同铺层材料杨氏模量和材料强度特性的函数关系。
24.步骤s6：以复合材料缠绕储氢瓶为对象，在循环载荷条件下进行储氢瓶疲劳特性试验。与前期研究不同的是，试验中需要在每个铺层的不同空间位置上布置光纤应变传感器，分布式在线监测储氢瓶复合材料层材料特性的变化，包含杨氏模量与材料强度特性，同时，在储氢瓶铝制内胆内侧布置分布式耐高压应变传感器，检测铝制内胆材料属性的变化（传感器布置如图4-图5）。
25.步骤s7：以复合材料缠绕储氢瓶为对象，利用s2 及s4获取的杨氏模量分布特性和s5得到的复合材料特性，建立考虑材料非均匀性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型（图6），通过python进行非均匀参数的赋值，并进行疲劳失效分析。将仿真结果与储氢瓶疲劳寿命试验对比，若误差小于10%，则认为模型有效，否则调整材料属性，直至模型有效为止。
26.步骤s8：设置不同的铺层方式与不同的杨氏模量，进行计及非均匀材料特性的储氢瓶疲劳特性分析，重点是复合材料储氢瓶的疲劳寿命、复合材料储氢瓶的材料退化行为，有利于储氢瓶的正向开发，并为储氢瓶健康状态监测提供依据。
27.应用例以宁波慈溪氢电耦合直流微网示范工程所使用的碳纤维缠绕铝制内胆高压储氢瓶为例。其中，储氢瓶复合材料初始与退化的相关参数如表1-表4所示，铝制内胆的力学特性如表5所示。其中e
11
、e
22
、e
33
分别为纵向、横向与垂向模量，g
12
为面内剪切模量，g
13
、g
23
均
为面外剪切模量，v
12
为面内泊松比，v
13
、v
23
均为面外泊松比，ρ为复合材料的密度。////分别为复合材料纵向拉伸强度、纵向压缩强度、横向拉伸强度、横向压缩强度、剪切强度。
28.表1复合材料层初始力学参数
29.表2 复合材料层强度性能
30.表3 复合材料性能退化折减系数
31.表4 复合材料层疲劳特性参数
32.表5 铝制内胆材料特性参数
33.具体实施步骤如下：本项目通过储氢瓶残余特性爆炸试验进行了验证，其中，循环工况如图7，储氢瓶循环12000次后进行残余特性爆炸分析（如图8与表6），可见，储氢瓶考虑材料不均匀性时，预测值更为安全，且精度更高。
34.表6储氢瓶爆炸压力
35.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，包括步骤：s1：建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶铝制内胆自由模态的仿真结果；s2：储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型，并将结果与s1中的储氢瓶铝制内胆仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置s1中储氢瓶铝制内胆材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s3：采用复合材料缠绕储氢瓶铝制内胆，建立储氢瓶自由模态分析有限元模型，得到储氢瓶复合材料缠绕层的仿真结果；s4：复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型，并将结果与s3中的仿真结果对比，若模态频率误差≤5%，模态振型准确率≥85%，认为模型有效，获取杨氏模量的分布特性，否则，重新设置s3中复合材料缠绕储氢瓶材料特性并进行仿真，直到精度达到要求为止；s5：复合材料样件疲劳失效试验，获取复合材料的特性，得到材料强度和杨氏模量；s6：储氢瓶疲劳失效试验，获取储氢瓶铝制内胆与复合材料层的疲劳失效特性；s7：利用s2及s4获取的杨氏模量分布特性和s5得到的复合材料特性，建立考虑材料非均匀性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行疲劳失效分析，将模型的仿真结果与储氢瓶疲劳失效试验结果对比，若分布应变误差≤10%，关键点位移≤10%，则认为模型有效，否则调整材料属性，直至模型有效为止；s8：利用储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行不同铺层方式和不同杨氏模量下复合材料缠绕储氢瓶疲劳失效仿真。2.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s1，建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型时，设置空间分布上非均匀的材料属性，通过特征值分析计算储氢瓶铝制内胆的模态频率与模态振型。3.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s2，储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证时，在不同测点上布置分布式的加速度传感器，并采用三轴激光测振仪，获取材料非均匀条件下的储氢瓶铝制内胆模态频率与模态振型。4.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s3，建立复合材料缠绕储氢瓶自由模态分析有限元模型时，在储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型的基础上，设置非均匀复合材料特性的储氢瓶复合材料缠绕层，通过特征值分析计算储氢瓶复合材料不同铺层的模态频率与模态振型。5.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s4，复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证时，试验中除了在不同测点上布置分布式的加速度传感器外，还需要在不同铺层上布置光纤式应变传感器，获取材料非均匀条件下的储氢瓶复合材料缠绕层的模态频率与模态振型。
6.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s5中，用与储氢瓶复合材料层相同的复合材料试样作为样件，进行疲劳失效试验，获取复合材料的杨氏模量与疲劳失效特性，并建立不同铺层材料杨氏模量与材料强度的函数关系。7.根据权利要求1所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s6，储氢瓶疲劳失效试验时，以复合材料缠绕储氢瓶为对象，在循环载荷条件下进行储氢瓶疲劳特性试验。8.根据权利要求7所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，储氢瓶疲劳失效试验中，需要在每个铺层的不同空间位置上布置光纤应变传感器，分布式在线监测储氢瓶复合材料层材料特性的变化，包含杨氏模量与材料强度特性；同时在储氢瓶铝制内胆内侧布置分布式耐高压应变传感器，检测铝制内胆材料属性的变化。9.根据权利要求7所述的一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法，其特征在于，所述的步骤s7中，通过python进行非均匀参数的赋值，并进行疲劳失效分析。10.一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测系统，其特征在于，其用于实现权利要求1-9任一项所述的储氢瓶疲劳失效预测方法。

技术总结
本发明公开了一种计及材料分布不均匀性的储氢瓶疲劳失效预测方法及系统。本发明的预测方法，包括：建立储氢瓶铝制内胆自由模态分析有限元模型；储氢瓶铝制内胆自由模态试验验证；建立复合材料缠绕储氢瓶自由模态分析有限元模型；复合材料缠绕储氢瓶自由模态试验验证；复合材料样件疲劳失效试验；储氢瓶疲劳失效试验；建立考虑材料非均匀性的储氢瓶疲劳失效预测有限元模型；利用储氢瓶疲劳失效预测有限元模型，进行不同铺层方式和不同杨氏模量下复合材料缠绕储氢瓶疲劳失效仿真。本发明可以实现储氢瓶疲劳失效的准确预测，有助于满足设计压力与疲劳特性的储氢瓶正向开发。计压力与疲劳特性的储氢瓶正向开发。计压力与疲劳特性的储氢瓶正向开发。


技术研发人员：刘敏 张存满 赵波 李文博 章雷其 吴启亮
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/8