Damage Evolution and Critical Failure Regions in Dry-Towpreg-Wound 70 MPa Type IV Hydrogen Vessels
本研究通过静水爆破试验验证，建立了一个基于过程的有限元模型，用以表征 70 MPa IV 型氢气瓶的渐进式损伤演化过程，并确定了球帽-筒体过渡区为关键失效区域，实现了 4.0% 的爆破压力预测精度。
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氢气是一种清洁燃料，在为车辆提供动力且不污染空气方面具有巨大的潜力，但它提出了一个独特的工程挑战：它极其轻盈且分布稀疏。为了储存足够的氢气来驱动汽车，必须将这种气体在高压下挤压进极小的空间内，其压力远高于天然气罐所使用的压力。为了安全地承受这种压力，工程师们使用了一种被称为 IV 型容器的特种容器。这些并非简单的金属罐，而是围绕塑料内胆构建的复杂结构，外层紧紧缠绕着多层碳纤维。其目标是在确保绝不发生灾难性失效的同时，使储罐尽可能轻量化。然而，由于这些储罐强度极高且储存了大量能量，准确了解它们可能如何失效至关重要。如果储罐发生爆裂，能量的释放将是剧烈的，因此设计师需要精确地知道材料在哪里最薄弱，以及裂纹在实际破裂前是如何萌生和扩展的。
华北航空航天理工大学与天津托普雷技术有限公司的研究人员致力于绘制一种特定类型高压氢气罐隐藏的失效过程图谱。他们研究的对象是采用“干法预浸丝缠绕”工艺制造的容器，即通过精确的模式将预浸碳纤维丝缠绕在塑料内胆上。与旧方法中在缠绕过程中将纤维浸入液态树脂不同，这种技术可以更好地控制材料的一致性，这对于设计承受 70 兆帕压力的储罐至关重要。该团队建立了一个详细的计算机模型，模拟了实际的制造过程，考虑了纤维层在从储罐平坦侧面向顶部圆顶过渡时，如何发生弯曲、重叠以及厚度变化。随后，他们利用实验对该模型进行了验证，通过向三个全尺寸储罐注满水并不断增加压力直至其爆裂，从而将计算机的预测结果与实验室中的实际情况进行对比。
研究揭示了这些储罐内部损伤产生并扩散的清晰过程。计算机模拟显示，早在压力达到 32 兆帕时，损伤的第一个迹象就出现了，这还不到储罐正常工作压力的一半。在这一阶段，连接碳纤维的树脂内部产生了微小裂纹，特别是在顶部的金属配件处以及圆顶与直筒身交界处。这些地方是储罐形状发生突变的地方，形成了天然的应力集中点。随着压力持续上升，这些树脂中的微小裂纹从储罐顶部向下延伸并扩展到主体部分。碳纤维本身作为储罐的主要强度来源，保持完好状态的时间要长得多。直到压力达到更高水平时，纤维才开始显示出损伤迹象，即便如此，树脂仍然是首先失效的部分。
研究人员发现，储罐并非一次性失效，而是通过一个逐渐削弱的过程。当压力超过 165 兆帕时，储罐开始出现明显的拉伸现象，这表明由于累积的损伤，材料正在失去其刚性。计算机模型预测，储罐最终将在 189 兆帕时失去承载能力。为了验证这一点，团队对三个物理储罐进行了同样的测试。实际的储罐平均在 181.7 兆帕的压力下爆裂，这一结果与计算机预测非常接近，误差仅为 4%。当储罐最终失效时，它们破碎成许多碎片，且损伤在圆顶与圆柱体交界处最为严重，而这正是计算机识别出的关键薄弱点。这证实了纤维缠绕的复杂方式以及储罐形状的突然变化，创造了一个决定储罐最终破裂位置的特定脆弱区域。
通过将纤维铺设的制造细节与材料失效的具体方式联系起来，这项工作为设计更安全的氢气罐提供了清晰的路线图。研究表明，储罐最危险的部分不是圆柱体的中部，而是圆顶与直侧面之间的过渡区。理解这一点使得工程师能够将设计重点放在加强这些特定区域，而不是仅仅通过增加整个储罐的厚度和重量。研究表明，通过仔细模拟真实的几何结构和材料损伤的逐步过程，可以精确预测高压容器将如何以及在何处失效，从而为构建下一代氢能存储系统奠定坚实的基础。
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