• 環形儲罐的爆破壓力優于球形和圓柱形設計。

• [-45/45]s 堆疊序列優化了環形儲罐的應力分布。

• 玄武巖/環氧復合材料的爆破壓力性能優于其他材料。

• 凱夫拉/環氧樹脂環形儲罐在重量性能方面優于其他。

• 環形儲罐具有有效的應力管理功能，并且提高了儲氫的安全性。

引言

氫能因其清潔、高效等特點，被廣泛認為是未來能源的重要組成部分。特別是在交通運輸、發電和供熱領域，它為這些歷史上困難的行業脫碳提供了解決方案。氫能為燃料電池電動汽車 (FCEV) 提供動力，這些汽車只排放水蒸氣，實現與傳統內燃機汽車相比的零排放。然而，氫能的商業化應用需克服生產成本高昂、儲存與運輸的技術難題。氫氣的低密度和高易燃性要求采取嚴格的安全措施，且其儲存需在高壓、低溫條件下進行或采用特殊吸附材料。

在儲氫容器的設計與測試方面，有限元分析（FEA）提供了一種節省成本和時間的高效方法，可在實際制造前評估設計方案的可行性。特別是對于復合材料，FEA考慮了其異質性和各向異性，需要采用微觀至宏觀多尺度的建模方法。先進的軟件工具如Abaqus和Ansys支持復合材料行為的精確模擬，促進了結構設計、分析與優化的進展。

爆破壓力的預測和失效特征的分析依賴于多種理論和標準，包括最大主應力理論、最大變形能量理論、最大剪切強度理論以及Tsai-Wu、Tsai-Hill、Hoffman、Puck、Hashin等失效準則，以全面評估儲氫容器的結構完整性。

儲氫技術通常分為兩大類：物理型和材料型。物理型包括以壓縮氣體形式儲存氫氣、冷/低溫壓縮和液態氫儲存等方法。在這一類別中，有五種類型的壓力容器適用于儲氫，如圖1所示。

圖1. 用于儲存氣態氫的五類壓力容器

用于儲氫的壓力容器具有多種設計和特性，可滿足特定需求。

I 型容器完全由金屬制成，通常是鋁或鋼。雖然它們最具成本效益，但也是最重的。

II 型容器將鋼芯與玻璃纖維復合材料包裹相結合，雖然制造成本較高，但重量明顯減輕，耐壓性增強。

III 型容器采用全復合材料包裹和金屬襯里，將結構載荷主要分散到復合材料上，使其在中等壓力下可靠，但在更高壓力測試下仍存在挑戰。

IV 型容器由碳纖維或碳纖-玻纖復合材料制成，襯里由高密度聚乙烯 (HDPE) 等聚合物制成。盡管它們是重量最輕的壓力容器，但價格仍然相對昂貴。這些容器能夠承受高達 100 MPa 的壓力。

此外，創新的 V 型容器采用全復合材料無襯里設計，可提供輕量化解決方案并優化體積利用率。由于其固有的精簡的施工方法，這種類型降低了制造成本，并最大限度地降低了操作和維護風險。

儲氫技術的發展已導致各種應用和行業使用各種類型的儲氫罐。I 型壓力容器的容量很大，通常在 200 bar 左右的壓力下運行。由于制造這些容器時使用的金屬材料密度高，因此這些容器的特點是重量大。它們主要用于固定環境，例如大規模工業氫氣儲存，或用于潛艇等擁有充足空間和承載能力的大型容器。II 型儲氫罐也用于固定應用，在約 300 bar 的較高壓力下運行。這種增加的壓力容量是通過加入高強度長絲包裹來實現的。III 型和 IV 型氫氣罐成為汽車應用的最佳解決方案，與 I 型和 II 型相比，它們可顯著減輕重量。盡管如此，如今的主要汽車制造商正在從 III 型轉向 IV 型，因為后者成本較低且有重量優勢。V 型儲罐仍在研發中，其商業應用受到高昂材料成本的限制。V 型氫氣罐提供了一種革命性的儲存方法，無需使用內襯，從而減輕了重量并縮短了制造時間。它們解決了質量問題，使用壽命長。盡管存在滲透率較高和飛行歷史有限等潛在缺點，但 V 型儲罐的表現優于傳統儲罐，使其成為未來能源儲存和推進需求的頗具前景的解決方案。

1.3儲氫容器形狀

工業上，氫氣通常使用球形和圓柱形壓力容器儲存，由于空間限制，圓柱形容器更適合移動應用。圓柱形容器更具成本效益，更容易制造和高效包裝，而球形容器在應力分布和材料厚度方面具有優勢。球形容器僅需圓柱形容器壁厚的一半即可承受相同的壓力，使其成為高壓儲存的首選。然而，球形容器制造起來更具挑戰性且成本更高，并且其包裝效率低于圓柱形容器。

圓頂形狀顯著影響儲氫容器的爆破壓力性能。具有不同圓頂頭的容器表現出不同的機械特性。Sharma 等人研究了不同圓頂形狀對 III 型和 IV 型儲氫容器的爆破壓力、失效特性和重量性能的影響。

圖2. 容器有多種構造，包括（A）半球形封頭、（B）拋物面封頭、（C）橢球形封頭（I）、（D）橢球形封頭（II）、（E）橢球形封頭（III）和（F）等張封頭

工業上常用球形和圓柱形容器，圓環結構對稱殼體，節省空間減重，適用于狹小空間，特別是船上和方形區域，比圓柱球形更高效。環形壓力容器研究顯示爆破壓力符合法規，適用于車輛燃油系統。Zhan和Vu的研究驗證了環形儲罐的機械行為預測方法，并指出環形殼體在材料節省方面的潛力，以及應力分布受 Ro/ro 比率（大半徑與小半徑之比）的影響。

1.4 V 型儲氫容器材料及層壓板鋪層

已有多項研究深入探討了優化材料選擇和層壓鋪層技術，以增強此類容器的性能。本研究旨在探究優化V型氫儲罐的復合材料，比較球形、圓柱形和環形容器的爆破壓力性能，并分析幾何形狀對爆破壓力的影響。創新點包括全面比較不同形狀的爆破壓力性能，采用FEA和一階剪切變形理論分析多種復合材料，為儲罐性能材料選擇提供見解，推動了儲氫技術的發展。

2.1幾何形狀和材料

本文研究了三種儲罐形狀，其填充量均為 57 升。這些形狀包括半徑為 242 毫米的球形罐、內半徑為 200 毫米、外半徑為 400 毫米的環形罐以及直徑和長度分別為 305 毫米和 650 毫米的圓柱形罐。圓柱形罐考慮采用高度為 120 毫米的橢圓形圓頂形狀。在這三種形狀的設計中，都考慮了相同的 26 毫米凸臺直徑。圖 3顯示了各種設計及其相應的尺寸。

圖 3. 各種設計的幾何形狀和尺寸

圖3模型設計填充57升，研究三種形狀的I型鋼氫罐性能（0.8mm厚，70MPa內壓）。鋼的彈性模量215GPa，泊松比0.3。目標是分析形狀對V型儲罐用碳T700/環氧樹脂性能的影響，未考慮復合材料性能的溫度依賴性。

2.2復合材料氫容器有限元分析

本研究使用Abaqus進行有限元模擬，利用其復合材料鋪層功能模擬纖維纏繞。需設定每層厚度、材料、方向角和積分點。軸向設為零參考方向（圖4）。分析施加靜態內壓，用傳統殼單元S4R網格化（圖5）。S4R是雙線性四節點三維殼單元，適用于厚薄殼，采用縮減積分，進行了網格收斂分析。

圖 4. 各種儲罐設計的纖維取向

圖5. 有限元壓力容器模型的剖面圖

2.3 一階剪切變形理論

本研究涉及單向纖維增強復合材料，該復合材料屬于正交各向異性材料。為了計算 V 型儲氫罐中的應力分布，采用了一階剪切變形理論。定義了位移場和應變分量，給出了面內應力與應變的關系以及橫向應力的計算方法。

2.4 復合材料的失效準則

在本研究中，采用Tsai - W準則測試V型氫氣儲罐的爆破壓力。詳細形式如下：

分別表示縱向和橫向的軸應力，而 σ6 表示軸內平面剪切應力。Xt 和 Xc 分別表示縱向拉伸強度和壓縮強度。Yt 和Yc 分別為橫向拉伸強度和壓縮強度。S代表面內剪切強度。本研究采用 Tsai-Wu 標準確定儲氫容器的爆破壓力。計算過程詳細概述如圖6所示。

圖6. 爆破壓力計算流程圖

該流程圖表示對氫氣容器施加負載、計算誘導應力并評估 Tsai-Wu 失效指數的迭代過程，直到其超過 1，表明已達到爆破壓力。

3.結果與討論

3.1 參考金屬壓力容器

首項研究案例以0.8mm均勻厚度鋼材為基準，測試三種形狀的金屬I型儲罐性能，承受70MPa內壓，通過馮·米塞斯應力評估。結果顯示環形最佳（圖7），與文獻一致。

圖7. 參考金屬壓力容器不同形狀的應力分布