摘 要
近日，Materials Today: Proceedings在线出版了印度航空工程研究所一项最新的研究成果，在该项研究中对比分析了采用S-玻璃纤维、T700级碳纤维、芳纶纤维增强复合材料的IV型高压储氢瓶在70MPa工作压力下的结构行为。结果显示：S玻璃纤维IV型瓶变形量为10.873mm，T700级碳纤维IV型瓶变形量为10.176mm，KevlarIV型瓶变形量为1.0845mm；三者的弹性应变分别为0.26812、0.25658和0.073177。此外，S玻璃纤维IV型瓶的最大主应力为1105.9MPa，碳纤维IV型瓶的应力为1168.2 MPa， Kevlar IV型瓶的应力是1389.4MPa。研究得出结论，在应力和应变可接受的范围内，Kevlar是一种适用于氢气压力容器的材料。在结构设计时，储氢瓶的几何结构简化为由三部分组成：内衬、凸台和复合材料层，其总长度为840毫米，圆柱形零件长度为538毫米，铝制凸台直径为80毫米，长度为92毫米，结构尺寸如下图所示。
IV型压力容器主要由三部分组成：第一部分是由高密度聚乙烯（HDPE）组成的内部塑料内衬，用于气体或液体密封；第二部分是用于气体或流体填充的铝凸台；第三部分是包裹塑料内衬的复合材料层。复合材料层材料由三种不同的增强纤维材料组成：T700级碳纤维、S-玻璃纤维和Kevlar。
使用SOLIDWORKS软件，通过最初设计符合指定尺寸的塑料内衬来创建几何形状，然后将设计扩展到铝凸台，最后根据给定的厚度设计复合材料层。几何结构的总体结构如下图所示。
使用SOLIDWORKS设计几何体后，将其导入到ANSYS Structural中。在ANSYS中，塑料内衬采用高密度聚乙烯材料，而凸台采用采用铝6061-T6，复合材料层最初使用S-玻璃纤维材料构建。
采用四面体法生成了质量较好的模型网格，网格尺寸为2 mm，该网格包括1439909个节点和827246个单元，boss层包括166372个节点和96411个单元，而复合材料层包括1347921个节点和748189个单元，其网格如下图所示。
随后对比研究是通过施加70MPa的内部压力而产生的，同时通过将T700级碳纤维和Kevlar这两种材料应用于复合材料层来重复这项研究，并对每种材料产生结果进行分析，三种纤维的主要性能对比如下表所示。
性能指标S-glassCarbon fiber T700Kevlar
体密度 (Kg/m3)200015801439
杨氏模量 (GPa) (E1, E2, E3)50,8,8135,9.66,9.66124,6.84,6.84
泊松比0.3,0.,0.30.25,0.25,0.410.36
拉伸强度 (MPa)465049003000
对S-玻璃纤维、T700级碳纤维和Kevlar三种材料进行了三次单独的分析。对于S-玻璃纤维压力容器的分析，最大变形为10.873 mm，最大弹性应变为0.26812，最大应力为1530 MPa（如下图所示）。
T700碳纤维压力容器的总变形为10.176mm，最大弹性应变为0.25658，最大应力为2062.9MPa；Kevlar压力容器的总变形为1.0845mm，最大弹性应变为0.073177，最大应力为1282.7MPa（如下所示）。
研究结果表明，在所有测试材料中，Kevlar的变形最小，值为1.0845 mm。此外，S玻璃纤维的最大主应力为1105.9，低于拉伸强度。与之相比，T700碳纤维的最大主应力为1168.2，也低于拉伸强度。
综上所述，本研究的目的是研究储氢罐在70MPa内压下的性能。分析中使用了三种不同的材料，即Kevlar、T700级碳纤维和S-玻璃纤维。所获得的结果揭示了这些材料在施加压力下的行为。分析表明，测得Kevlar材料的总变形为1.0845，弹性应变为0.073177，表明Kevlar材料表现出在不过度变形的情况下承受所施加的压力的能力。
由于该研究主要利用软件模拟分析，研究人员将模拟结果与此前其他研究人员的结果进行了对比，在T700碳纤维弹性应变被确定为0.25658，该值与Shitanshu研究结果一致，后者记录的弹性应变约为0.160。这意味着碳纤维在特定的内部压力下表现出可预测和预期的行为。
在主应力分析上，T700碳纤维材料获得的结果与Park报告的结果一致，后者发现主应力为1095MPa。在这项研究中，计算得出的主应力为1168.2MPa，这两项研究之间的一致性为所获得的结果增加了可信度。
总的来说，这项研究成功地分析了储氢瓶在70MPa内压下的性能，对比了三种不同材料的性能。所获得的结果证明了该材料能够承受施加的压力，并为氢罐开发中的进一步设计和工程考虑提供了一定的帮助。
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