燃料电池汽车供氢系统的冲击振动分析及其框架尺寸优化研究
发布时间：2021-08-21 01:50
车载供氢系统是燃料电池整车的重要结构,主要作用是为燃料电池反应堆提供氢气,一旦供氢系统遭到破坏,将会导致氢气输送受阻,能源供应不足,严重情况下会发生氢气泄漏,不仅会导致一定的经济损失,还会造成巨大的人身财产危害,因此供氢系统的安全性是燃料电池汽车的首要问题。本论文使用ANSYS有限元软件对车载两瓶组供氢系统展开分析研究,主要包括以下内容:1.使用ANSYS软件对氢系统中使用的铝内胆碳纤维全缠绕气瓶进行分析,真实模拟碳纤维封头段变角度变厚度缠绕情况,得到自紧工况、零压工况、工作工况、水压试验工况以及爆破工况五种工况下氢气瓶内胆以及缠绕层的应力分布情况,确保气瓶在正常使用中的安全可靠性。2.通过稳态分析以及瞬态分析两种方法,模拟得到车载两瓶组供氢统关键部位在冲击载荷下的应力状态以及气瓶在冲击载荷下相对于绑带的滑动情况,针对系统的应力状态对框架结构进行优化设计,进一步保证系统在受到冲击时具有一定的安全性。3.采用PSD随机振动分析方法,得到供氢系统在1-200Hz频率范围内的各阶模态解,并叠加模态解得到五种功率谱密度曲线下的随机振动结果,最后基于3σ理论对系统的强度、刚度以及疲劳寿命进行评定...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１两瓶组铝合金框架
???第一章绪论??１．１课题研究背景??随着当今社会的迅速发展，人们的日常生活、工业生产、交通运输、生物医??疗等也都得到了飞速的进步ｍ，煤、石油等传统能源供不应求，燃油、人力成本??不断攀升，天然气、氢气作为能源的情况愈来愈普遍［２，３］。氢气因为自身储量充??足、无污染、可再生等优点备受重视，合理利用氢能源成为一个国家能源安全、??能源战略的重要方针策略ｗ。作为能量的载体，氢气的储存、输送显得非常重要??［１］。供氢系统作为氢能源汽车上的能源供给系统，使用愈来愈广泛。图１－１和图??１－２所示为两种常用的车载供氢系统。??图１－１两瓶组铝合金框架?图１－２四瓶组碳钢框架??物流车供氢系统?客车供氢系统??Ｆｉｇ．ｌｌ?Ｔｗｏ－ｂｏｔｔｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｆｒａｍｅ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｆｏｕｒ－ｂｏｔｔｌｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｓｔｅｅｌ?ｆｒａｍｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ??ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｓｕｐｐｌｙ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ?ｖｅｈｉｃｌｅ?ｓｕｐｐｌｙ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｂｕｓ??氢系统中大多数零部件失效均是由于复杂路况引起的冲击加速度和路面不??平引起的随机振动所造成ｉ５，６］，这些冲击和随机振动对供氢系统中重要零部件有??着非常大的影响，一旦这些关键部位发生破坏，极有可能导致整个系统的强度和??刚度失效以及气瓶内介质的泄露，降低部件使用寿命［７］，严重情况下会对人们生??命财产造成巨大威胁，因此要求车载供氢系统必须具备良好的抗冲击和抗振性能。??本课题针对两瓶组的燃料电池汽车供氢系统在极端的冲击工况和随机振动??工况下进行有限元建模和数值分析，从强度、刚度和疲劳寿命等
氢气瓶有限元模型??２．１．１?ＡＮＳＹＳ软件介绍??本章对铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶分析时使用的软件是ＡＮＳＹＳ。??ＡＮＳＹＳ软件是集结构、热、流体、电、声分析于一体的有限元分析软件，??该软件提供了一种特殊的能够用来模拟复合材料结构的层合单元类型。由于复合??材料具有各向异性，材料的主轴方向对其性能起着关键作用，因此确定合适的复??合材料主轴方向就显得非常重要，相比于各向同性材料，其建模过程要更加复杂。??／?＾?＾??Ｌ上繫＿?）??＼?＾?ＢＯＴＴＯＭ??＾??图２－１?ＳＨＥＬＬ９９单元几何形状??Ｆｉｇ．２－１?ＳＨＥＬＬ９９?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ??该研宄中选择的复合材料层单元为适用于薄板和壳结构的ＳＨＥＬＬ９９单元。??ＳＨＥＬＬ９９单元几何形状如图２－１所示。??由上图可知，ＳＨＥＬＬ９９是８节点的３Ｄ单元，每个节点都具有六个自由度，??该单元允许写入的层数为２５０层，若铺设层数大于２５０层，可以通过自定义材料??矩阵来实现材料模型的建立。除此之外，ＳＨＥＬＬ９９具有失效分析的功能和节点??偏置功能。??本章节的分析模型利用单元的分层功能对其进行了铺层设置。复合材料层的??９??
本文编号：3354645
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１两瓶组铝合金框架
???第一章绪论??１．１课题研究背景??随着当今社会的迅速发展，人们的日常生活、工业生产、交通运输、生物医??疗等也都得到了飞速的进步ｍ，煤、石油等传统能源供不应求，燃油、人力成本??不断攀升，天然气、氢气作为能源的情况愈来愈普遍［２，３］。氢气因为自身储量充??足、无污染、可再生等优点备受重视，合理利用氢能源成为一个国家能源安全、??能源战略的重要方针策略ｗ。作为能量的载体，氢气的储存、输送显得非常重要??［１］。供氢系统作为氢能源汽车上的能源供给系统，使用愈来愈广泛。图１－１和图??１－２所示为两种常用的车载供氢系统。??图１－１两瓶组铝合金框架?图１－２四瓶组碳钢框架??物流车供氢系统?客车供氢系统??Ｆｉｇ．ｌｌ?Ｔｗｏ－ｂｏｔｔｌｅ?ａｌｕｍｉｎｕｍ?ａｌｌｏｙ?ｆｒａｍｅ?Ｆｉｇ．?１－２?Ｆｏｕｒ－ｂｏｔｔｌｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｓｔｅｅｌ?ｆｒａｍｅ?ｈｙｄｒｏｇｅｎ??ｈｙｄｒｏｇｅｎ?ｓｕｐｐｌｙ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｌｏｇｉｓｔｉｃｓ?ｖｅｈｉｃｌｅ?ｓｕｐｐｌｙ?ｓｙｓｔｅｍ?ｏｆ?ｂｕｓ??氢系统中大多数零部件失效均是由于复杂路况引起的冲击加速度和路面不??平引起的随机振动所造成ｉ５，６］，这些冲击和随机振动对供氢系统中重要零部件有??着非常大的影响，一旦这些关键部位发生破坏，极有可能导致整个系统的强度和??刚度失效以及气瓶内介质的泄露，降低部件使用寿命［７］，严重情况下会对人们生??命财产造成巨大威胁，因此要求车载供氢系统必须具备良好的抗冲击和抗振性能。??本课题针对两瓶组的燃料电池汽车供氢系统在极端的冲击工况和随机振动??工况下进行有限元建模和数值分析，从强度、刚度和疲劳寿命等
氢气瓶有限元模型??２．１．１?ＡＮＳＹＳ软件介绍??本章对铝内胆碳纤维全缠绕氢气瓶分析时使用的软件是ＡＮＳＹＳ。??ＡＮＳＹＳ软件是集结构、热、流体、电、声分析于一体的有限元分析软件，??该软件提供了一种特殊的能够用来模拟复合材料结构的层合单元类型。由于复合??材料具有各向异性，材料的主轴方向对其性能起着关键作用，因此确定合适的复??合材料主轴方向就显得非常重要，相比于各向同性材料，其建模过程要更加复杂。??／?＾?＾??Ｌ上繫＿?）??＼?＾?ＢＯＴＴＯＭ??＾??图２－１?ＳＨＥＬＬ９９单元几何形状??Ｆｉｇ．２－１?ＳＨＥＬＬ９９?ｅｌｅｍｅｎｔ?ｇｅｏｍｅｔｒｙ??该研宄中选择的复合材料层单元为适用于薄板和壳结构的ＳＨＥＬＬ９９单元。??ＳＨＥＬＬ９９单元几何形状如图２－１所示。??由上图可知，ＳＨＥＬＬ９９是８节点的３Ｄ单元，每个节点都具有六个自由度，??该单元允许写入的层数为２５０层，若铺设层数大于２５０层，可以通过自定义材料??矩阵来实现材料模型的建立。除此之外，ＳＨＥＬＬ９９具有失效分析的功能和节点??偏置功能。??本章节的分析模型利用单元的分层功能对其进行了铺层设置。复合材料层的??９??
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