70 MPa IV型储氢瓶穹顶增强层结构强度研究：分层设计与纤维取向的协同优化机制

本文针对70 MPa IV型全复合储氢瓶穹顶区域因几何不连续性和应力集中导致的结构失效问题，通过建立渐进损伤有限元模型（集成Hashin失效准则），系统研究了增强层纤维取向和铺层顺序对碳纤维增强聚合物（CFRP）穹顶结构力学性能的影响机制。研究发现，低角度集中增强可显著提升穹顶承载能力，而过度分层会导致载荷传递退化，分层设计方案对爆破压力影响高达约23.46%，为高压储氢容器轻量化设计与可靠性优化提供了关键理论依据。

　　

Highlight

不同分层方案的影响模式

图9(a)–(b)展示了螺旋层和增强层中沿纤维方向的最大应力分布。在操作压力下，复合层的应力范围为1313–2064 MPa，表明通过受控的应力水平保持了结构完整性。应力值降低对应着结构承载能力的增强。对比分析表明，低角度增强配置j2在其螺旋缠绕层中表现出较低的纤维方向应力。

结论

本研究通过十二种设计配置，探讨了分层设计和增强角度对IV型储氢瓶穹顶增强层结构性能的影响。开发了一个结合Hashin失效准则的渐进损伤模型，并通过水压爆破试验进行了验证，显示模拟与实验的最大偏差为7.2%。经过验证的模型分析了各种配置下的应力分布、失效模式和爆破压力。

CRediT authorship contribution statement

王天: 撰写初稿，方法论，概念化。张晓翔: 方法论，数据整理。刘江林: 方法论，调查。高海峰: 审阅和编辑。吴婷: 审阅和编辑。陈占春: 调查，形式分析。梁建国: 监督，资金获取。

Declaration of competing interest

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。

Acknowledgments

本研究得到以下项目资助：国家自然科学基金 [项目编号 52075361]；山西省科技重大专项 [项目编号 20201102003]；吕梁市科技指导专项重点研发项目 [项目编号 2022XDHZ08]；山西省基础研究计划 [项目编号 202203021221053]。