20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析毕业设计说明书.docx
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1、毕业设计说明书20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20Lhydrogenfuelvehicle专业:能源与动力工程学生姓名:班级:B能动181学号:指导教师:培养单位:汽车工程学院2022年6月20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20Lhydrogenfuelvehicle承诺书本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是在指导教师指导下严格按照学校和学院有关规定完成的;在毕业设计(论文)中引用他人的观点和参考资料均已加以注释和说明;毕业
2、设计(论文)内容中没有抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为;在毕业设计(论文)中,如有任何违规行为,由本人承担一切责任;对学校关于查重的文件关于做好2021届毕业设计(论文)教学工作的通知已认真阅读,对查重结果的处理办法、尤其对于文字复制比50%需延期一学期答辩的处理结果已了解,对于本人的查重结果,无条件服从学校处理办法。承诺人:日期:汽车变速箱箱体三面钻孔组合机床总体及右主轴箱设计20L氢燃料汽车储氢罐的设计与分析摘要:由于新能源汽车产业的兴起,氢能在汽车上的应用已经成为焦点。氢气的存储及运输技术是氢能应用技术中的关键。碳纤维增强复合材料具有高比强度比模量的特性,非常适合用作高压储氢罐的承压
3、材料。因此,本文针对氢燃料电池的工况特点,建立汽车储氢罐的模型,并分析其力学性能特性及流场特性并在此基础上实现碳纤维汽车复合材料汽车储氢罐的结构优化。本文对碳纤维汽车储氢罐的内胆材料和纤维进行研究,设计了储氢罐的结构参数,以碳纤维储氢罐为研究对象确定其形状和尺寸,建立碳纤维汽车储氢罐的三维模型。针对高压氢气下的使用环境确定储氢罐塑料内胆的材料;以35MPa的储气压力为目标,设计碳纤维复合材料储氢罐承压层的铺层角度。研究铺层参数对产品力学性能特性并在此基础上实现碳纤维汽车复合材料汽车储氢罐的结构优化。具体完成的工作内容如下:(1)根据储氢罐的内胆主要用来存储氢气的作用且不承担气体压力的特点。确定
4、内胆所用的材料必须要对氢气具有很强的阻隔性的要求,采用PE/EVOH/PA/EVOH/PE五层结构。在具有较强的阻隔性的同时。可使PA受PE层保护,以防止PA层吸水。(2)根据储氢罐的纤维层主要是用作承压层以承受压力载荷,选用强度高的增强材料作为承压层的材料。综合比较玻璃纤维,Kevlar纤维和碳纤维的力学性能和加工工艺,最终选择碳纤维作为承压层的材料。(3)高压储氢罐的参数主要有压力容器设计所需要的压力,体积,内径和储氢密度。根据车用移动式储氢罐的储氢密度要求3wt%和国内的厂家的生产能力决定设计35MPa压力的储氢罐。确定本文设计的储氢罐的标准储氢压力为35MPa,最大工作压力为40Mpa
5、。结合储氢罐的安装位置确定碳纤维复合材料储氢罐的基本结构尺寸。(4)进行碳纤维复合材料储氢罐承压层静力学有限元分析。(5)以碳纤维复合材料储氢罐发生失效破坏时所能承受的压力为目标函数。将碳纤维复合材料的铺层角度作为设计变量。在满足碳纤维储氢罐的关于总体质量,使用的材料,设计尺寸和工况载荷的约束条件下研究设计变量对碳纤维复合材料储氢罐承压层力学性能的影响。研究发现随着0铺层的位置的改变,碳纤维复合材料储氢罐的总体变形量也在变化,并且随着0铺层距内胆的距离的增长,储氢罐的变形量呈减小的趋势。通过研究铺层角度对碳纤维复合材料储氢罐承压层力学性能的影响。发现在铺层角度为35左右的铺层角时储氢罐的变形量
6、最小并且最终采用对称铺层的方法来减小因为铺层角度所产生的偏斜现象。关键字:碳纤维复合增强材料;储氢罐;C0MS0L;有限元Designandanalysisofhydrogenstoragetankfor20LhydrogenfuelvehicleAbstract:Withtheriseofnewenergyautomobileindustry,theapplicationofhydrogenenergyinautomobileshasbecomeafocus.Hydrogenstorageandtransportationtechnologyisthekeyofhydrogenenergya
7、pplicationtechnology.Carbonfiberreinforcedcompositehasthecharacteristicofhighspecificstrengthandspecificmodulus,whichisverysuitabletobeusedaspressurematerialforhydrogenstoragetankunderhighpressure.Therefore,accordingtotheworkingconditionsofhydrogenfuelcell,athree-dimensionalmodelofcarbonfiberautomob
8、ilehydrogenstoragetankwasestablishedanditsmechanicalpropertieswereanalyzed.Theinfluencelawofmaterialandcompositestructureonmechanicalpropertiesandimpactdamagecharacteristicsofhydrogenstoragetankwasstudied,andonthisbasis,thestructureoptimizationofhydrogenstoragetankofcarbonfiberautomobilecompositewas
9、realized.Inthispaper,thelinermaterialandfiberofcarbonfiberautomobilehydrogenstoragetankwerestudied,andthestructuralparametersofthehydrogenstoragetankweredesigned.Theshapeandsizeofthecarbonfiberhydrogenstoragetankweredetermined,andthethree-dimensionalmodelofcarbonfiberautomobilehydrogenstoragetankwas
10、established.Determinethematerialoftheplasticlinerofhydrogenstoragetankaccordingtotheuseenvironmentofhydrogenunderhighpressure;Withthetargetof35MPagasstoragepressure,thelaminateAngleandthicknessofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankweredesigned.Thespecifictasksareasfollows:(1) accordingtothecharac
11、teristicsthatthetankismainlyusedtostorehydrogenanddoesnotbearthegaspressure.ThematerialusedinthetankmusthaveastrongbarriertohydrogenandadoptPE/EVOH/PA/EVOH/PEfive-layerstructure.Inastrongbarrieratthesametime.PAcanbeprotectedbyPElayertopreventPAlayerfromabsorbingwater.(2) accordingtothefiberlayerofth
12、ehydrogenstoragetank,itismainlyusedasapressurebearinglayertobearthepressureload.Thereinforcedmaterialwithhighstrengthisselectedasthematerialofthepressurebearinglayer.Themechanicalpropertiesandprocessingtechnologyofglassfiber;Kevlarfiberandcarbonfiberwerecomparedcomprehensively.Theperformanceparamete
13、rsofepoxyresinbaset700-12kone-wayprepregproducedbyShangWeicompanyweresimulatedandanalyzed.(3) theparametersofthehigh-pressurehydrogenstoragetankmainlyincludethepressure,volume,innerdiameterandhydrogenstoragedensityrequiredbythedesignofthepressurevessel.Accordingtothehydrogenstoragedensityrequirement
14、sofmobilehydrogenstoragetankforvehicles(3wt%)andtheproductioncapacityofdomesticmanufacturers,35MPahydrogenstoragetankwasdesigned.Thestandardhydrogenstoragepressureofthehydrogenstoragetankdesignedinthispaperisdeterminedtobe35MPaandthemaximumworkingpressureis40Mpa.Accordingtotheinstallationlocationoft
15、hehydrogenstoragetank,thebasicstructuresizeofthecarbonfibercompositehydrogenstoragetankwasdetermined.(4) conductthestaticfiniteelementanalysisofthepressurizedlayerofcarbonfibercompositehydrogenstoragetank.Createthepropertiesofthesingle-layercompositeboardintheAcp-Premodule.(5) theobjectivefunctionis
16、thepressurethatthecarbonfibercompositehydrogenstoragetankcanwithstandwhenfailureoccurs.ThelayeringAngleandlayeringsequenceofcarbonfibercompositesweretakenasdesignvariables.Itwasfoundthattheoveralldeformationofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankalsochangedwiththechangeofthepositionofthe00coating,
17、andthedeformationofthehydrogenstoragetanktendedtodecreasewiththeincreaseofthedistancebetweenthe0coatingandthetank.TheeffectoflayeringAngleonmechanicalpropertiesofcarbonfibercompositehydrogenstoragetankwasstudied.ItwasfoundthatthedeformationofthehydrogenstoragetankwasthesmallestwhenthelayeringAnglewa
18、sabout35,andfinallythemethodofsymmetricallayeringwasadoptedtoreducethedeflectioncausedbythelayeringAngle.KeyWords:Carbonfibercompositereinforcement;Hydrogenstoragetank;COMSOL;Finiteelement目录错误!未定义书签。第一章.绪论5第二章.碳纤维复合材料储氢罐结构设计10第三章.碳纤维复合材料储氢罐单相流仿真分析16第四章.承压层铺层的简单优化设计17第五章.结论与展望19参考文献20致谢错误!未定义书签。第1章绪论
19、自1885年卡尔奔驰设计并制造出单缸四冲程发动机并将其装配到一辆三轮汽车开始,世界汽车工业便开始了迅猛的发展。1891年,法国的阿芒标志(ArmandPeugeot)开始将其工厂转型生产汽车;1898年,法国出现雷诺汽车;1897年亚当欧宝将缝纫机厂转为汽车厂;1903年HenryFord创立福特汽车,并于于之后的几年内开始率先采用流水生产线模式生产汽车,使得汽车产量迅速上升和成本下降。使汽车从少数人拥有的奢侈品转变为在千家万户中普及的实惠的产品。1953年第一汽车制造厂在长春动工建设,这成为了我国汽车工业开始起步的标志。随后,我国又新建了第二汽车制造厂。最近的二十年,是我国汽车工业迅猛发展的
20、二十年。截至2010年底,我国汽车产量已达到1800万辆,成为世界汽车大国。由于汽车使用量的迅速激增,作为汽车燃料的石油产品也在被迅速地消耗着,加剧了石油的消耗量。除去石油,可作为燃料的天然气,煤和油母页岩等燃料储量也非常有限。止匕外,常规能源发电主要是以燃煤为主的火力发电,其对生态环境所造成的污染也是极大的。所以,世界各国正在探寻可以代替化石燃料的新能源。近几年来,我国交通运输的能耗所占比例越来越大,汽车尾气污染是酿成空气污染的重要因素,因此,将清洁能源代替传统化石能源对我国的可持续发展和环境保护都具有特别重要的意义。而氢能燃烧热值高,燃烧速度快且燃烧之后只会产生水,不会造成环境污染等特点成
21、为21世纪最具发展潜力的清洁能源。燃料电池汽车(FCV)是一种将氢气或高含氢重燃气作为电池燃料。然后通过燃料电池产生动力驱动车轮的汽车。FCV汽车具有接近于零排放的特性并且FCV汽车运行平稳,无噪声,这使得其具有广阔的发展前景。随着氢燃料电池技术的发展,氢能在汽车应用上的需求越来越大。但是氢气的着火点能量小,爆炸浓度极限范围宽。且氢气的分子小,粘度小,易泄漏扩散。因此,氢气的存储问题成为限制氢能汽车发展的重要瓶颈之一。所以,设计出具有高强度和轻质化的碳纤维复合材料车用储氢罐对提高使用氢气过程中的安全性以及提高储氢罐的储氢性能具有十分重要的意义。1.2 氢能氢是宇宙中分布最广的元素,占宇宙质量的
22、百分之七十五。氢能为二次能源,可由一次能源制成。氢的燃烧热值高,是所有化石和化工燃料中除核能外发热值最高的燃料。氢的可燃范围十分广并且其燃烧速度极快。此外,氢燃烧反应后除了生成水和氨气外不会产生任何对有害的物质。现有的制氢方法诸如电解法,水煤气法和生物制氢等已经发展得比较成熟。通过CCS技术,碳捕捉技术将煤气化制氢过程中所产生的二氧化碳分离,再将其输送直海底或通过CCUS技术将产生的二氧化碳提纯以实现循环利用可以极大地降低煤气制氢中的碳排放国。此外,副产氢的回收再利用,利用太阳能制氢,用植物制氢,热化学制氢等技术均可提高氢的产率】叽现今,城市用车和短程公交车已经逐步开始推广氢能源汽车,氢能也是
23、实现远程运输脱碳方法中成本最低的一种之一。至2030年,在运输领域氢能需求量可达到715万吨/年12虱氢燃料电池汽车是实现氢能大规模运用的最佳表现形式。只有将氢气制备,氢气储运和氢能源电池技术的发展有机结合才能使其变得更加实用。而氢气储备研究则是氢气运用研究中的关键。1.3 国内外储氢技术发展现状近年来,氢能作为车用燃料的研究也取得了长足的进展。2006年宝马研制出氢动力轿车氢能7系,这使汽车工业向可持续发展迈出了第一步;丰田公司生产的Mirai型轿车,单次氢燃料加注仅需3min,最高时速175km/h,最长续航里程为600km(NEDC工况下丰田测试值),燃料电池低温启动温度可达-30C,寿
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