局部火烧环境下复合材料高压储氢气瓶渐进失效机理研究

Safety performance of composite high-pressure hydrogen storage cylinders under accidental fire exposure has been the research focus of hydrogen safety. During localized fire, the cylinders sometimes burst before pressure relief devices can be activated, and the failure mechanism influenced by the carbon-fiber/epoxy composites of the storage cylinders’ structures, which are severely damaged in both thermal and mechanical properties in thermal decomposition caused by fire, has not been determined. In this project, experimental work to characterize the degradation of carbon-fiber/epoxy composites used in storage cylinders’ structures in thermal and mechanical properties during the thermal decomposition is conducted to study the thermal damage evolution of the composites. Moreover, localized fire tests for the storage cylinders are carried out to determine actual thermal response of internal hydrogen gas, cylinders’ failure modes and burst pressures. Based on the investigation of thermal damage evolution and localized fire test data, an effective coupled gaseous-thermal-mechanical 3D numerical model for the fire-gas-solid systems and a progressive failure model for the storage cylinder structures are developed to predict failure modes and burst pressures of the storage cylinders, and to discover the cylinders' failure mechanism under such fire condition. The research results from this project can provide theory basis for the prediction and design of fire resistance and fire safety assessment of high-pressure hydrogen storage cylinders, and also lay a foundation to the development of related safety standards.

高压储氢气瓶火烧安全性是氢能安全领域的研究重点之一。局部火烧环境下，高压储氢气瓶有可能在其压力泄放装置开启前就发生爆炸，而其碳纤维/树脂复合材料层因火烧引起的热分解极为复杂，复合材料层的传热性能退化和力学性能退化对气瓶失效的影响尚未探明。本项目拟开展高压储氢气瓶碳纤维/树脂复合材料的传热性能与力学性能退化试验研究，建立材料退化模型，获得其性能退化规律，探明其热损伤演化过程；开展高压储氢气瓶局部火烧爆炸试验研究，探明局部火烧环境下瓶内氢气的热响应规律，以及气瓶的失效模式和爆破压力。基于以上试验与理论研究，建立考虑复合材料层热分解影响的、可靠的气-热-固耦合作用下高压储氢气瓶三维数值模型与结构渐进失效模型，预测高压储氢气瓶在局部火烧环境下的失效模式和爆破压力，揭示其在局部火烧环境下的失效机理，为高压储氢气瓶耐火性能预测与调控设计、火灾安全评估提供理论依据，并为相关安全标准的研制奠定基础。

高压储氢气瓶是氢燃料电池汽车的关键零部件，其安全性是氢安全领域的研究重点之一。火灾时，高压储氢气瓶受到外部火焰和内部压力载荷的耦合作用，高温与树脂热分解对碳纤维/树脂复合材料层传热性能与力学性能的影响规律和机制亟待探明。鉴于此，本课题通过热分析技术、材料燃烧性能测试技术、宏观力学测试、显微电镜观测技术以及气瓶耐火性能测试技术等测试手段，从复合材料的原材料、层合板和气瓶层面全面分析和研究了火烧环境下复合材料高压储氢气瓶的失效机理及预测方法。首先，通过锥形量热试验对碳纤维/树脂基复合材料的燃烧性能进行研究，获得了热通量对燃烧特征参数的影响规律，深入分析了复合材料燃烧热响应过程。与此同时，基于热重分析揭示了复合材料温度升高与质量损失之间的关联关系，运用热解动力学分析确定了表达质量损失的Arrhenius方程中的参数。其次，通过复合材料层合板高温拉伸试验，测量了复合材料在升温时的弹性模量和屈服强度变化，探究了高温对复合材料失效模式、失效位移等的影响机制；以试验数据为基础，结合理论分析，建立了碳纤维树脂基复合材料在热损伤演化过程中的力学性能退化模型。之后，开展了高压储氢气瓶局部火烧试验研究，获得了气瓶及瓶内氢气热响应、气瓶剩余爆破压力。最后，基于上述复合材料传热性能和力学性能的退化规律，建立了气瓶火烧试验过程三维数值模型与结构渐进失效模型，通过数值模拟预测了高压储氢气瓶在局部火烧情况下的失效模式和爆破压力。研究成果为高压储氢气瓶耐火性能预测和调控火灾安全评估提供了理论依据，为GB/T 35544《车用压缩氢气铝内胆碳纤维全缠绕气瓶》与T/CATSI 02007《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》火烧试验方法制定提供了关键数据支撑。发表SCI论文6篇，EI论文1篇，获授权发明专利1篇，制定标准2项。