基于物理学的复合氢储存罐在晃动条件下的冲击损伤分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：Physics-based impact damage analysis of composite hydrogen storage tanks under sloshing conditions

　　C.A. Mukwanje|N. Jere|A. Faik|M. Nachtane
摩洛哥穆罕默德六世理工学院（UM6P）化学科学与工程学院（CCSE），可持续能源技术无机材料实验室（LIMSET），Benguerir，43150

**摘要**
本研究对先进的复合氢储存罐的冲击响应和损伤机制进行了基于物理的数值分析，特别关注了撞击事件中液体晃动的影响。尽管I-V型分类最初是为压缩气体氢（CGH2）容器开发的，但本研究将其系统地扩展为一个标准化的比较框架，以评估在不同材料和结构概念（全金属、金属-复合混合和全复合）在液态氢（LH2）条件下的相对抗撞性、能量吸收和失效行为。使用ABAQUS FEM软件中实现的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）公式对I型到V型储罐架构进行了比较动态显式研究。这种方法能够高保真地表示冲击过程中及之后的流固相互作用和晃动效应。在0°、45°和90°方向进行了跌落冲击模拟，以表征损伤演变、变形模式、能量吸收和液体晃动引起的载荷。通过提供整个储罐设计范围的直接比较，本研究为开发更安全、更轻量且抗冲击性更强的液态氢储存系统提供了定量指导。这些发现直接有助于实现氢技术的安全、可靠和广泛应用，尤其是在航空航天和重型运输等对系统完整性要求极高的高性能应用领域。

**引言**
由于人为温室气体（GHG）排放，尤其是化石燃料燃烧的影响，全球平均气温不断上升，迫切需要向可持续能源来源转型[1,2]。国际协议，如《巴黎协定》，强调了减少碳排放的战略对于遏制到2050年温度上升3-5°C的必要性[3,4]。在这一关键转变中，氢（H2）作为实现碳中和能源未来的领先者脱颖而出。作为一种可再生能源载体，氢燃烧不会产生温室气体，并且其比热容能量密度（120-142 MJ/kg）优于传统燃料[3]。这使其在各种应用中都具有极大的潜力，从车辆和航空领域的移动燃料电池[5]到大规模融入电网的清洁电力生产。

尽管氢具有明显的优势，并在实现净零排放中发挥着关键作用，但其在其价值链中的广泛应用仍受到诸多挑战的严重阻碍，特别是在生产、储存和运输方面。虽然从“灰氢”（来源于化石燃料）向“绿氢”（通过质子交换膜或碱性电解器使用可再生能源产生的水电解）的转变正在取得进展[6]，但高效和安全储存及分配氢的工程复杂性仍然是重大障碍。氢可以以压缩气体（CGH2）、液态（LH2）或固态载体的形式储存和运输。CGH2在70 MPa的压力下储存在压力容器中，具有重量轻的优势（0.082 kg/m3），适合移动应用，但其体积能量密度较低[7,8]。固态储存利用金属氢化物和金属有机框架（MOFs）等材料，虽然体积密度更高且安全性更强，但在动力学和热管理方面存在不足[9,10]。本研究关注液态氢（LH2），因为其在20 K时的体积密度高于（70.8 kg/m3），非常适合大规模储存和运输[11]。然而，氢的液化需要通过林德（Linde）、克劳德（Claude）或反向布雷顿（Reverse Brayton）循环等能耗密集型过程将气体氢冷却到低温（-253°C或20 K）[12]。此外，LH2的极度挥发性要求在双层低温储罐内采用先进的多层隔热系统，以应对沸腾蒸发（BOH）、热量泄漏、隔热层劣化、晃动、闪蒸和热分层[13]。材料挑战还包括金属中的氢脆化和聚合物及复合材料中的渗透[13]。根据材料组成，气体氢储存罐被分为五类：I型储罐完全为金属制成，坚固但重量较大；II型是金属和复合材料的混合体；III型储罐的圆柱部分包裹有复合材料；IV型储罐用聚合物衬里替换了金属衬里，并完全采用复合材料包裹，显著减轻了重量；V型储罐完全由复合材料制成，消除了衬里。由于复合材料的强度重量比和耐腐蚀性，它们推动了向IV型和V型储罐的转变，尽管其开发，特别是针对低温液态氢的技术，仍处于早期阶段。虽然I-V型分类传统上用于压缩气体氢储存的复合压力容器，但本研究 Conceptually 将同一分类框架扩展到下一代由复合材料制成的液态氢储存罐的应用。这种扩展是合理的，因为从高压气体储存到低温液态氢储存的过渡过程中，基本设计原则、衬里材料选择、复合材料包裹配置和结构承载机制仍然非常相关。本研究的目标是评估这些设计在移动应用中的结构行为和潜力，特别是在重量减轻至关重要的航空航天领域。

液态氢（LH2）作为可持续和碳中和能源未来的基石的广泛采用，在其整个价值链中克服重大挑战至关重要，如图1所示。虽然可再生能源和液化技术的进步正在取得进展，但LH2的低温特性带来了储存和运输过程中的重大工程挑战。如图1所强调的，运输和储存阶段特别容易受到沸腾蒸发、隔热层劣化、氢脆化、外部冲击和振动导致氢晃动等问题影响。这些因素直接削弱了动态条件下LH2储存系统的结构完整性和安全性。本研究通过调查各种LH2储存罐设计的冲击性能和抗撞性，直接解决了这些重要的安全问题。通过重点减轻损伤并确保这些关键组件的结构韧性，我们的研究直接有助于实现氢技术的安全、可靠和广泛应用，特别是在航空航天和重型运输等对系统完整性要求极高的行业。

许多数值和实验研究已经探讨了氢储存罐的各个方面。Tapeinos等人[14,15]通过实验和数值方法研究了创新的IV型多尺度球形复合包裹压力容器的热力学行为，得出结论认为全局失效通常是由衬里断裂和基体开裂引起的。Mantzaroudis等人[16]分析了结构性能和热性能，而Ryu等人[17]研究了火车上安装的LH2储罐中的氢晃动效应。对于抗撞性而言，Dong等人[18]研究了IV型储罐的跌落模拟，考虑了跌落高度、角度和剩余压力，但没有纳入复合材料的特定失效标准。同样，Rohit等人[19]对I型、III型和IV型储罐进行了跌落和撞击测试，确定I型变形最小，IV型最轻，但他们的分析也缺乏全面的复合材料失效预测。其他研究还关注了爆破强度[20],[21],[22]、复合材料容器的缠绕角度和张力优化[23,24]，以及纤维弯曲和断裂的先进损伤模型[25],[26],[27]。还研究了气体[28]和液体[29]氢储罐中重复充放电循环的动态加载效应，以及防火性能[28,29]。另一方面，Powertech[30]报告了对IV型复合CNG公交车车顶储罐的碰撞测试，其中与低矮结构的碰撞导致了公交车车顶的塌陷。在一个案例中，受损的储罐仍超过了最低爆破压力；而在另一个案例中，穿孔的储罐释放了气体但未发生破裂（图2）。

尽管这些研究做出了宝贵贡献，但在不同类型氢储存罐的全面动态显式冲击模拟方面仍存在显著的研究空白，特别是那些严格考虑冲击过程中和之后流体-结构相互作用（FSI）并适用金属和复合材料成分的适当失效标准的研究。以往的研究往往集中在特定类型的储罐上，或者忽略了关键的FSI和冲击下的详细复合材料损伤预测。

在这项研究中，采用I-V型命名法作为比较框架，系统地评估不同材料和结构概念（全金属、金属-复合混合和全复合）在特定于LH2储罐的动态冲击和晃动条件下的相对性能。这种方法能够在质量、成本、透性和损伤容忍参数等方面存在显著差异的储罐架构之间进行一致和结构化的比较，这些参数对于未来低温复合储存系统的安全和高效设计至关重要。需要注意的是，实际的LH2储罐通常为双层结构，以实现隔热效果。然而，本研究关注单层配置，以隔离和清晰评估内部结构容器在冲击载荷下的机械响应和抗撞性。这种简化允许在引入多层隔热系统的额外复杂性之前，直接评估材料和设计效果。因此，本研究的结果为未来开发更真实的双层低温氢储存罐提供了宝贵的基线见解。这种将I-V型分类概念扩展到LH2应用的方法与最近的研究一致，并反映了当前工业趋势，即在航空航天和重型运输领域追求更轻量化的复合解决方案[31],[32],[33]。本研究使用ABAQUS中的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法对I-V型液态氢储存罐进行了比较冲击模拟。我们的主要目标是分析动态结构响应，预测这些不同储罐设计中的损伤，并研究在不同跌落角度（0°、45°和90°）下的氢晃动和冲击能量吸收。这项研究为LH2储罐的抗撞性和材料特定的失效机制提供了重要的工程见解，这对于开发更安全和更具韧性的氢能源基础设施至关重要。

本文的其余部分组织如下：第2节详细介绍了流固相互作用（FSI）方法的理论框架。第3节阐述了数值建模，包括材料定义、几何形状、复合材料层叠定义、模型设置、网格收敛性和边界条件。第4节展示了关键结果和全面讨论，涵盖了不同储罐类型的能量曲线、关键失效区和损伤模式。该部分还探讨了在各种假设和计算效率下实现精度的挑战。第5节通过将缩放模型与实际尺寸的储罐进行比较，讨论了几何形状和缩放的影响，并评估了缩放对第4节结果的影响。随后，第6节概述了当前模型的局限性，并指出了未来改进的方向。最后，第7节总结了本研究的主要发现，并指出了未来研究所需的改进措施。整体方法论和工作流程在图3中进行了可视化总结。

**流固相互作用（FSI）及其数值解**
FSI是LH2储存系统设计和安全评估中的一个关键多物理现象。这种相互作用描述了流体与固体结构之间的动态相互作用，其中流体施加压力和 drag 力，可能导致结构变形。这些变形的程度从可以忽略到严重不等，受流体速度、压力和结构固有机械性质等因素的影响[34]。在LH2储存中，不受控制的FSI...KE清楚地展示了几何形状的影响。NASA的MHTB（多用途氢气试验台）储罐是一个大型低温储藏容器，内部容积约为18立方米[55]。该储罐的总高度和直径均为3.05米，呈现出近乎球形的比例。其端部圆顶设计为2:1的椭圆形，这种几何形状在压力容器中广泛使用，因为它具有良好的应力分布和结构效率。基于这种几何形状，开发了两种型号：MHTB金属储罐和MHTB复合材料储罐。

虽然本研究为I型到V型氢气储罐的抗撞性和晃动行为提供了有价值的比较分析，但仍存在一些局限性。最显著的限制是对单壁储罐结构的建模。在实际的液态氢（LH2）应用中，储罐通常是双壁结构，并配备先进的多层 insulation（MLI）系统，以最小化蒸发损失并保持低温状态。

在这项工作中，使用ABAQUS对I型到V型的液态氢储罐进行了数值比较动态性能研究。跌落（碰撞）试验采用了CEL技术，该技术考虑了储罐与刚性地面碰撞前后的流体-结构相互作用（FSI）。模型模拟了储罐从1.0E-02米的高度以0.444米/秒的初速度跌落到刚性地面上的情况。此外，每种类型的储罐还分别经历了0°、45°等不同跌落角度的测试。

CRediT作者贡献声明：
C.A. Mukwanje：撰写——原始草稿、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念构建。
N. Jere：验证、形式分析、概念构建。
A. Faik：验证、监督、资金争取。
M. Nachtane：撰写——原始草稿、可视化、验证、监督、方法论、调查、资金争取、形式分析、数据整理、概念构建。

在编写过程中，作者使用了ChatGPT来提高某些段落的可读性和表达效果。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审核和编辑，并对出版物的内容负全责。

作者衷心感谢OCP集团在“能源、科学技术/NRG”项目中的财务支持，具体协议编号为175。

作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

作者衷心感谢摩洛哥UM6P的Toubkal超级计算机[1]提供的支持和计算资源。