在碳纖維增強塑料壓力罐中儲存氫氣時，在-240°C和350巴的低溫壓力下，由于微觀和宏觀的影響，會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)臋C械應(yīng)力，導(dǎo)致材料的長期疲勞。德國宇航中心纖維復(fù)合輕量化與自適應(yīng)系統(tǒng)研究所已經(jīng)開發(fā)出了材料模型，可以預(yù)測這種氫氣罐的使用壽命，并考慮到這些影響。同時，這一工作成果也使得壓力罐的重量優(yōu)化設(shè)計成為可能。
碳纖維增強塑料的成分的材料特性是非常不同的。在冷卻時，聚合物基體收縮，而碳纖維輕微膨脹。組件的粘合形成了復(fù)合材料，阻礙了相反的熱膨脹，從而產(chǎn)生了機械應(yīng)力（微效應(yīng)）。此外，由同向纖維層組成的單向復(fù)合材料，在纖維方向和跨纖維方向上的行為是不同的。在壓力罐的多向?qū)訅喊逯?，各層的這種 "各向異性"也確保了各層的熱膨脹受到阻礙，從而導(dǎo)致各層的機械應(yīng)力（宏觀效應(yīng)）。
微觀和宏觀效應(yīng)會對材料造成損傷。新開發(fā)的計算模型現(xiàn)在允許單獨考慮微觀和宏觀層面的疲勞機制。與德國宇航中心科學(xué)家進行的驗證實驗的比較表明，這些模型在兩種尺度上都很好地再現(xiàn)了材料的疲勞現(xiàn)象，并為宏觀效應(yīng)提供了非常好的壽命預(yù)測。該計算模型還提供了另一個非常重要的優(yōu)勢：微觀和宏觀效應(yīng)對材料疲勞的個別貢獻現(xiàn)在可以單獨進行量化。這在以前的測試和計算方法中是不可能的。
此外，該計算模型還允許對氫氣容器進行重量優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。
圖片說明：微觀機械模擬：在低溫溫度循環(huán)導(dǎo)致的疲勞破壞過程中計算出的基體裂紋（黑色區(qū)域）
京公網(wǎng)安備11010802046783號
