复合储氢容器的失效分析

复合储氢容器因其轻量化和高强度的优点而备受关注，然而，复杂的容器结构、各向异性的复合材料和渐进性的破坏特征共同导致了复合容器损伤机制的复杂性^[1]。研究复合储氢容器的失效行为是实现该类设备安全、经济设计的迫切需要^[2]。虚拟有限元分析为复合材料容器的渐进式失效分析和破裂压力预测提供了一种具有较高设计灵活性的有效方法^[3]。采用有限元法进行渐进式失效分析的核心内容是复合容器典型材料结构构模型的建立、材料性能退化方法的采用、失效准则的选择、损伤演化研究以及复合容器破裂压力的预测^[4]。复合材料储氢压力容器在充注和使用过程中，通常会受到高温、循环载荷压力、老化等复杂环境的影响。因此，复合材料容器容易受到疲劳损伤，降低了使用安全性。除了研究新生产的复合材料容器的爆裂性能外，对长期服役的复合材料容器进行疲劳失效分析也十分必要。近几十年来，许多学者对复合材料容器疲劳性能的研究主要集中在影响疲劳寿命的因素和疲劳寿命预测两个方面。采用实验和数值两种方法对疲劳寿命预测进行了研究。通过疲劳试验获取复合材料容器的使用状态和疲劳损伤情况，分析复合材料容器的剩余性能，评估其可靠性;Zheng等^[5]通过建立真实的氢疲劳试验系统，研究了氢燃料汽车气瓶的热-机械疲劳性能和失效行为。结果表明:经过500次充氢和放氢疲劳试验，复合材料气瓶的极限强度降低了15%;然而，水力疲劳试验后的极限强度降低并不显著。另一方面，采用有限元分析方法对复合材料容器的疲劳破坏进行了研究。可采用能量法-、临界表面法-和基体蠕变损伤法-对复合材料容器疲劳寿命进行预测。研究表明，复合容器的SHM主要从位移/应变场测量和损伤识别两方面进行检验，有学者将光纤技术与DIC技术相结合，测量复合材料容器的局部和全场应变信息，实现缺陷识别(气泡、夹杂等)和损伤定位-。Ga^[6]提出了一种基于FBG和DIC互补光学检测的复合储氢容器应变测量方法，通过DIC技术测量全场应变，确定复合容器的临界状态，指导FBG传感器的优化安装。结果表明，光纤和DIC测量相结合可以准确识别复合材料的缺陷和损伤位置。此外，声发射技术还可以实时监测复合材料容器损伤的起裂和传播，并进行损伤分类和评估。结果表明，复合材料容器破裂前的应变信息和声发射信号可以明确识别破坏位置和容器故障。通过研究，可以有效地评估复合材料容器压力窗的应变梯度和损伤演化。多种无损检测方法的结合可以互补地获取损伤信息，提供更准确的损伤定位和评估。

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