金属氢化物储氢罐的三维建模及优化*

王 旭 ，程宏辉 ，丁 志 ，朱洪星

（扬州大学机械工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

氢能具有燃值高、无污染等特点[1-3]。氢气的储运是保障未来氢能广泛运用的重要一环，利用金属氢化物储氢是氢气储运的重要方式之一[4]，储氢罐在被用于氢气储存和供给的过程中会伴随着吸放热的化学反应。过高的温度会对容器的一些重要部位，产生热疲劳与热蠕变[5]。同时，储氢合金吸氢后体积将发生明显膨胀，给容器壁面施加巨大应力，导致容器破裂失效。放氢需要的高压又要求罐体具有一定的强度。因此，需要设计具有更好的传热传质效果的容器[6]。

SolidWorks Simulation作为一款有限元分析软件，解算速度快，占用内存小[7-8]，设计人员可以借助它快速完成复杂设计的分析与验证，为设计人员提供应力分析、应变分析、热分析等结果，获得修正与优化设计所需的必要信息，极大地缩短了设计周期，降低了设计成本。

1 储氢罐结构模型

储氢罐的模型特征包括：法兰盖、O型封圈、罐体、螺栓标准件。法兰盘和合金瓶的具体尺寸工艺图分别如图1和图2所示。法兰盘与罐体上设有相对应的六个螺栓孔，通过螺栓预紧产生的摩擦力相配合固定连接。法兰盘上设有1/4NPT规格的通孔，与气管连接来输入和输出氢气。法兰盘设有薄凸台，用于配合O型圈保证储氢罐的气密性。金属氢化物在吸放氢时会吸收和放出大量的热，需要及时的导入和导出来保证吸放氢的效率，所以选择的罐体材料需要具有良好的传热性，高效实现热量的传递，依据经验，并查阅机械手册了解金属强度刚度，选用的罐体材质铝合金6061（T6）是理想的罐体材料。合金瓶出口直径与腔体直径一致，出口上设有能够与O型圈相配合的密封凹槽。操作压力为1 MPa~2 MPa，考虑到合金粉化膨胀，使得工作压力增大，计算压力设为3 MPa，模型中工作介质假设为氢气。计算后，依据经验及成本问题，确定合金瓶壁厚为4 mm，底部厚度为5 mm，选择法兰盘厚度为10 mm。

图1 法兰盘尺寸工艺图

图2 合金瓶尺寸工艺图

2 有限元模型的建立

由于储氢罐为对称结构的回转体，为节约分析时间，建模只需要考虑一部分即可，这里建立1/6结构的三维模型。使用切除命令，设置切除角度为320°，完成有限元分析模型的建立。

3 有限元分析

新建一个算例，定义为“静态算例”，然后对模型进行材料设定、约束、加载、划分网络。选择应用材料到所有，定义合金瓶材料为铝6061-T6，法兰盘材料为304钢，由于罐体内壁受均匀的径向压力，故对合金瓶内壁加载设计压力（3 MPa）。打开“夹具顾问”选择“高级夹具”，然后在合金瓶与法兰盘同侧应用夹具“在平面上”，在合金瓶与法兰盘另外一侧应用夹具“对称”以完成储氢罐的夹具设定。打开“连接顾问”，在合金瓶与法兰盘接触部分选择“无穿透”接触面组，接头选择“带螺母柱形沉头孔”完成罐体与法兰盘的连接设定。由于罐体内壁为受力部位，故需要对罐体内部进行局部细分，网格类型选择“基于曲率的实体网络”，划分结果为节点数10 570个，单元数5 852个，网格划分结果如图3所示。

图3 模型网格划分

4 分析结果

本文采用FFEplus算法，为使变形图较为清晰地显示，将变形比例放大60倍，求解出的变形图如图4所示，由变形图可知最大应力发生在合金瓶和法兰盘连接部位的附件。因为这里是假定的螺栓接头的位置，所以该部位的应力集中是不真实的，研究过程中将忽略它。结合应变图如图5所示，会发现实际最大应力存在于合金瓶底部和合金瓶底部与侧面焊接的位置，并且变形量较大。

图4 储氢罐在加载后的应力云图

图5 储氢罐在加载后的应变云图

5 焊接工艺优化

5.1 储氢罐用的焊接加工

对于金属氢化物储氢罐中所需要的焊接加工包括如下几个部分：散热翅片按设定间距焊在铝合金管外壁来保证散热充分。铝质圆块焊于铝管一端，带密封凹槽的圆环焊于铝管另一端，来完成瓶身的焊接。气管承插焊于法兰盘1/4NPT孔内，使储氢罐能够被通入和释放氢气。UJR接头同气管进行焊接以获得带有UJR接头的气管。短长度泡沫铜环焊接和切割加工来完成储氢罐内部结构的搭建。席型铜网焊接于泡沫铜圆盖上，然后清洗晾干获得成品，置于储氢罐内部，使得通气时能够过滤杂质，过滤性能稳定、精细。

5.2 焊缝处理

由上述应力云图可知，对于储氢合金反应床，床身和床底接合部分存在应力集中，且床底所受应力要远比床身所受应力大，考虑到安全性和可靠性的要求，在焊接时需要尽可能地保证焊缝的长度和宽度，焊缝的质量。

6 储氢反应床的结构优化

对于氢化物吸氢反应过程中产生大量热影响储氢床寿命的问题本文的改善方法如下：在储氢层中心反应区（温度最高区域）加入铜质冷却导管，在导管中通入冷却液；在反应床外围均匀分布散热翅片。

对于储氢合金粉化沉积破坏罐体的问题，本文的改善措施有增加反应床壁厚来提高床体结构强度。对于合理增加壁厚来提高强度是一个需要考虑的问题，如上述应力云图，在储氢罐侧壁厚和底部厚度相同，气压为3 MPa的条件下，底部中心区域应力最大，罐体侧壁应力最小，所以可以适当增加罐体底部的厚度。但厚度的增加会导致储氢罐的储氢重量比下降，成本增加，传热恶化的问题。故需在保证可靠性的情况下减小壁厚。比如，罐体采用高强度、抗氢脆材料[9]。

从缓解储氢合金沉积现象着手，需要提高储氢合金的抗粉化能力，同时阻碍合金粉进一步沉积[10]。本文中采取的措施有：通过带有孔隙的金属泡沫铜零件置于罐体内部来限制粉末的流动和沉积，在储氢合金膨胀时提供空间来避免对罐体造成破坏。

金属氢化物储氢罐的设计需要考虑的因素很多，本文对于储氢罐的设计方法基于设计的理论模型，模拟现实也并非100%，但可以为解决纯理论设计定性不能定量的问题提供一个途径，可从不同角度评价设计结果，因此，提出的设计方法有一定的实际意义。