IV型储氢容器聚合物内衬层在不同温度下的塌陷行为机制研究及临界解压速率预测模型构建

针对IV型储氢容器在快速解压过程中因温度变化(-30°C至60°C)引发的内衬层塌陷问题，研究人员通过建立PA6和HDPE的DSGZ本构模型，结合VUMAT子程序进行流体-固体耦合有限元分析，发现温度升高使临界压差ΔPcr 降低2.3 MPa，并基于BP神经网络构建了临界解压速率kcr 预测模型，为储氢容器安全设计提供理论支撑。

　　

氢能汽车的发展离不开高效安全的储氢技术，其中IV型储氢容器因其轻量化、高能量密度等优势成为研究热点。然而，这类容器在快速卸氢时，聚合物内衬层容易发生塌陷，尤其在-30°C至60°C的宽温域工况下，温度对内衬材料力学行为的影响机制尚不明确。这一隐患严重制约了氢能汽车的商业化进程。为此，南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，系统揭示了温度对IV型储氢容器内衬塌陷行为的影响规律，并建立了工程实用的预测模型。

研究团队采用多尺度研究方法：首先通过PA6和HDPE标准试样的单轴拉伸实验建立温度依赖型DSGZ本构模型；其次利用VUMAT子程序将模型嵌入有限元分析，构建含初始缺陷的储氢容器流体-固体耦合模型；最后通过BP神经网络整合温度、材料参数与临界解压速率k_cr
的复杂非线性关系。

Development of the DSGZ constitutive model for polymer liner
通过-30°C至60°C范围内PA6和HDPE的力学测试，发现两种材料的弹性模量E随温度升高显著下降，据此建立的DSGZ模型能准确描述聚合物内衬的黏弹性-塑性耦合行为。

Computational modeling of liner collapse
有限元模拟显示，温度升高会加速氢分子扩散系数D的变化，导致内衬层在较低压差ΔP_cr
下即发生屈曲，且HDPE的温敏性较PA6更显著。

Results and discussion
在60°C时，PA6和HDPE的ΔP_cr
比-30°C降低约2.3 MPa；界面损伤分析表明高温会加剧CFRP（碳纤维增强复合材料）与内衬层的剥离风险，D_f
损伤因子增幅达37%。

Prediction model for critical decompression rate
基于200组仿真数据训练的BPNN模型，对k_cr
的预测误差小于5%，揭示温度每升高10°C，k_cr
需提高15%-20%以避免塌陷。

该研究首次量化了温度对IV型储氢容器失效行为的影响，提出的DSGZ-VUMAT耦合算法为同类研究提供新范式。所开发的BPNN预测模型可直接指导储氢系统的操作参数优化，对保障氢能汽车全气候工况安全具有重要工程价值。研究同时指出，未来需进一步考察循环温度载荷下的材料老化效应，以完善容器寿命预测体系。