综述：高压储氢容器失效预测与优化研究综述

（编辑推荐）本综述系统梳理了复合高压储氢容器(HHSVs)的失效行为与优化策略，聚焦爆破失效(burst failure)和疲劳失效(fatigue failure)两大核心问题。通过总结纤维增强复合材料的失效准则、有限元(FEM)渐进损伤模型及多目标优化算法(如RSM/GA/ANN)，为提升储氢容器轻量化设计及安全性提供理论支撑，并创新性提出多丝缠绕技术解决纤维交叉下垂问题。

　　

失效判定与评估模型

复合高压储氢容器(HHSVs)的失效模式主要分为爆破失效和疲劳失效。爆破失效对应容器的极限承载能力，常用Tsai-Wu准则和最大应力准则评估；疲劳失效则涉及10⁴-10⁵次充放循环后的累积损伤，需结合剩余强度模型和S-N曲线分析。研究显示，纤维断裂和界面脱粘是导致层合结构失效的主因，而有限元(FEM)结合UMAT子程序能精准模拟损伤演化过程。

预测模型构建技术

三维渐进损伤模型成为主流方法，通过VUMAT实现显-隐式算法耦合，爆破压力预测误差可控制在5%以内。针对70 MPa高压工况，考虑氢脆效应的Cohesive单元模型显著提升疲劳寿命预测精度。值得注意的是，机器学习算法(如ANN)正逐步替代传统响应面法(RSM)，实现多参数非线性关系的快速拟合。

抗失效性能优化策略

优化设计聚焦三个层面：

1. 1.

   衬里材料：铝内衬厚度减少20%可降低重量且维持密封性；

2. 2.

   复合材料层：铺层顺序[±55°]₃结构使爆破压力提升18%；

3. 3.

   缠绕工艺：多丝缠绕技术通过动态张力控制，减少纤维交叉率达37%，同时提升生产效率。遗传算法(GA)优化显示，缠绕角55°-75°区间可平衡爆破与疲劳性能。

未来挑战与突破方向

当前研究存在氢环境模拟简化、多场耦合模型缺失等局限。下一代技术将聚焦：

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  数字孪生实现全生命周期预测

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  碳纤维/玄武岩纤维混杂增强方案

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  基于拓扑优化的轻量化结构设计

  中国团队提出的多级失效预警系统已进入工程验证阶段，有望将容器安全系数提升至2.25倍。