复合材料专场 | ABAQUS车载四型复合材料气瓶固化过程的数值模拟分析攻略

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了采用abaqus软件结合采用子程序进行复合材料气瓶温度场以及固化度的模拟分析计算。文章首先介绍了复合材料气瓶固化的热场，包括两个阶段，即表面和周围通过与空气的热对流换热，以及复合材料与内部塑料芯模以及金属接头的传热。接着介绍了材料性能，包括复合材料的密度、比热、热导系数和热产生。然后介绍了子程序详解，包括用户子程序USDFLD、FILM、HETVAL和DISP。最后，文章对固化度结果进行了分析，包括温度变化、内外表面温度变化以及温度场-固化度场。

导读：复合材料的固化过程为一个较为复杂的热-力多场耦合过程，本文拟介绍采用abaqus软件结合采用子程序进行复合材料气瓶温度场以及以及固化度的模拟分析计算。诚邀大家关注2020仿真知识周我的公开直播《车载储氢碳纤维复合材料气瓶快速设计仿真》（点击此处报名）。以下是正文：

复合材料气瓶固化的热场本质上可以认为包含两个阶段，复合材料气瓶表面和周围通过与空气的热对流换热，复合材料与内部塑料芯模以及金属接头的传热。在第一个阶段整体温度较低，热量从表面向复合材料层内部流入，此时固化速率很低，所以自发热量小于从外面传进来的热量，热流由外向内。当整体温度达到一定温度时进入第二个阶段，自发热使复合材料层温度高于环境，复合材料层开始向外换热，因此温度场内高外低。如果趋势正确，那么决定温差的就是：

复合材料的热导率
自发热热流

一、材料性能

本节是一个热传导问题，需要给出的材料性质有：复合材料的密度、比热、热导系数和热产生（即内热源，通过用户子程序HETVAL定义）。由于复合材料是正交各项异性材料，必须定义材料坐标系。表征反应程度的固化度场作为用户定义场（user defined field）也需要在材料属性中定义，需要用到用户子程序USDFLD。主要材料性能如下表 1所示。

表 1 固化-温度场有限元分析材料参数

二、复合材料气瓶模型建立

采用abaqus-wcm建立好的复合材料模型如图1所示，复合材料层的变角度以及变厚度如图2所示。

图 1 复合材料气瓶建模图

图2 复合材料气瓶封头缠绕变角度与变厚度图

对建立模型的复合材料添加材料属性，如下图所示，根据缠绕定律，对于每个网格赋予不同的材料属性，实现复合材料缠绕层变角度与变厚度的设置，如图2所示。

图3 复合材料缠绕层变角度/变厚度材料属性赋予

三、子程序详解

为了计算复合材料固化过程中的温度以及固化度，必须用到4个abaqus子程序。

用户子程序USDFLD定义表征化学反应程度的固化度场，FILD（1）即是每个增量步中每个积分点上固化度的值。通过STATEV（1）与定义热产生的用户子程序HETVAL传递数据。由于本项目使用的描述固化反应的固化动力学方程中固化度初始值不能为零，所以在子程序USDFLD中给固化度赋予一个初始值1×10-4。详细子程序内容如下：

1594798223(1).png

用户子程序DISP，用于定义温度边界条件：理解为固化温度的来源即是加热源，曲线为固化得工艺温度曲线，如图4 所示。

具体子程序内容如下所示：

图 4 复合材料气瓶固化曲线

用户子程序FILM用于定义对流换热边界条件，H（1）给定表面对流换热系数，SINK给定与图4的工艺曲线一致的环境温度。用户子程序的详细代码如下。

用户子程序HETVAL，用于定义复合材料内部的反应热。STATEV（1）即为从用户子程序USDFLD中传递过来的固化度；STATEV（2）为固化率（固化度的变化率），由与固化度、温度、升温速率等变量相关的固化动力学方程确定，决定了反应热的放热速率；FLUX（1）表示反应热产生的单位时间、单位体积的热量。子程序如下所示：

将以上四个子程序采用Fortran语言编程成abaqus子程序进行调用。

四、固化度结果分析

依据以上子程序以及复合材料气瓶的模型，进行复合材料气瓶在固化过程中的温度-固化场的分析。

图5 复合材料气瓶在固化过程中的温度变化

如图5所示，在外界加温过程中，气瓶外表面温度逐渐升高，当外界温度在84.6度条件下，外表面温度较高，呈现逐渐向内传递的趋势，内衬HDPE由于导热系数以及比热容较低，整体在开始阶段温度较低。

图6 气瓶整个固化过程中内外表面温度变化

为了进一步表征复合材料气瓶在固化过程中的内外表面的温度变化，在复合材料气瓶的筒身段内外表面选取两个点，进行固化过程中的温度监控，如图 24所示。开始阶段随着温度升高，由于外表面为加热源，复合材料层导热较慢，所以外表面温度会高于内表面温度；但是随着温度升高至90度，复合材料层内部开始发生化学反应，本身为放热过程，放出的热量也难于短期内扩散出去，会导致内部温度升高，出现如图所示的内表面温度高于外表面温度的情况；最终化学反应趋于平衡，内外表面温度达到一致的150度。所以从图上分析可知，复合材料由于存在化学放热反应，在内部温度场存在较为复杂的情况。

图7 复合材料气瓶固化过程中温度场-固化度场

复合材料气瓶固化过程中的温度-固化度场如图7所示，随着温度的升高，复合材料层固化度逐渐升高，当温度升高至120度，复合材料层的固化度接近99.9%，接近完全固化，说明本课题采用的模型可以模拟升温过程中的树脂固化情况。并且从图8上可以看出，同一温度条件下，复合材料外层固化度高于内层，呈现从外层-至内层逐渐固化的趋势。

图8 复合材料气瓶固化过程中内层-外层固化度对比

综上所述，采用abaqus子程序引入复合材料气瓶固化过程中的树脂反应，实现气瓶固化过程中的温度场与固化度场的模拟与分析。

注意1：需要在Load 中设置整个气瓶的初始温度为20度（根据实际情况确定）

注意2：除了以上材料参数外，针对复合材料需要在��料参数中添加以下内容：

Heat Generation
User Defined Field
depvar 可以设置变量为2以上（用于固化度显示变量）

注意3：Film子程序，需要在interaction中设置

注意4：DISP子程序，需要在Load中设置

五、公开课-车载储氢碳纤维复合材料气瓶快速设计仿真

随着国家能源战略的发展，燃料电池汽车成为行业的热点，韩国现代、日本丰田以及宝马等陆续推出了新一代的燃料车，其中用于储氢的高压70MPa储氢气瓶成为关键部件，如下图1所示，用于高压储氢气瓶一般由内衬、碳纤维复合材料层以及玻璃纤维层组成，其中内衬主要起密封作用��而碳纤维复合材料层为主要承受载荷作用，玻璃纤维层主要起保护外界冲击作用。碳纤维复合材料层占了气瓶绝大部分重量，其设计仿真为目前高压储氢气瓶研究的主要内容。

图9 车载高压复合材料气瓶

高压70MPa储氢气瓶碳纤维层采用复合材料缠绕成型，涉及的缠绕层数高达100多层，并且不同缠绕层角度变化较大，在气瓶的概念设计阶段，需要根据不同的内衬结构进行形状以及拓扑优化，存在仿真模拟-有限元分析计算工作量大的突出矛盾。特别是由于气瓶的封头筒身结构以及缠绕成型的测地线规律，导致气瓶封头复合材料层为变厚度以及变角度，加大了建模的难度，如图2所示。

图2 高压复合材料气瓶缠绕成型以及仿真建模

为了解决高压复合材料气瓶快速建模以及精确分析的难题，美国著名的Composicad以及比利时Cadwind软件都开发了缠绕仿真-有限元分析的一体化平台，实现了车载高压复合材料气瓶在概念设计阶段的快速缠绕仿真以及分析验证，如图3所示。

图3 Composicad 快速缠绕仿真-有限元分析一体化平台

2020仿真知识周第7期直播，仿真秀平台基于储氢燃料车高压储氢气瓶的行业热点，引入“车载储氢碳纤维复合材料气瓶快速设计仿真”直播课程，邀请高级攻城狮博士给大家介绍车载复合材料气瓶快速缠绕仿真-有限元分析一体化平台，以下是直播内容，欢迎报名参加，直播结束后，点击下图可以在仿真秀官网和APP永久反复回看和下载资料。