本发明专利技术公开了一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法及系统。本发明专利技术的方法包括：获取储氢瓶复合材料层疲劳特性材料参数；进行储氢瓶复合材料层疲劳失效试验；建立储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型；建立储氢瓶复合材料层损伤数据集；获取储氢瓶塑料内胆渗透特性参数；进行储氢瓶塑料内胆失效试验；建立储氢瓶塑料内胆失效有限元模型；建立储氢瓶塑料内胆失效数据集；运行工况下储氢瓶复合材料层与塑料内胆在线状态监测；在线状态监测得到的实体装备信息与虚拟空间信息进行交互；进行基于数据融合的储氢瓶健康状态识别。本发明专利技术可以准确地监测储氢瓶复合材料层与塑料内胆的健康状态，有助于储氢瓶安全性的进一步提升与规模化应用。与规模化应用。与规模化应用。
【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法及系统
[0001]本专利技术涉及储氢瓶安全性领域，尤其是一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法及系统。
技术介绍
[0002]高压储氢是目前技术成熟度高、应用广泛的储氢方式之一，也是氢能规模化应用的关键。高压IV型储氢瓶是高压储氢系统的核心装备与未来发展趋势，爆炸、泄漏与疲劳失效容易造成重大人身伤亡与财产损失，故其安全性受到学术界与工业界的广泛关注。
[0003]储氢瓶健康状态的识别可以有效地对储氢瓶的爆炸与疲劳失效进行预防，是储氢瓶安全性的重要保障措施。现有的检测方法如声发射法、X射线检测所需装置一般较大，不适于在线实时监测；少量的在线监测方法中，仅针对III型储氢瓶进行在线健康状态监测，缺乏IV型储氢瓶塑料内胆的在线健康状态监测；此外，在健康状态监测主要依赖试验数据，仅能获取缺陷的位置大小等信息，难以定量评价内部缺陷与储氢瓶的爆炸、疲劳失效、内胆渗漏等事故间的关联。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确、快速的基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，以准确获取储氢瓶健康状态，提升储氢瓶的安全性。
[0005]为此，本专利技术通过以下技术方案来实现：一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，其包括步骤：S1：获取储氢瓶复合材料层疲劳特性材料参数；S2：氢热力耦合条件下进行储氢瓶复合材料层疲劳失效试验；S3：根据S1获取的疲劳特性材料参数，建立氢热力耦合条件下的储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，预测储氢瓶复合材料层疲劳失效特性，并与S2中的试验结果进行对比，若疲劳寿命预测精度≥90%，应变预测精度≥85%，则模型有效，进行下一步；S4：基于储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，进行仿真分析，建立储氢瓶复合材料层损伤数据集；S5：获取储氢瓶塑料内胆渗透特性参数；S6：进行氢热力耦合条件下储氢瓶塑料内胆失效试验；S7：根据S5获取的储氢瓶塑料内胆渗透特性参数，建立储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，预测储氢瓶塑料内胆失效行为，并与S6中试验结果进行对比，若应变预测精度≥85%，则模型有效，进行下一步；S8：基于储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，进行仿真分析，建立储氢瓶塑料内胆失效数据集；S9：运行工况下储氢瓶复合材料层与塑料内胆在线状态监测，获取由应变信息、位移信息、压力信息和温度信息构成的实体装备信息；
S10：在线状态监测得到的实体装备信息与虚拟空间信息进行交互；S11：根据S10，进行基于数据融合的储氢瓶健康状态识别。
[0006]进一步地，所述的步骤S1具体为：以与储氢瓶相同铺层方式与加工方法的复合材料层样件为对象，在疲劳试验机上施加循环载荷，测量不同温度和不同循环次数下复合材料的杨氏模量、泊松比和热膨胀特性，并获取不同温度下复合材料的强度特性，用于储氢瓶复合材料层疲劳失效模型的材料属性设置。
[0007]进一步地，所述的步骤S2具体为：以复合材料缠绕塑料内胆的储氢瓶为对象，以氢气为介质，施加不同充放气速率的循环载荷，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶复合材料层疲劳失效试验，以获取不同的储氢瓶疲劳失效特性；同时，在储氢瓶不同铺层上布置大量的光纤应变传感器，测量筒体与封头处的复合材料各铺层应变特性，在储氢瓶内外壁上布置大量温度传感器，获取储氢瓶三维动态热分布特性。
[0008]进一步地，所述的步骤S3中，建立考虑焦耳汤姆逊效应的储氢瓶流体动力学模型，获取储氢瓶三维动态热分布特性；建立考虑热膨胀效应的储氢瓶热应力有限元模型，将三维动态热分布特性作为输入，获取储氢瓶热应力分布特性；建立考虑温度对复合材料特性影响的储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，复合材料的疲劳特性材料参数通过步骤S1获取，考虑三维动态热分布特性对储氢瓶复合材料层材料特性的影响，同时将储氢瓶的热应力分布特性导入储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型中，预测储氢瓶复合材料层的疲劳失效特性。
[0009]进一步地，所述的步骤S4具体为：基于储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，进行不同铺层、不同循环工况和不同材料参数条件下的仿真分析，建立储氢瓶复合材料层损伤数据集，该数据集包括包括储氢瓶复合材料层杨氏模量分布、强度分布、温度分布、氢气加注状态与储氢瓶疲劳状态和残余爆炸压力的关系。
[0010]进一步地，所述的步骤S5具体为：以与储氢瓶相同材料的塑料内胆为样件，在氢渗透试验机上，测量不同温度和不同循环次数下塑料内胆样件的氢渗透特性，用于储氢瓶塑料内胆失效模型的材料属性设置。
[0011]进一步地，所述的步骤S6具体为：以复合材料缠绕塑料内胆的储氢瓶为对象，以氢气为介质，施加不同充放气速率的循环载荷，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶内胆失效试验，获取不同的储氢瓶塑料内胆失效特征，同时在塑料内胆处布置大量应变传感器，获取塑料内胆失效的形状量化特征。
[0012]进一步地，所述的步骤S7中，建立储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，将S3中经由储氢瓶流体动力学模型获取的三维动态热分布特性作为输入，将最内层复合材料铺层的位移分布作为储氢瓶塑料内胆失效有限元模型的边界条件，预测不同温度和不同充放气流量下的储氢瓶塑料内胆失效行为。
[0013]进一步地，所述的步骤S8具体为：
基于储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，进行不同铺层条件、不同循环工况和不同材料氢渗透率下的塑料内胆失效特性仿真分析，建立储氢瓶塑料内胆失效数据集，该数据集包括不同复合材料缠绕储氢瓶塑料内胆渗透率分布、杨氏模量分布、应变状态分布、氢气加注状态与塑料内胆失效状态的关系。
[0014]进一步地，所述的步骤S9具体为：进行储氢瓶运行工况下的复合材料层与塑料内胆在线状态监测，在储氢瓶筒体与封头部分的复合材料各铺层布置大量光纤位移传感器，测量分布式的储氢瓶复合材料层应变特性，在储氢瓶内胆与储氢瓶外壁处布置分布式温度传感器，获取储氢瓶热分布特性，在储氢瓶内胆壁上布置应变片，测量储氢瓶内胆处应变分布，在储氢瓶封头外侧与筒体外侧布置位移传感器，在储氢瓶内胆处布置压力传感器，获取储氢瓶压力特性。
[0015]进一步地，所述的步骤S10具体为：将S9在线状态监测中得到的实体装备信息输入到包含两个有限元模型和两个数据集的储氢瓶状态虚拟空间中，通过储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型与储氢瓶复合材料层损伤数据集，获取储氢瓶复合材料层当前的疲劳状态与剩余爆炸压力；通过储氢瓶塑料内胆失效有限元模型与储氢瓶塑料内胆失效数据集，获取储氢瓶塑料内胆当前的失效状态。
[0016]进一步地，所述的步骤S11具体为：基于多源数据融合的方法，结合S10得到的储氢瓶复合材料层当前的疲劳状态与储氢瓶塑料内胆当前的失效状态，将按照可能发生的失效后果的严重程度进行分级，判断储氢瓶当前塑料内胆与复合材料缠绕层的综合健康状态。
[0017]本专利技术还提供一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测系统，其用于上述的基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法。
[0018]与现有技术相比，本本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，其特征在于，包括步骤：S1：获取储氢瓶复合材料层疲劳特性材料参数；S2：氢热力耦合条件下进行储氢瓶复合材料层疲劳失效试验；S3：根据S1获取的疲劳特性材料参数，建立氢热力耦合条件下的储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，预测储氢瓶复合材料层疲劳失效特性，并与S2中的试验结果进行对比，若疲劳寿命预测精度≥90%，应变预测精度≥85%，则模型有效，进行下一步；S4：基于储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，进行仿真分析，建立储氢瓶复合材料层损伤数据集；S5：获取储氢瓶塑料内胆渗透特性参数；S6：进行氢热力耦合条件下储氢瓶塑料内胆失效试验；S7：根据S5获取的储氢瓶塑料内胆渗透特性参数，建立储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，预测储氢瓶塑料内胆失效行为，并与S6中试验结果进行对比，若应变预测精度≥85%，则模型有效，进行下一步；S8：基于储氢瓶塑料内胆失效有限元模型，进行仿真分析，建立储氢瓶塑料内胆失效数据集；S9：运行工况下储氢瓶复合材料层与塑料内胆在线状态监测，获取由应变信息、位移信息、压力信息和温度信息构成的实体装备信息；S10：在线状态监测得到的实体装备信息与虚拟空间信息进行交互；S11：根据S10，进行基于数据融合的储氢瓶健康状态识别。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：以复合材料缠绕塑料内胆的储氢瓶为对象，以氢气为介质，施加不同充放气速率的循环载荷，进行氢热力耦合条件下的储氢瓶复合材料层疲劳失效试验，以获取不同的储氢瓶疲劳失效特性；同时，在储氢瓶不同铺层上布置大量的光纤应变传感器，测量筒体与封头处的复合材料各铺层应变特性，在储氢瓶内外壁上布置大量温度传感器，获取储氢瓶三维动态热分布特性。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S3中，建立考虑焦耳汤姆逊效应的储氢瓶流体动力学模型，获取储氢瓶三维动态热分布特性；建立考虑热膨胀效应的储氢瓶热应力有限元模型，将三维动态热分布特性作为输入，获取储氢瓶热应力分布特性；建立考虑温度对复合材料特性影响的储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型，复合材料层的疲劳特性材料参数通过步骤S1获取，考虑三维动态热分布特性对储氢瓶复合材料层材料特性的影响，同时将储氢瓶的热应力分布特性导入储氢瓶复合材料层疲劳失效有限元模型中，预测储氢瓶复合材料层的疲劳失效特性。4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的储氢瓶健康状态在线监测方法，其特征在于，所述的步骤S6具体为：以复合材料缠绕塑料内胆的储氢瓶为对象，以氢气为介质，施加不同充放气速...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘敏，张存满，赵波，李文博，章雷其，吴启亮，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：
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