損傷識別在車用儲氫容器模態試驗中的應用＊

孫曉燕， 鄭津洋， Dryver R.Huston， 秦 權， 王海龍

（1.浙江大學建筑工程學院 杭州，310058） （2.浙江大學材料化學學院 杭州，310027）（3.佛蒙特大學工程學院 佛蒙特州，美國 VT05405） （4.清華大學土木水利學院 北京，100084）

引 言

隨著石油等不可再生能源日益緊張，作為清潔可再生能源的氫燃料在能源領域中越來越得到重視，其生產、儲運、使用都成為現階段的重要研究方向。其中，氫氣儲存技術是整個系統中最基本、最重要的技術之一［1］，高壓儲氫目前被普遍認為是極具發展前景的儲氫技術。氫能汽車技術的開發實施使其有望代替燃油汽車成為未來交通工具，移動式的高壓氫氣儲存氣瓶在汽車行駛過程中的安全運營也得到越來越多的關注。現階段關于纖維纏繞壓力儲氫容器的結構分析已經較為系統［2-5］，相應的生產、設計和安全評定準則已形成行業技術規范［6-7］，其儲運和使用過程中的安全和風險也被研究和關注［8-9］。但是，對于纖維纏繞壓力儲氫容器的模態分析和損傷識別研究還處在探討階段。以往傳統的安全評估方法建立在定期檢測的基礎上，不能滿足現有的工作環境改變和使用要求的提高帶來的安全行駛需要，這就給纖維纏繞壓力儲氫容器提出了在線監測、實時識別損傷和失效預警的技術要求。

Nathanael等［10］針對碳纖維絲纏繞的罐體結構開展了沖擊荷載作用下的模態試驗，基于空間傳感器測試得到的三向正交加速度響應確定頻響函數，并在此基礎上研究了通過非線性波調制譜進行裂紋損傷識別的可行性。研究認為即使考慮工作環境的噪聲干擾，高靈敏的多向量測傳感器也可以使得纖維纏繞罐體的裂紋識別成為可能。Sun等［11］針對高壓儲氫容器基于動態參數的損傷識別和泄漏預警技術進行了理論研究，針對環向裂紋和徑向裂紋兩種疲勞裂紋和不同的裂紋貫穿深度，考慮了汽車行駛過程中的噪聲和路面不平度引起的振動干擾，以有限元仿真分析為基礎，探討了采用基于頻率和振型的損傷識別指標進行損傷識別的可行性。研究表明，頻率對儲氫容器的局部損傷并不敏感，導致基于頻率的識別指紋在損傷前后變化完全被環境噪聲和路面不平度振動所湮沒，而基于振型的損傷識別指標可以實現裂紋損傷的識別和定位。

筆者基于0.074m3車用纖維纏繞儲氫容器開展了模態試驗，針對反復充裝引起的容器桶身疲勞裂紋損傷狀態，探討了基于模態參數進行損傷識別的可行性。該研究對車用氫氣儲存氣瓶的在線損傷識別研究奠定了基礎，對建立實時監測及氫氣泄漏預警系統具有借鑒參考意義。

1 試驗研究

車用復合纖維纏繞高壓儲氫容器基本結構［6］主要由金屬內襯、纏繞在內襯外的增強復合材料層、包覆在增強復合材料層外表面的保護層、與容器一端封頭極孔連接的閥座等幾部分構成，其結構如圖1所示。

圖1 車用纖維纏繞高壓儲氫容器結構構造Fig.1 The structure detail of automobile hydrogen onboard storage tank

本次試驗研究針對0.074m3的車用纖維纏繞高壓儲氫容器（材料性能見表1，2）開展，其結構構造從內至外依次為鋁合金內襯層 （厚度5mm）、碳纖維層（8.5mm）和玻璃纖維層（3.5mm）。其運行使用中的約束狀態如圖2所示。該車用纖維纏繞高壓儲氫容器工作壓力為40MPa，質量為38kg，容器桶身直徑為400mm，桶身長度為400mm。

模態試驗的開展針對車用纖維纏繞高壓儲氫容器的完好狀態、輕微損傷和疲勞開裂3種狀態進行。為減免在模擬氫氣反復充裝的疲勞試驗過程中發生爆炸的風險，本次試驗的充壓載體為水，疲勞試驗在專用的防爆試驗室進行，如圖2所示。第1輪疲勞加載幅值為2MPa～35MPa，循環次數為15 000次，觀察儲氫容器的外觀及變形，施加第2輪疲勞荷載，加載幅值為2MPa～44MPa，循環次數為10 500次。此時按照設計計算分析儲氫容器存在輕微疲勞裂紋，但結構仍可完好承受工作壓力，表明裂紋沒有貫穿，該狀態為模態試驗中的輕微損傷狀態。然后將結構反復疲勞加載直至裂紋貫穿，結構破裂，此狀態為疲勞開裂狀態。為了模擬高壓儲氫容器在汽車運行狀態的實際約束情況，如圖3所示，將容器采用兩根與地剛結的環形支架固定。在調試試驗階段，根據振動信號與模態參數分析，將支架剛度調整并加高，以實現全罐體布置測點，并增加懸掛約束的試驗工況進行對比研究，如圖4所示。

表1 鋁合金內襯與碳纖維材料參數Tab.1 Material parameters of aluminum alloy liner and carbon fiber

表2 碳纖維／環氧樹脂復合材料性能Tab.2 Properties of composite material carbon fiber／expoxyresin

圖2 疲勞加載中的儲氫容器Fig.2 Hydrogen on－board storage tank under working condition

圖3 車用纖維纏繞儲氫容器工作示意Fig.3 Hydrogen on－board storage tank under fatigue loading

圖4 模態試驗的約束示意Fig.4 Constrain for model test

1.1 測試方法

錘擊法具有數據采集快、分布頻域較寬、所需儀器少、操作簡單等特點，比較適合于纖維纏繞儲氫罐體模型這樣的復雜空間結構的模態分析，因此在試驗中采用力錘激振、加速度傳感器采集響應的方法。當用力錘激振模型時，與力錘相連的力傳感器將力信號通過電荷放大器放大后傳輸到動態信號分析系統，而響應點處的加速度響應則通過壓電陶瓷傳感器來測量，同樣通過電荷放大器傳回動態信號分析系統。經過FFT分析，得到傳遞函數，然后用模態分析軟件對傳遞函數進行分析，識別出結構的模態參數。

本次試驗采用多點激振一點測試的方法，以加速度響應測點作為參考點，激振點為移動測點，即移動力錘進行激振。為了提高測試精度，減少噪聲影響，在敲擊點上多次敲擊，經過多段平均得到總體平均的頻率響應函數。此外，在進行信號譜分析時，對于力信號采用加力窗函數處理，響應信號采用指數窗函數處理。由于單向激振法可能遺漏某階由兩個或兩個以上方向合成的振型，因而在本項目模型試驗中對試驗方法進行了改進，采用單點單向激振，然后集總平均求得模型的空間振動模態，避免了模態漏測并確保試驗數據的完整可靠。

1.2 模態試驗原理

設基座模型結構在外力作用下時域內的運動方程為

其中：M，C，K分別為結構的質量、阻尼、剛度矩陣；x為位移列陣；f為外力列陣。

將式（1）兩邊進行Laplace變換，考慮所有的振動模態并利用振動模態的正交性，可得到位移響應與外力在頻域內的關系式為

其中：Φr為第r階固有頻率下的振動模態；ω為激振力頻率；j為復數記號；Mr，Cr，Kr為第r階固有頻率下的模態質量、阻尼、剛度。

式（2）表明，基座模型上各部分的振動情況X為各階振動模態的Mr，Cr，Kr，ω及Φr的組合，即模態疊加原理。

將（2）式表示為矩陣形式，即

其中：Hij是指在j點激振與i點響應之間的位移－力的傳遞函數，可以表示為

由式（4）出發并拓寬Hij，可將傳遞函數矩陣的第j列的列陣表示為

由式（5）可知，只要測量傳遞函數矩陣中的第j列，就可識別出系統的各階模態參數。同理可推，只要測量傳遞函數矩陣中的第i行，也可識別出系統的各階模態參數，并不需要測出傳遞函數矩陣中的每一個元素。所以，對測試模型可以采用“固定激勵點移動測量點法”或“固定測量點移動激勵點法”來實現模態分析。在本基座的模型試驗過程中，考慮到加速度傳感器安裝利用膠水粘結，移動不便，而敲擊點力錘移動則比較方便，所以采用“固定測量點移動激勵點法”來實現模態分析。

1.3 傳遞函數的測量

結構試驗的模態分析首先要測量傳遞函數，然后用模態分析軟件對傳遞函數進行分析，識別出結構的模態參數。傳遞函數（頻率響應函數）是線性動力系統的固有特性，與激振函數的類型無關。整個試驗過程中，在儀器選擇和試驗技巧上遵循國家標準《機械導納的試驗確定》——基本定義與傳感器（GB11349.1－2006）和沖擊激振法（GB11349.3－2006）。

1.4 模態參數分析

模態參數識別就是用數值方法得到與實測的傳遞函數曲線相吻合的擬合曲線，從而得到模態參數。這個數值逼近過程通常用最小二乘法來計算，以確定一條最優的擬合曲線。分析儀器采用南京安正軟件工程有限責任公司開發的振動及動態信號采集分析系統CRAS V6.2，模態分析軟件采用 MaCras。CRAS振動及動態信號采集分析儀為16通道FFT分析儀，在精確性和通用性方面具有很高的標準。

1.5 試驗系統和儀器設備

高壓儲氫容器罐身布置了270個測點，如圖5所示，其中1～30節點和240～270節點為約束節點。本次模態試驗采用型號為KD1002的壓電加速度傳感器，其質量為16g，電荷靈敏度為2.265pC／ms－2，諧振頻率為40kHz，使用頻率為1kHz～18kHz，最大可測值為2×104ms－2。采用型號為 CL－YD－302的力錘錘擊激勵，其參考靈敏度為3.82pC／N。上述試驗儀器在測試前已進行了檢查和校正，以保證試驗結果的正確性。

圖5 高壓儲氫容器的罐身測點示意Fig.5 Measuring points on body of high－pressure hydrogen storage tank

2 試驗結果分析

經過嘗試性試驗，發現懸掛約束由于激勵后達到穩態時間與再次激勵時間交迭而導致交互干擾，致使動態響應的測試精度降低，剛架支撐與懸掛約束的頻響函數如圖6所示。此外，高壓儲氫容器作為汽車燃料在行駛中固定在汽車后備箱處，采用的約束形式與試驗中的支架約束相近，因此基于模態參數的損傷識別研究針對雙支架約束狀態開展進行。

圖6 剛架支撐與懸掛約束的頻響函數對比Fig.6 Comparison of frequency response functions of tanks with rigid support asuspension constraints

2.1 完好狀態、輕微損傷狀態和疲勞破裂狀態的頻響函數對比

圖7 完好、輕微損傷、疲勞破裂狀態下儲氫容器的頻響函數對比Fig.7 Comparison of frequency response functions of intact，slightly damaged and fatigue cracked tanks

通過直接對比完好狀態、輕微損傷狀態和疲勞破裂狀態的頻響函數，如圖7所示，可以發現局部的疲勞裂紋對損傷前后的頻響函數有一定影響但并不敏感，對于局部的微細裂紋損傷則無法判定損傷是否發生并確定損傷位置。

2.2 完好狀態、輕微損傷狀態和疲勞破裂狀態的測試振型對比

由于結構損傷影響其剛度，從而導致振動參數有所變化，因此可以通過直接對比結構在損傷狀態的測試振型與完好狀態的各階振型［12］，以振型差異大的節點作為潛在損傷位置［13］。為避免氫氣爆炸風險，本次儲氫容器高壓反復充壓疲勞試驗以水為加載體，試驗至疲勞斷裂，記錄表面滲水點，如圖8所示。

圖8 高壓疲勞測試斷裂滲水點Fig.8 Seepage point during high－pressure fatigue testing

對比損傷前后測試信息，可以發現振型差異較大的節點為67，103，107，210，判斷它們為微裂紋可能發生位置，但也有一些差異節點不能排除是噪聲干擾和測試誤差產生的，如圖9所示。

圖9 儲氫容器輕微損傷前后前三階振型差比較Fig.9 The first，second and third order vibration mode differences of intact and slightly damaged tanks

對于疲勞破裂狀態，損傷節點振型變化突出，可以識別損傷位置為67，103和231，如圖10所示。試驗測試得到的高壓儲氫罐體的疲勞測試斷裂損傷點在104附近。振型直接比較方法是基于某單一振型信息，誤差比較大。采用該方法直接比較識別損傷還缺乏客觀的判斷依據，對于其他存在振型差異的節點難以判斷是否存在損傷。由于缺乏對多層高壓儲氫器罐體微損傷的測試信息，仍然難以明確其損傷部位。

圖10 儲氫容器疲勞破裂前后前三階振型差比較Fig.10 The first，second and third order vibration mode differences of intact and fatigue cracked tanks

3 結束語

筆者針對0.074m3車用纖維纏繞儲氫容器開展了模態試驗，由于車用儲氫容器在使用過程中反復充裝，疲勞裂紋成為其常見失效模式。基于不同損傷狀態前后頻響函數、振型進行損傷識別和定位的研究，結果表明，對于疲勞裂紋這類局部損傷，基于振型的識別方法可以實現損傷判定并預測損傷位置。盡管直接對比損傷前后的各階振型差可以識別損傷，但是由于該方法缺乏客觀判據，并且受測試誤差和環境噪聲干擾，容易產生誤判。現階段多向傳感器和高精度測試技術已經成熟，車用纖維纏繞儲氫容器的在線監測、實時識別損傷和氫氣泄露預警的硬件基礎已經具備，更多的研究和分析應投入到對于纖維復合結構的局部損傷更為敏感的損傷識別指標中去。

［1］ Andrew H W，Salvador M A，Francisco E L，et al.Delivery of cold hydrogen in glass fiber composite［J］.International Journal of hydrogen.2009，34：9773－9780.

［2］ Zu Lei，Zhang Dinghua，Xu Yingqiang，et al.Integral design and simulation of composite toroidal hydrogen storage tanks［J］.International Journal of Hydrogen，2012，37：1027－1036.

［3］ Liu Pengfei，Xu Ping，Zheng Jinyang.Artificial immune system for optimal design of composite hydrogen storage vessel［J］.Computational Materials Science，2009，47：261－267.

［4］ 魏喜龍，孫銀寶，陳日東，等.纖維纏繞壓力容器幾何非線性分析［J］.纖維復合材料，2007（1）：24－27.

Wei Xilong，Sun Yinbao，Chen Yuedong，et al.Geometrical nonlinear analysis of filament－winding vessel［J］.Fiber Composites，2007（1）：24－27.（in Chinese）

［5］ Xu Ping，Zheng Jinyang，Liu Pengfei.Finite element analysis of burst pressure of composite hydrogen storage vessels［J］.Materials and Design，2009，30：2295－2301.

［6］ 中國國家標準化管理委員會.GB／T 6058—2005纖維纏繞壓力容器制備和內壓試驗方法［S］.2005.

［7］ 中國國家標準化管理委員會.GB／T19624—2004在用含缺陷壓力容器安全評定［S］.2004.

［8］ Camara S，Bunsell A R，Thionnet A，et al.Determination of lifetime probabilities of carbon fiber composite plates and pressure vessels for hydrogen storage［J］.International Journal of Hydrogen 2011，36：6031－6038.

［9］ 鄭津洋，開方明，劉仲強，等.高壓氫氣儲運設備及其風險評價［J］.太陽能學報，2006，27（11）：1168－1174.

Zheng Jinyang，Kai Fangming，Liu Zhongqiang，et al.Risk assessment and control of high pressure hydrogen equipment［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27（11）：1168－1174.（in Chinese）

［10］Nathanael C Y，Douglas E A，Matt T.Muiti－dimensional sensing for impact load and damage evaluation in a carbon filament wound canister［J］.Material Evaluation，2008（7）：756－762.

［11］Sun Xiaoyan，Dryver R H，Qin Quan，et al.Damage detection and leakage alert of fiber composite wrapped tank for high pressure hydrogen storage［C］∥SPIE Smart Structures／Non－destructive Testing.San Diego：Published by SPIE，2008.

［12］劉洋，段忠東，周道成.基于模態綜合技術的結構有限元模型修正［J］.振動、測試與診斷，2009，29（3）：287－291.

Liu Yang，Duan Zhongdong，Zhou Daocheng.Finite element model updating of complex structure using component mode synthesis technique［J］.Journal of Vibration，Measurement ＆ Diagnosis，2009，29（3）：287－291.（in Chinese）

［13］黃維平，王曉燕.基于改進CHC遺傳算法的結構損傷診斷研究［J］.振動、測試與診斷，2007，27（3）：232－235.

Huang Weiping，Wang Xiaoyan.Structural damage diagnosis based on improved CHC algorithm［J］.Journal of Vibration，Measurement ＆ Diagnosis，2007，27（3）：232－235.（in Chinese）