Page 62 - 《真空与低温》2026年第1期

彭子昂等：无人机机载液氢储罐热力耦合分析与轻量化改进 59

厚度 H 不变，将内容器内半径 P 1 与外容器外半径 足 Tsai-Hill 强度条件，因此在改进设计中不会考虑
P 2 作为设计变量，如图 12 所示。 玻璃钢支撑结构的强度要求。此外，从储罐的稳态
温度分布仿真结果可知，内外容器壁面上的温度梯

0.025
度很小，当边界条件不变，壁厚发生较小变化时，
0.020 整个储罐沿壁厚方向的温度梯度不会发生明显的
强度校核值 0.015 改变，因此轻量化改进不考虑传热分析。由 1.2 节
0.010
0.005 可知，当外容器的厚度为 1.5 mm 时，临界压力为
0.174 MPa，大于使用场景的 0.1 MPa，因此外容器
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 厚度存在优化的空间。令临界压力 p cr=0.1 MPa，计
路径一/mm 算并向上取圆整得到容器厚度为 1.2 mm，进而得
（a）玻璃钢路径一
到外容器外半径 P 2 =166.7 mm。此时的储罐的轻量
0.009
0.008 化问题简化为内容器轻量化问题，状态变量分别选
0.007 择 2.2 节中设置的路径上的应力分类数值与使其
强度校核值 0.005 满足强度校核条件的约束；目标函数选择罐体质量
0.006
0.004
0.003
0.002 最小，由此得到液氢储罐轻量化的数学模型为：
0.001 
0 FindP = P 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12  T




路径二/mm P 1 = [x 1 , x 2 ,··· , x n ]



（b）玻璃钢路径二 

s.t.σ SA < S Ⅳ （13）






图 11 玻璃钢强度校核结果 s.t.σ SB < S Ⅱ





Fig. 11 Stress results of epoxy fiberglass path  Min f(x) = m

2.3.2 分析与求解
H 在 DOE 实验设计中，选用最佳空间填充方案
设置参数，然后切换到自定义试验设计方案，剔除
P 2
坏点后得到生成的 12 组更新实验设计点，计算得
P 1
到这些设计点的应力值。选择多元二次方程的型
式对这些数据进行拟合，以输入的液氢储罐参数为
目标驱动优化，寻找最佳设计点。拟合后的线性化
图 12 设计变量示意图
路径应力值随内容器内半径变化曲线如图 13 所示，
Fig. 12 Diagram of the variable parameters
内容器作为内压容器，开孔以及封头与直筒段过渡
支撑结构所受重力载荷减小，其应力也必然满 区域的应力都随着壁厚的减小而增大。

100 140
90 120
80 100
路径应力/MPa 60 路径应力/MPa 80
70
50
60
40
30
20 40
10 20
0 0
125.0 125.4 125.8 126.1 126.5 125.0 125.4 125.8 126.1 126.5
内容器内半径/mm 内容器内半径/mm
（a）应力路径A的应力值 （b）应力路径B的应力值
图 13 应力路径 A、B 的应力值随内容器内半径的变化
Fig. 13 Stress results distributions for different paths by inner and outer
radius of tank