Page 63 - 《真空与低温》2026年第1期

60 真空与低温 第 32 卷 第 1 期

在 DOE 实验设计后，通过优化模块进行求 表 10 液氢储罐轻量化改进前后对比
解， 设 置 内 容 器 内 半 径 125 mm< P 1<126.5 mm， 路 Tab. 10 Comparison of liquid hydrogen tank before and
径 A、B 应力强度最大值分别不超过 274.30 MPa after weight improvement
与 137.15 MPa，选用 MOGA 多目标遗传算法进行 项目 最大应力/ 路径 A 路径 B 容器 储氢比/
求解。通过拟合的应力曲线随内外容器参数变化 MPa 应力/MPa 应力/MPa 自重/kg %
改进前 66.94 40.89 55.36 11.31 16.28
曲线最终得到 3 组候选设计点，选取最小的 P 1结果
改进后 142.81 96.73 130.39 9.77 18.38
并向上取整得到 P 1=126.2 mm，此时内容器的壁厚
为 0.8 mm，两条路径应力结果分别为 102.88 MPa、
3 结论
130.39 MPa。
本文使用有限元分析，针对某 30 L 无人机液
2.3.3 液氢储罐改进方案验证
氢储罐进行了热力耦合的仿真模拟，并采用响应面
使用改进后的储罐结构进行仿真分析，验证
拟合方法，以容器质量最小为目标函数，对液氢储
仿真结果的可靠性。图 14 为改进后的紧急制动工
罐结构进行改进。主要结论如下：
况下液氢储罐的应力分布与变形分布。可以看到，
（1）对储罐进行稳态热分析。通过 LBL 模型得
改进后的内外容器平均应力分别为 85.60 MPa 和
到储罐绝热结构的表观导热系数为 0.46 W/（m·K），
8.51 MPa，均较改进前出现明显增大，最大应力位
仿真模拟得到液氢储罐的漏热量为 1.26 W，其中支
置发生改变，出现在内容器的封头与支撑过渡区域， 撑结构漏热最多，占比 65.1%；当储罐充装液氮介
其值为 142.81 MPa；最大变形量为 1.442 1 mm，位 质时，仿真模拟得到的漏热量为 1.03 W，与试验测
置不变，仍处于测压管的水平中段位置。统计改进 试结果的 0.98 W 的偏差为 5.10%，证明了仿真模拟
前后的应力结果与质量储氢比如表 10 所列，改进 方法的可靠性。
壁厚的液氢储罐在满足强度要求的前提下，自重 （2）对储罐进行应力分析。静止或匀速状态下，

从 11.31 kg 减小为 9.77 kg，质量储氢比从 16.28% 提 液氢储罐满载时的最大等效应力和最大变形量分
升至 18.38%。 别为 66.94 MPa 和 0.27 mm。对四种典型飞行姿态
进行了强度计算，综合应力与变形结果认为紧急制
C: 静态结构
动工况为危险工况，对其在内容器的开孔区域
类型: 等效（Von-Mises）应力/MPA 等结构不连续位置进行了应力校核，应力结果分别
时间: 1 s 2025/12/2 14:40
142.81 最大 为 40.89 MPa、55.36 MPa，均远小于许用应力值；使
126.94
111.07 用 Tsai-Hill 强度理论对玻璃钢材料进行校核，TH
95.205
79.338 强度校核值远小于 1，表明该支撑结构能保障实际
63.47
47.603 使用过程中的安全。
31.735 MAX
15.868 （3）对储罐进行轻量化改进。在最危险工况下，
−7
1.239 4×10 最小
（a）应力分布 基 于 响 应 面 拟 合 方 法 对 液 氢 储 罐 开 展 轻 量 化
C: 静态结构 改进，得到内外容器的最佳厚度分别为 0.80 mm 和
类型: 总变形/mm
时间: 1 s 2025/12/2 14:43 1.20 mm，此时容器的最大应力出现在内容器的封
1.442 1 最大 头与支撑过渡区域，其值为 142.81 MPa。最大变形
1.281 9
1.121 6 量为 1.44 mm，仍处于测压管的自由端位置。改进
0.961 41
0.801 18
0.640 94 壁厚的液氢储罐在满足强度要求的前提下，自重
0.480 71
0.320 47 MAX 从 11.31 kg 减小为 9.77 kg，质量储氢比从 16.28%
0.160 24
0 最小 提升至 18.38%。该轻量化方法可用于小型无人机
（b）变形分布
液氢供储系统的优化。
图 14 液氢储罐改进后的应力和变形量分布
参考文献：
Fig. 14 Stress and eformation distribution of the improved
liquid hydrogen storage tank [1] 潘磊. 氢燃料电池长航时固定翼无人机能量管理策略研