《短程飞行器氢阀的结构开发：增材制造、后处理和疲劳试验的结构实施》
本文来源：Structural Development of Hydrogen Valve for Short-range FlyingVehicles: Structure Implementations for Additive Fabrication, Postprocessing, and Fatigue tests
作者：Thanh Binh Cao*，Slawomir Kedziora，Tan Dung Le
摘要
为应对气候变化，研究人员努力在不同领域寻找脱碳新技术。在交通运输领域，一直在努力（i）制造轻型车辆，（ii）使用可再生能源，（iii）优化行驶路线等，以减少环境影响和交通事故。CityHawk飞行汽车和Piasecki直升机是为城市地区短程飞行服务开发的潜在零排放飞行器的例子。这些飞行器使用机载氢燃料电池作为能源，通过电化学反应发电，并为其航空推进系统提供能量。为确保此类飞行器的安全可靠运行，氢气存储系统和其他部件必须精心研制。本文是我们一个大项目的一部分，重点是开发用于70MPa氢气存储系统的罐上阀的新原型，该系统可用于上述飞行器。在此，我们报告了为增材制造、后处理和内部疲劳试验准备拓扑优化阀体的结构实施过程。我们还强调了工作成果以及关于所开发模型和增材制造部件的讨论。我们的工作有助于增进对未来交通运输绿色产品开发的认识，并为向更可持续社会的转型做出部分贡献。
1. 引言
气候变化主要是由于人类日常活动向大气中大量排放温室气体所致。这种变化造成了许多已知的环境影响，如全球变暖、海平面上升、空气质量下降和频繁的异常天气，对人类生活产生负面影响。为应对这些影响，创新的绿色解决方案已在主要领域提出并应用，以减少温室气体排放。
交通运输是主要排放部门之一，约占温室气体排放总量的30%（Changizian等人，2020）。特别是在城市地区，人口密度上升、私家车快速增加和交通拥堵是导致气候变化和环境恶化的主要碳排放源。因此，正在研究多学科的新方法以使该部门脱碳并限制气候影响。例如，先进运输模式的发展、清洁燃料以及应用于运输车辆制造的低碳制造技术。
垂直起降（VTOL）飞行器已成为城市地区未来交通运输的一种有前途的模式（Rajendran和Srinivas，2020）。这种飞行器为货物和乘客提供省时节能的运输服务，可能直接从一点到另一点。此外，它还能减少交通拥堵和事故。此外，以氢为动力的VTOL（Loz Blain，2022；News - Mobile Applications，2020）还可以实现低噪音和低排放运输，这进一步有助于减轻城市内部的环境和气候影响。
在氢动力运输车辆中，存储系统对于确保车辆安全有效地工作起着至关重要的作用。该系统的关键元件之一是罐上阀。在使用过程中，阀门可以电子调节加压氢气从（i）加油站到存储罐，（ii）存储罐到燃料电池系统，或（iii）存储罐到环境的流量。阀门故障可能导致氢气供应不足以及燃料电池堆阳极侧氢气浓度不当，从而对车辆性能产生负面影响。为保持性能，罐上阀等必须精心研制和制造。
增材制造（AM）是一种创新的制造方法，可用于根据拓扑优化和复杂设计的模型构建3D物理部件。通过AM（和拓扑优化），制造商可以在不影响刚度的情况下生产轻型结构。因此，他们可以在运输车辆的制造过程中节省材料和能源消耗。同时，在使用这些车辆时，他们可以为减少能源和温室气体排放做出贡献（Huang等人，2016）。
为有效使交通运输部门脱碳并限制气候变化影响，必须同时解决预防措施因素。因此，迫切需要进一步开发由轻型部件组成并由可再生能源驱动的可持续车辆。为推动向可持续社会的转变，我们近期的工作重点是开发70MPa氢气存储系统的（更轻且足够刚性的）罐上阀。该阀门可用于城市地区的新型绿色运输模式，如CityHawk飞行汽车（News - Mobile Applications，2020）和Piasecki直升机（Loz Blain，2022）。更详细地说，我们首先通过拓扑优化重新设计了阀体结构，以在保持足够刚度的同时减轻重量（Cao等人，2020b；Cao和Kedziora，2019）。其次，我们设计并在阀体上实施了一个测试通道，通过基于疲劳的方法为指示阀门关键位置的早期故障创造了条件（Cao等人，2020a）。在本文中，我们报告了重新设计过程的最后阶段，在此阶段中，在优化后的阀体中额外构建了结构特征，以便为后续的增材制造、后处理和内部疲劳试验做准备。我们还报告了工作成果以及关于所开发阀门模型和增材制造部件的一些讨论。
2. 结构优化阀门模型的开发
罐上阀体的创新概念（Cao等人，2020b；Cao和Kedziora，1999）是基于两种提出的重新设计方法开发的，结合了自由形状优化、拓扑优化和晶格实现（或优化）。
图1。第一个重新设计的方法用于开发坦克上的阀体（Cao和Kedziora，2019）。阀体结构部分显示。结构(a)、(c)、(e)和(f)是在发明家（Autodesk，n.d.）中建造的。概念(b)和(d)是在OptiStruct（Altair，n.d.）中生成的。(a)原始阀模型；(b)自由形状优化概念；(c)自由形状优化阀模型；(d)拓扑优化概念；(e)拓扑优化阀门模型；(f)晶格实现的阀门模型。
对于第一种方法（图1），首先采用自由形状优化在阀门内部流道之间生成新的交叉特征（图1b），目的是用更平滑的特征取代尖锐特征以减少应力集中。基于所实现的概念构建了新的阀门模型（图1c）。接下来，进行拓扑优化以消除自由形状优化结构设计空间内的不必要材料。通过解释图1d所示概念，随后构建了拓扑优化阀门（图1e）和晶格阀门（图1f）模型。在这种情况下，与原始阀体相比，拓扑优化阀门和晶格阀门模型的重量分别减少了约7%和4%，阀体的外部形状未改变。
图2 第二种重新设计的方法，用于开发罐上阀的本体（Cao等人，2020b）。结构(a)、(c)、(d)和(f)在发明者中创建。概念(b)和(e)是在Inspire（Altair，n.d.）中生成的。(a)拓扑优化新输入；(b)拓扑优化概念；(c)拓扑优化阀门模型；格优化的(d)输入；(e)格优化概念；(f)格优化阀门模型。
第二种方法使用具有自由形状优化阀门的内部特征和（部分）外部特征的输入（图1c）。黄色块（图2a）被添加到模型中，为优化过程提供更多设计空间和灵活性。进行了两个优化阶段，即拓扑优化和晶格优化，以创建相应的优化设计概念（图2b和2e）。通过解释这些概念生成了新的拓扑优化和晶格优化阀门模型（图2e和2f）。在这种情况下，与原始阀门相比，拓扑优化和晶格优化阀门模型的重量分别减少了约7.8%和18.7%，阀体的外部形状发生了改变。因此，如果选择这种阀门结构用于下一阶段的工作，就必须设计和制造新的支撑装置（用于制造），这将产生额外成本。
3. 方法
3.1. 用于疲劳试验的晶格阀门结构修改
选择晶格阀门（图1f）作为工作的输入结构。在这项工作中，我们修改了阀体结构，以便为疲劳试验做准备，并使其与可用的测试设施兼容。具体来说，用于安装传感器的通道和孔被消除。另一个在热压释放装置（TPRD）激活时用作管道出口的孔也被移除。仅保留用于传输高压氢气的通道（图3b）在阀体结构内。得到的结构如图3c所示。该结构的内部特征，例如在疲劳试验期间用于检测阀门最关键区域裂纹扩展的测试通道（Cao等人，2020a），也在图中显示。
图3 为疲劳试验修改阀体结构。(a)阀罐总成（Cao等人，2020a）；(b)在使用期间对阀门的内部通道施加压力（Cao等人，2020b）；(c)针对测试通道的疲劳试验准备的阀门设计（Cao等人，2020a）
3.2. 疲劳试验配置的选择
可以为内部循环压力试验选择两种配置。试验必须能够模拟阀门的实际工作条件，这在图3a中部分突出显示。当压力仅施加在主流动通道的壁上时，设计并选择第一种配置（图3b）。如果循环压力同时施加在（i）主通道的壁和（ii）位于存储罐中的阀门表面上，则选择第二种配置（图3a）。
3.3. 用于混合制造的阀门模型准备
必须对阀体（图3c）进行一些结构修改，以便通过AM和减法加工进行混合制造。这些修改包括（i）用另一种晶格替代现有晶格，（ii）构建粉末释放管，以及（iii）附着超大材料。这些修改是在Cao和Kedziora（1999）研究中强调的基础上进行的。
图4 替代阀门模型的晶格阀部分(LV2：晶格阀版本2）。
对于晶格替代，首先需要从晶格阀门模型（图4）中移除旧的晶格结构。然后创建新的实体体积并填充到移除旧晶格后的空间中，形成一个多体部件。接下来，将多体阀门模型导入Netfabb（Autodesk，未注明日期），在其中用X形晶格替代最近添加的体积。新晶格梁的直径最小设置为1mm，并且调整这些梁之间的连接以避免尖锐交叉。这种替代晶格是在AM过程后不会被移除的永久结构，与临时支撑结构（图5c）不同。构建粉末释放管以确保在增材制造后阀门内没有未熔化的粉末残留。阀门的端口也可以用作管道。其他技术端口，其“直径”在35mm范围内，被添加到阀体上以支持粉末释放过程。超大材料被实施到阀体中，以便为后加工做准备。特别是，在设计的密封和螺纹表面上选择性地添加厚度为1 - 2mm的层。这样做可以在打印后更准确地对这些表面进行后加工，以获得具有严格尺寸公差的高质量表面光洁度。
4. 结果与讨论
这项工作是为了制备结构优化的氢气阀体，用于添加剂的制造、后处理和内部疲劳试验。工作结果首先如图5c所示。
图5 在新的晶格阀模型中实现了x形晶格单元。1区的(a)晶格替代；2区的(b)晶格替换；(c)一个新生成的晶格阀的临时支撑的例子。
在图5c中，可以看到阀体是基于自由形状优化和拓扑优化概念的特征开发的。在阀体设计空间内材料的重新分配，在特定条件下使我们能够生成具有足够刚度的更轻部件。因此，可以提高运输车辆的功率重量比和燃油消耗效率。从图5c还可以看出，阀体结构朝着循环压力试验进行了修改。阀门的主要内部通道保留，而其他不传输高压氢气的端口/孔被填充。除了阀体结构修改外，还提出了两种配置（图6a和b）来测试阀体的疲劳性能。我们选择了图6b所示的测试配置进行进一步研究。除了针对循环压力试验的结构修改以及Cao和Kedziora（1999）研究中报告的那些修改外，我们还修改了晶格阀门的特征，以提高其可印刷性和用于试验的可用性。这些修改包括晶格结构替代和附着超大材料。图1f所示的阀门晶格结构被提议替代。这种晶格具有立方形式，通过参数化建模很容易构建（图1e）。然而，由于这种晶格形式，模型在打印过程中可能需要支撑，并且之后几乎不可能移除。因此，我们用X形晶格替代旧晶格，以便阀门水平或垂直打印时结构能够自支撑。
图6。疲劳试验的两种建议配置。不使用适配器的(a)测试；带有适配器的(b)测试
除了晶格修改外，还需要将超大材料附着到设计阀门模型的相关表面上。这旨在为这些表面提供足够的材料，以便进行后续的减法加工。这样做，我们可以制造出高质量的表面，与打印后的粗糙表面相比，可以避免在试验过程中泄漏（由于AM限制）。工作结果也在图7中显示。
图7。与当前工作相关的实际结果。由316不锈钢粉末印刷的(a)晶格阀（通过选择性激光熔化）；由AlSi10Mg粉末印刷的(b)晶格阀（通过直接金属激光烧结）；(c)制备混合制造阀和其他支撑装置。
5. 结论
气候变化是促使许多研究人员和工程师开发新技术以减轻其对人类生活不利影响的主要驱动力。在城市地区开发小型、轻型氢动力飞行器是提高飞行器功率重量比并保护环境的最有前途的解决方案之一。这项工作是之前工作的延续，之前的工作重点是70MPa氢气存储系统罐上阀的结构创新，该阀门可安装在氢燃料电池车辆上。在这项工作中，我们修改了优化阀体的特征，使结构可打印并可用于内部疲劳试验。工作成果在图7中突出显示。通过完成这项工作，我们还旨在为增进绿色产品开发知识和加速向更可持续社会的转型做出贡献。
