美国宇航局格伦研究中心：H2飞机技术发展的愿景

Cevotec、Roth Composite Machinery和CIKONI三家公司合作发布的白 皮书，介绍了一种利用纤维贴片放置（FPP）技术生产H₂储氢罐的创新方法。以下是主要内容总结：1. 项目背景 市场需求欧盟为应对气候变化，制定了一系列战略目标。其中，欧盟绿色协议明确了在2030年前将温室气体排放量相较于1990年降低55%，并在2050年达成气候中和的愿景。在此背景下，欧盟氢能战略凸显了氢能在减少二氧化碳排放方面的关键作用，这推动了氢燃料电池汽车市场的迅猛发展，预计2022 - 2030年氢运输市场的年复合增长率将高达95%。 - 在重型和长途运输等难以实现纯电动化的领域，氢能成为了重要的能源解决方案。由于其特殊的物理性质，氢可以通过多种方式储存，而对于移动应用而言，通常以压缩气体的形式储存在复合罐中，且压力可高达700 bar，这种Type 4罐借助先进的复合材料，具备出色的储存能力。- 技术挑战- 传统的纤维缠绕技术是制造Type 4复合压力容器的主流方法，但它存在一些固有缺陷。在纤维缠绕过程中，大量的螺旋层使得纤维材料在圆柱部分的利用效率欠佳，导致机械强度未得到充分发挥，进而增加了不必要的重量和成本。此外，随着氢能市场的快速增长，对储氢罐的性能和效率提出了更高的要求，传统技术已难以满足这些需求。 2. 研究目标 - 优化设计- 运用数值方法对复合罐的层压板设计进行优化，重点关注罐的穹顶部分。通过在穹顶区域应用局部增强材料，旨在减少碳纤维的使用量，同时确保或提升容器的机械性能。- 调整纤维缠绕的螺旋取向，合理利用穹顶增强材料替代部分纤维缠绕层，从而降低整体复合材料的需求，实现资源的高效利用。- 验证制造- 将纤维贴片放置（FPP）技术与传统的纤维缠绕技术相结合，开发一种高效且可重复的生产工艺，用于制造具有创新设计的储氢罐。- 在实际的工业环境中验证这种组合技术的可行性和可制造性，确保能够稳定、高效地生产出符合质量和性能要求的储氢罐产品。 3. 材料与工艺 - 材料选择- 内衬材料：选用适合Type 4压力容器的热塑性内衬，这种材料能够满足容器对氢气的密封和容纳要求，同时具备一定的机械性能和化学稳定性。- 基体材料：对于缠绕和FPP工艺，分别采用了工业级环氧基树脂（用于缠绕）和TCR树脂系统（用于FPP），二者的固化温度均可达到120°C。这些树脂能够为纤维提供良好的粘结环境，确保复合材料在固化后具有足够的强度和稳定性。- 纤维材料：选用Toray T700碳纤维用于缠绕和FPP工艺。这种碳纤维具有高强度、低密度等优良性能，能够满足储氢罐对材料强度和重量的要求。- 纤维缠绕技术- 纤维缠绕是一种成熟的制造技术，其原理是将经过树脂浴的预浸渍纤维带或连续股（“粗纱”或“丝束”）按照特定的模式缠绕在旋转的心轴上。在缠绕过程中，通过精确控制缠绕轴和平移滑架轴的相对速度，可以实现不同的缠绕角度，从而形成具有特定性能的层压板结构。树脂基体在其中起到了关键作用，它确保了复合材料在固化后能够充分粘结，形成一个坚固耐用的结构。- 详细介绍了压力容器中常见的纤维取向类型，包括低角度螺旋（LAHL）、高角度螺旋（HAHL）和“环向”（HOOP）模式。LAHL模式的角度通常在8 - 15°之间，HAHL模式的角度在15 - 80°之间，HOOP模式的角度在80 - 89°之间，这些角度都是相对于罐体的纵向轴而言。为了提高生产效率，在制造较大批量的产品时，可以增加纺锤的数量。同时，通过使用机器人系统自动化产品转换过程（如装载和卸载），能够有效缩短生产周期，提高生产效率。此外，采用预浸渍纤维（towpreg fibers）还可以进一步提高生产速度，减少缠绕时间。 - 纤维贴片放置技术- FPP技术的工艺流程较为复杂。首先，将干纤维带（含粘结剂）或预浸带输入系统。接着，由自动切割单元利用超声波刀将纤维带切割成特定长度的贴片。在切割完成后，第一检查相机立即对贴片质量进行检查，如果发现贴片存在诸如起伏、边缘磨损等偏差或缺陷，这些贴片将被筛选出来，不会进入后续流程。合格的贴片会通过皮带被输送到带有专用夹具的放置机器人处。该夹具由柔性材料制成，能够很好地适应工具表面的形状。当机器人通过真空吸盘拾取贴片后，第二相机将对贴片在夹具上的位置进行检查，系统会自动纠正任何可能出现的偏差，以确保贴片能够按照预定计划准确放置。根据胶带材料的不同，夹具内的加热单元（用于干纤维）或外部红外加热站（用于预浸带）会对贴片的粘性进行调整，以达到最佳的放置效果。最后，贴片将被直接放置在固定或可移动支架上的工具上，该工具通常是一个旋转轴，用于接收内衬组件进行贴片操作。 - 本项目中的演示器是在Cevotec的FPP能力中心的SAMBA Pro制造系统上制造的。为了实现该技术的工业化应用，Cevotec正在开发一种专门用于压力容器增强制造的FPP制造系统。SAMBA Pro PV系统是一个专门用于压力容器增强的纤维贴片放置系统，它由2个6轴放置机器人、2个自动进料和切割单元以及一系列相关辅助设备组成。其中，自动进料和切割单元能够提供经过质量检查的纤维贴片给放置机器人进行拾取和后续放置操作。在放置过程中，放置单元会在贴片被放置到夹具上后进行第二次检查，以确保贴片的精确位置，从而实现整个贴片放置过程的全自动化。该系统还配备了一个旋转轴，该轴上设有可调节长度的工具架，能够适应不同尺寸的压力容器。此外，系统中的材料存储区域具有温度控制功能，能够确保材料的性能稳定。同时，系统还配备了一个外部红外加热系统，用于在贴片放置之前对贴片进行预处理，提高贴片的粘性和贴合效果。整个系统的设计经过精心优化，能够确保在容器内衬上实现快速的贴片放置周期，同时保持对不同内衬和容器尺寸的灵活性，并且可以与现有生产线无缝集成。 4. 储氢罐优化设计 - 概念设计- Type 4压力罐概念：所选用的压力容器基于Type 4压力罐的基本设计理念，它包含一个内部的热塑性内衬，用于有效地容纳氢气，以及一个外部的复合壳，用于承受载荷并提供冲击保护。在容器的两端，还安装有两个铝制凸台，这些凸台的作用是方便连接氢气管道。在设计过程中，充分考虑了CIKONI在复合压力容器概念设计方面的丰富行业知识以及相关的国际标准和规范。- 穹顶局部增强：由于纤维缠绕过程本身是连续的，传统的缠绕方式要求每层都要完全包裹在内衬周围，这导致在圆柱部分大量的螺旋层存在，使得纤维材料的利用效率不高。虽然这些螺旋层能够防止穹顶区域的失效，但在圆柱部分它们的机械强度却未得到充分利用，从而造成了不必要的重量和成本增加。通过在穹顶部分引入FPP层，可以有选择性地省略圆柱区域的一些螺旋层，根据容器的最优应力状态来设计层压板。这样一来，不仅能够降低容器的重量和成本，还能够提高材料的利用效率。 - 工程方法：在项目初期，首先基于湿缠绕材料特性创建了一个较为稳健的设计。在这个过程中，利用了CIKONI内部的软件和方法，选择了符合国际压力容器标准的爆破压力安全系数为3.0，并采用了非测地线纤维缠绕路径。这种路径选择有助于更全面地利用材料的性能。在创建了参考设计之后，通过详细的有限元分析，对那些可能被消除或修改的层进行了深入研究。根据分析结果，将穹顶增强层压板的FPP贴片准确地定位在容器表面，以应对由于省略螺旋层而导致的应力变化。由于整个模型较为复杂，在后续的实验迭代过程中，对一些材料特性和分析区域不得不进行假设和校准。 - 应力分析- 对储氢罐进行应力分析是优化设计的关键环节。由于复合材料具有复杂的、与方向相关的机械性能，其在纤维方向和横向方向的失效行为存在差异，因此需要对复合材料和压力容器的特性有深入的了解。在考虑到制造工艺参数（如几何形状和工艺参数）对复合材料性能的影响时，这种复杂性进一步增加。特别是在引入FPP穹顶增强技术后，对设计的分析变得更加复杂。- 在应力分析过程中，通过有限元分析方法，对压力容器在不同工况下的应力分布情况进行了详细研究。重点关注了穹顶区域的应力状态，因为该区域在整个容器结构中是应力较为集中的部位。为了优化设计，确定了需要调整的关键部位，例如需要调整低角度和高角度螺旋层的顺序，以减少穹顶区域的弯曲力矩，从而提高容器的整体性能。- 优化结果- 通过一系列的优化设计措施，最终实现了显著的优化效果。在圆柱部分，层压板的厚度相比优化前减少了22%，然而在模拟预测中，爆破压力却保持不变。从整体来看，容器的质量降低了15%，这对于提高储氢罐的性能和效率具有重要意义。此外，优化后的设计还提高了容器的储氢效率。在相同的外部尺寸条件下，与参考容器相比，储氢效率提高了17%，这意味着在相同的空间内能够储存更多的氢气，提高了储氢罐的使用价值。 5. 测试与验证 - 测试方法- 按照EN12245:2009 + A1:2011标准进行液压爆破测试。测试环境严格控制，在环境条件下进行测试，同时确保圆柱体的外表温度严格保持在低于50°C的范围内。加压速率也有明确规定，不超过10 bar/s，并且测试持续时间至少为40秒。在测试过程中，密切关注并记录最大压力，将其定义为爆破压力，同时对爆破压力、失效类型和时间 - 压力曲线进行详细监测。- 测试过程在一个封闭的室内进行。首先，将圆柱体充满水至最大容量，然后使用泵以受控的速率逐渐对流体进行加压。在测试要求方面，规定最小爆破压力必须超过测试压力的两倍，也就是工作压力的三倍（本项目中工作压力为300 bar，所以最小爆破压力应为900 bar）。此外，要求爆破必须发生在圆柱部分，并且内衬最多分解为三块。- 测试结果- 进行了三次不同迭代的测试（包括对演示器容器的爆破测试），每次迭代都生产三个容器进行测试，以确保测试结果的准确性和可靠性。参考容器v00完全采用纤维缠绕工艺，并已经过测试。后续的迭代容器v01、v02和v03则是在采用FPP进行穹顶增强之后，再进行纤维缠绕。- 在第一次迭代v01中，实现了27%的CFRP材料节省，但爆破压力仅达到所需爆破压力的79%。在第二次迭代v02中，实现了22%的CFRP材料节省，但爆破压力仅达到所需爆破压力的91%。在第三次迭代v03中，通过优化模拟结果以及对层压板在纤维缠绕（FW）和纤维贴片放置（FPP）方面的调整，实现了15%的CFRP材料节省和平均108%的爆破性能提升。同时，储氢效率也达到了6.1%，相比参考容器的5.2%提高了17%。这些测试结果表明，随着迭代次数的增加，容器的性能逐渐优化，最终达到了项目预期的目标。 6. 结论与展望 - 技术优势- FPP技术与纤维缠绕技术的结合为储氢罐制造带来了多方面的优势。首先，通过优化设计和工艺，实现了容器的减重。在穹顶部分应用FPP技术进行局部增强，减少了不必要的螺旋层，从而降低了容器的重量。其次，成本得到了有效降低。由于材料使用量的减少，直接降低了材料成本，同时也减少了生产过程中的能源消耗和设备损耗等间接成本。此外，容器的性能得到了显著提升。在保持或提高爆破压力的同时，提高了储氢效率，使得在相同的空间内能够储存更多的氢气，提高了储氢罐的使用价值。而且，材料节省带来的另一个重要好处是减少了二氧化碳排放。假设每个容器使用的碳纤维重量为75kg（以中型商用车辆使用的容器为例），每年生产10,000个容器，如果采用这种技术能够实现材料节省，那么每年仅这一个产品线就能够节省9吨碳纤维。由于制造1千克碳纤维大约会产生26千克的二氧化碳排放，所以每年能够减少234吨的二氧化碳排放，这对于环境保护具有重要意义。- 应用前景- 这种创新的技术方法不仅适用于新开发的压力容器类型，还可以用于优化现有产品。对于新开发的产品，可以从一开始就采用这种优化设计和工艺，提高产品的性能和竞争力。对于现有产品，可以通过对其进行改造和升级，应用这种技术方法来提高其性能和效率，延长其使用寿命。这为未来高性能、可持续的压力容器制造提供了一种可行的技术路线，有助于应对碳纤维可能短缺的问题，推动复合罐制造业朝着更加高效、可持续的方向发展。 来源：气瓶设计的小工程师