车载储氢行业“百花齐放”！探秘复合材料气瓶2D3D模型强度校验
导读：2021仿真知识周（第三届）重磅上线！汽车专题（第六期）仿真大师课《复合材料气瓶2D与3D模型强度校验》将由仿真秀年度优秀讲师高级攻城狮主讲。他拥有12年科研院所复合材料气瓶结构设计以及分析经验；熟悉复合材料缠绕成型工艺、设计以及有限元相关知识；在国内外期刊上共发表复合材料气瓶相关文章15余篇（敬请期待）。随着国际上对于清洁能源的强烈需求，氢能源汽车由于其零排放污染的特性，成为行业追捧的热点。近日，宝马汽车公布了与丰田汽车合作的hydrogen（氢动力）车型，i Hydrogen NEXT, 目前在欧洲公共道路正式开展相关测试，计划于2022开始对外销售。该车的最大续航里程将达到500公里，单次加氢时间在3-4分钟左右，燃料加注时间和续航里程，与传统燃油汽车接近。日前，丰田汽车发布了第二代Mirai车型。相比第一代车型，第二代车型对动力进行了升级，内核参数方面，二代MIRAI，最大的改变在于搭载了3个70MPa IV型瓶，分别为64L，52L和25L，合计质量为5．6kg，质量储氢密度6．0wt％。因此，第二代MIRAI的续航能力提升将近30％，从650公里提升至850公里，并且其车身尺寸也有所增加。据报道，该车型将会从今年年底于日本、北美以及欧洲等地开始销售。高压车载储氢复合材料气瓶作为氢能源的核心部件，逐渐掀起了一轮研究的**。高压储氢复合材料气瓶一般由内衬、碳纤维复合材料层以及玻璃纤维层组成，其中内衬主要起密封作用，其典型结构如图3所示。
图3 车载高压储氢气瓶结构图
目前中集安瑞科、京城股份、亚普股份、科泰克都在布局IV型瓶项目，佛吉亚、Hexagon等国外企业也对中国IV型储氢瓶市场加快开拓。据悉，京城股份拟使用募集资金5200万元，用于Ⅳ型瓶智能化数控生产线建设项目，该项目生产的IV型瓶主要应用于作为氢能汽车与天然气汽车中的储气装置。京城股份下属的天海工业公司于2021年5月17日宣布，推出具有完全自主知识产权的新一代车载储氢气瓶——IV型瓶。该产品与同规格III型瓶相比重量可降低约30%，质量储氢密度更高，为氢燃料电池汽车提供了轻量化车载供氢系统新选择。 
图4 天海工业储氢气气瓶
目前，天海工业建成了一条柔性化IV型瓶生产线，可以根据车型的安装空间灵活设计气瓶长度和直径参数，使气瓶使用性能最优化。生产线设计产能为年产一万支气瓶，后续会随市场需求而进行扩容。此外，天海工业所生产的35兆帕高压铝内胆碳纤维全缠绕复合气瓶（储氢气瓶）已批量应用于氢燃料电池汽车领域。 中集安瑞科去年宣布与IV型储氢瓶领域国际巨头挪威Hexagon在线签署了《战略合作意向书》。双方将优势互补，共同拓展中国氢能储运装备市场。今年3月3日，中集安瑞科宣布与Hexagon成立针对中国及东南亚市场快速增长的高压氢气储运的合营公司，其中IV型储氢瓶的生产设施建设预计最早将于2021年第二季度开始。中集安瑞科将与Hexagon形成协同效应，抢占中国广阔的氢能市场。 亚普股份已宣布布局70MPa IV型储氢瓶，公司紧盯行业方向，结合自身特点，战略性布局并加快氢燃料电池汽车70MPa IV型车载储氢瓶的研制，并已取得阶段性进展。科泰克亦目前也正在布局IV型瓶。 作为国际储氢瓶领先企业，佛吉亚则赢得了上汽集团的合同，将为其一批商用车辆提供氢气罐。这份订单将使佛吉亚能够确认迄今为止的订单总额超过2.5亿欧元，并有望在2021年达到5亿欧元的签约目标。值得关注的是，今年4月30日，佛吉亚(Faurecia)宣布已收购中国领先的储氢瓶制造商之一的沈阳斯林达安科新技术有限公司。据悉，斯林达安科于近期获得了国家市场监督管理总局最新认证的特种设备生产许可证，成为中国第一家具备生产车用IV型储氢瓶资质的本土厂商。目前，多家整车公司和专业制造公司已开展前瞻性布局和技术突破，预期在未来3-5年中，储氢瓶这一细分行业必将迎来蓬勃发展。华泰证券预测，中国将成为全球最大的车载储氢瓶市场，2020-2050年中国储氢瓶市场规模合计有望达到3234亿元。此外，势银咨询研究表明，车载储氢瓶市场规模在2030年预计达到69亿美元，受中国市场庞大的重卡基数推动，十年内中国市场的车载储氢瓶市场份额预期提升至39%，成为全球最大的车载储氢瓶市场。高压储氢复合材料气瓶一般由内衬、碳纤维复合材料层以及玻璃纤维层组成，其中内衬主要起密封作用，而碳纤维复合材料层为主要承受载荷结构，为了保证超高的爆破压强，一般目前储氢复合材料层较厚，其强度设计、成型仿真以及结构强度校验为目前高压储氢气瓶研究的主要难点。为了解决高压复合材料气瓶精确分析的难题，美国著名的Composicad软件开发了缠绕仿真-有限元分析的一体化平台，实现了车载高压复合材料气瓶在概念设计阶段的快速缠绕仿真以及分析验证。图5 Composicad 快速缠绕仿真-有限元分析一体化平台值2021仿真知识周来临之际，笔者再次作为汽车仿真专题的分享嘉宾，基于储氢燃料车高压储氢气瓶的行业热点，带给大家一期“基于ESACOMP软件的复合材料气瓶2D与3D模型强度校验”直播课程，给大家详细介绍车载复合材料气瓶快速缠绕仿真-强度校验一体化平台。
基于Altair esacomp软件的复合材料气瓶2D与3D模型强度校验
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