基于Cadfil软件储氢高压复合材料气瓶纤维缠绕技术（5月9日）

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导读：有没有CAE软件同时具备缠绕线型仿真、动态仿真、过渡缠绕、多层环向缠绕和有限元代码的输出功能？这是前不久某粉丝在仿真秀App公众号的后台留言。无巧不成书！仿真秀平台气瓶缠绕领域仿真专家—高级攻城狮，给了我们肯定回答，并且决定在5月9日19时30分给大家带来《基于Cadfil软件储氢高压复合材料气瓶纤维缠绕技术》公开课，详情见后文：

一、Ⅳ型高压储氢气瓶概述

自2015年联合国巴黎气候变化大会通过《巴黎协定》，约定改造化石燃料驱动的经济后，以氢能源为核心的能源转换成为各国政府、产业及各界人士迫在眉睫的战略性议题。美、欧、日、韩等国家和地区纷纷布局氢能发展，而我国作为世界上最大的制氢国，氢能发展优势显著， 2016年制定了《中国氢能产业基础设施路线图》，明确了氢能产业规划目标；2019年《政府工作报告》提出推动加氢站等基础设施建设，国内氢能发展呈现出前所未有的热情，地方政府加大加氢站补贴，为氢燃料电池车小规模示范应用创造条件。

作为氢燃料电池车的核心部件，储氢气瓶的发展程度将直接决定车的续航能力。高压储气瓶的发展始于20世纪 50年代，最早以金属钢瓶为主，因其笨重后改为铝合金材料，此种气瓶称为全金属气瓶(I型)；到了1970年代开始使用玻璃纤维缠绕钢或铝内衬来进一步减轻质量，此种气瓶称为金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II型)；1980年代美国开始以碳纤维全缠绕增强铝内衬使质量再得以减轻，此种气瓶称为金属内胆纤维全缠绕气瓶(III型)。

1990年代美国开始以高密度聚乙烯作为内衬，外表面缠绕玻璃纤维或碳纤维来制造高压气瓶，其质量最轻，为非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV型)。上述四种气瓶类型如图1所示。其中，I型、II型重容比大，难以满足氢燃料电池汽车的储氢密度要求。III型、IV型瓶因采用了纤维全缠绕结构，具有高性能、高单位质量储氢密度等优点，目前已广泛应用于氢燃料电池汽车。特别是IV型复合材料高压储氢气瓶具有更轻的重量、更好的疲劳性能以及更便宜的价格成为国内外研究的重点。

图1 Ⅰ~Ⅳ型高压储气瓶对比

IV型高压储氢气瓶主要由塑料内衬、金属接头、碳纤维缠绕层、外保护层以及密封结构组成，如图2所示。其中内衬主要起气体密封和作为缠绕芯模的作用，基本不承受载荷，主体材料国外采用的为高密度聚乙烯（HDPE）、尼龙6（PA6）以及最新报道的PET聚酯塑料，一般使用滚塑、吹塑以及注塑成型工艺制备。纤维缠绕层是采用连续碳纤维浸渍树脂，按照铺层设计工艺缠绕在芯模（内衬）上，然后通过固化处理得到，主要为气瓶提供强度，保证气瓶满足设计的承载要求。

图2典型IV型高压储氢气瓶结构示意图

二、Cadfil纤维缠绕软件在储氢气瓶上的应用

Cadfil纤维缠绕软件为英国的Crescent Consultants Ltd 公司（1983年创建）开发的一款专业的纤维仿真缠绕软件，应该是目前历史最悠久的商业复合材料缠绕软件之一。Cadfil 应用包括压力容器，如气瓶和其他封闭端瓶、管道和管路、火箭发动机和其他一般对称形状、超高性能压力球、非圆形杆件和桅杆和许多其他应用，如储罐、驱动轴、管道、T 接头、管弯管、管道减速器、灯杆和其他锥形轴、碰撞锥（能量吸收器）、结构梁元件、圆顶、椭圆形等等，如下图所示。