热点直播：Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶缠绕层结构设计及有限元仿真（9月17日）
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导读：当前，汽车产业已成为我国国民经济发展的重要支柱之一。汽车在给人们带来方便的同时，也产生了能耗、安全和环保等重大问题。汽车是石油第一大用户，随着能源紧缺、环境污染问题的日益突出，世界范围内的汽车生产厂家都在面临着降低排放量和节约能源的压力。氢能以其燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是燃料电池汽车的重要二次能源，氢能源汽车是能源革命的突破口，它的发展和利用必将给汽车行业带来能源结构的重大改变。
一、Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶国内外现状
现有的氢气储存技术中高压储氢是最常用和最直接的储氢方式。因此储氢高压复合材料气瓶作为氢燃料电池汽车的关键部件目前正处于大规模产业化应用的关键时期。储氢高压复合材料气瓶是由碳纤维复合材料组成的新型轻质耐压储氢容器, 其储氢压力可达到70MPa，容积为50~90L。储氢方法简单, 成本低, 储氢质量分数可达3%～6% , 而且复合储氢容器不需要内部热交换装置。其主要结构由内衬、金属接头、碳纤维缠绕层，外保护层以及密封结构组成，如图1所示。储氢高压复合材料气瓶的填充速度较快一般3~5min就可以填充满，并且续航里程可以达到600~750km，可以接近燃油汽车的水平。为了进一步提高储氢的效率，一般新能源汽车上会配备2~4个复合材料气瓶。其加氢站以及汽车结构如图2所示。日本、韩国和欧美等主要汽车公司大都已经完成了燃料电池汽车的基本性能开发，解决了很多关键技术问题，其性能、可靠性、寿命和环境适应性等方面均基本达到了传统汽车的水平。丰田Mirai其续航里程为650公里（日本JC08燃油模式下），单次加满燃料的时间为3分钟，百公里加速时间为10秒。奔驰、宝马以及奥迪等高端车型分别推出氢燃料电池车，奔驰的GLC的氢燃料电池车型于2017年上市销售，该车的最大续航里程预计达到500km级别。宝马也发布了5系GT的氢燃料电池版车型，最大续航里程将达到500km。宝马和丰台在2013年建立了氢能源合作，计划在2020年全面实现量产。近年来，国外70MPa储氢复合材料气瓶已经进入示范使用阶段。国外从事复合材料氢气瓶研发与生产的代表性企业和科研机构有美国Quantum公司、美国通用汽车、美国Impco公司、加拿大Dynetek公司、法国空气化工产品公司、日本汽车研究所和日本丰田公司等。美国、加拿大等国凭借其设备、技术、人才、经验等优势均已成功研制70MPa车载纤维缠绕高压氢气瓶，处于国际领先地位，而且创新性的研制出了塑料内衬第Ⅳ代复合材料气瓶。我国于“十五”期间开始对储氢气瓶的研究，在“十一五”863计划中提出“新能源汽车专用装置与加注站成套设备开发”研究，开展了工作压力为35MPa压缩氢气金属内胆复合材料气瓶结构设���，奠定了国产高压储氢气瓶的研究基础。车载复合材料气瓶储氢压力的大小会直接决定汽车的里程，目前国内主要停留在35MPa第Ⅲ代金属内衬复合材料的研制生产，较国外70MPa第Ⅳ代塑料内衬复合材料气瓶的研制水平差距较大。国内从事复合材料储氢气瓶研发与生产的企业和科研机构有中材（苏州）科技有限公司、沈阳斯林达、北京天海以及北京化工大学和浙江大学等，主要是致力于金属内衬第Ⅲ代金属内衬复合材料气瓶的研制生产。二、Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶相关技术标准
Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶由于在国外发展较早，已经制定了如ISO等相关技术以及安全标准，国内发展速度较慢，但是2020年7月份，第一份四型气瓶的团体标准征求意见稿发布，意味着国内在四型气瓶上将驶入快车道。
三、Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶相关技术路线
四型气瓶的研制重点与难点在于塑料内衬的研制，针对塑料内衬国内外报道可采用HDPE、PA6以及PET等材料，但是氢气的阻隔性、耐老化、耐疲劳以及塑料与其他材料的界面结合问题一直是研究的重点与热点。塑料内衬的成型工艺目前可采用注塑、吹塑以及滚塑，各种成型工艺各有优点，注塑成型工艺较为成熟，但是气瓶需要进行焊接，对于焊接成型质量要求较高；吹塑成型工艺可实现塑料部分筒体与封头一体成型，但是金属接头部分需要后续连接，对于装配技术要求较高；滚塑工艺，可以实现金属接头与塑料筒体一体化成型，无需焊接与装配工艺，技术工艺难度较大，目前处于工艺攻关阶段。滚塑成型工艺过程如下图所示。复合材料层是四型气瓶的主要承载结构，目前国外已经引入先进的干法预浸带缠绕成型工艺方案，进一步的提高成型效率以及成型质量，目前国内主要以湿法缠绕成型工艺为主。四、直播预告
由于四型气瓶引入金属接头，在封头部位存在金属、塑料以及复合材料等多种结构，结构设计难度加大，较传统三型复合材料气瓶的结构设计差别加大，难度加大。2020年9月17日20时，受仿真秀平台邀请，笔者将在仿真秀平台公开直播《Ⅳ型车载储氢复合材料气瓶缠绕层结构设计及有限元仿真》(注意：直播限300名，回看永久免费，直播有互动答疑哦)，用2-3小时间，以实际案例针对四型复合材料气瓶缠绕层的进行铺层设计以及有限元仿真模拟，如图6与所示，与大家交流心得，总结规律，主要课程内如下：
直播课程安排
五、读者福利
2020年7月14日，笔者受仿真秀平台邀请直播《车载储氢碳纤维复合材料气瓶快速设计仿真》，时长100分钟+，识别下方二维码即可永久反复学习。
课程讲解：
车载储氢碳纤维复合材料气瓶( 缠绕仿真技术Cadwind与Composicad软件，
基于ESACOMP复合材料气瓶快速强度校验技术（2D与3D），
基于abaqus复合材料气瓶有限元快速验证分析技术（轴对称模型）
- 基于OptiStruct（Alter）复合材料气瓶（壳单元）
现公开让读者免费学习，更多复合材料气瓶相关内容请关注我的仿真秀的ID-高级攻城狮。
作者： 高级攻城狮 仿真秀优秀讲师
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