纤维缠绕技术在复合压力容器中的应用与挑战：综述
摘要：
长丝缠绕（FW）技术是一种新兴的制造方法，具有高度的卓越性和自动化，给气体储存和运输理论带来了革命性的变化。 在过去的几十年中，各种压力容器从金属容器发展到纤维增强容器，主要是为了减轻重量和达到高压额定值；与金属容器相比，4型复合压力容器（CPV）可将燃料气罐的重量减轻 75%。
因此，通过 FW 技术制造的复合管道和 CPV 越来越多。尽管缠绕技术所涉及的各种工艺因素带来了许多设计和制造方面的挑战，但要制造出可靠的产品，仍需慎重考虑。因此，在设计和制造绕丝结构时，必须了解各种工艺参数、它们的综合影响以及相关的挑战。本文回顾了缠绕丝技术的用途、演变、各种工艺参数，以及作为高压气体和低温流体存储新兴竞争者的CPV。此外，还总结了不同的优化技术、数值分析策略和挑战，以及相关的争议和建议。
一、 简介
交通运输业消耗大量石油产品（柴油和汽油）。随着石油储量的不断减少，运输业逐渐将天然气作为一种替代能源。作为汽车燃料的高压天然气储存极大地影响了压力容器技术的发展。压力容器（PV）是储存液体和气体的传统设备。从消耗品到先进的航空航天系统，压力容器在储存不同压力的气体/流体方面具有不可替代的作用。最初，高强度钢容器（1 型气瓶）是为压缩天然气储存应用而制造的。最初，高强度钢容器（1 型气瓶）是为道路上的压缩天然气储存应用而制造的。随着复合材料的发展，这种容器类型受到了限制，因为钢罐很重，而且容易疲劳和腐蚀损坏。越来越多的高压容器采用高强度和轻质的 FW 工艺。CPV 具有更高的单个强度和模量以及容差特性，有助于减轻结构重量。从 2 类压力容器到4 类压力容器，复合材料在 CPV 中的重要性不断提高。与钢制容器相比，CPV 可大大减轻重量，并表现出优异的抗疲劳性和耐腐蚀性。3 型和 4 型压力容器比 1 型压力容器可减轻70-80% 。因此，天然气的燃料消耗，由于重量减轻，车辆的行驶速度明显提高。此外，CPV 还减少了加油次数，从而提高了汽车的行驶距离。由于许多国家都在致力于降低温室气体排放，因此对以天然气为燃料的汽车的需求日益增长。与汽油和柴油相比，天然气供应价格更低，这也加速了这一需求。根据 Lucintel 的报告，从 2015 年到 2020 年，复合 CNG 储罐的需求预计将以 10.2% 的复合年均增长率（CAGR）增长。FW 法已成为未来经济型复合材料制造技术。在这种技术中，纤维丝连续缠绕到芯轴上，是制造高压容器、管道、轴和导管的理想材。FW工艺自动化程度高，可优化纤维的各向异性。此外，复合材料的机械和物理性能得到了广泛改善，因此应用领域十分广泛。目前，科学家们正在研究纤维缠绕结构的多种机械特性，如爆裂、挤压、冲击、疲劳、压缩、多孔性、断裂、摩擦学特性 ，以满足各种应用中的许多工程要求。本综述总结了 FW 技术在储气领域的发展状况，以及该技术的各个方面，包括基本构造、概念和原理、缠绕模式、有限元（FE）技术和优化方法。此外，还讨论了各种压力容器及其在天然气汽车 (NGV) 行业和低温应用中的价值。
二、 纤维缠绕技术
图 1显示了 FW 方法的原理图。
FW 工艺中使用了一个固定的旋转芯轴，而滑块臂则随芯轴水平移动。臂上有一个卷绕放线眼，用于分组和分配称为粗纱的预浸渍纤维；粗纱通常是碳纤维、Kevlar™ 纤维、玻璃纤维或混合纤维。当芯棒转动时，粗纱缠绕在芯棒表面，形成复合卷绕。复合绕组的精确缠绕方向由传送带速率和芯轴旋转速度决定。纤维在缠绕心轴之前浸渍在树脂中，随后与纤维一起凝固。纤维包覆完成后，整个组件（心轴和复合材料包覆层）将被放入烘箱，在所需温度下加热固化。当复合树脂完全固化后，心轴被移除，留下中空的复合材料结构。尽管如此，仍需要对树脂类型、纤维类型、纤维张力、缠绕厚度、缠绕角度和速度等进行优化，以满足产品的最终质量要求。
、22 2.1绕丝机：演变和最新技术
据称，美国人伍德布里奇于 1850 年、俄国人早在 1869 年、德国人在 1900 年就发明了钢丝缠绕枪管等部件，这些部件通常采用环形缠绕，以确保较高的爆破压力。FW概念是在 20 世纪 40 年代提出的。1945 年，巴森斯工业公司在车床上为曼哈顿核项目（二战期间）制造轻质强化塑料箍。1947 年，美国海军军械局设计了一种带有木制芯轴的绕线机。FW首次生产火箭发动机壳体（用于太空应用）的记录奠定了绕线机的开端。基本的双轴机型一直生产到 20 世纪 50 年代。许多公司坚定地接受了这项技术。20 世纪 60 年代初，第一台工业卷绕机问世，它采用笨重的机械设备，通过更换齿轮、皮带和链条来调整卷绕角度或长度，主要用于制造管道。由于机械结构复杂，这些机器会产生误差，并需要进行冗长的设计计算，以根据特定产品尺寸调整不同的链轮尺寸和链条长度，而且仅限于在有限的形状上缠绕。20世纪 60 和 70 年代，缠绕机被商业化用于制造复合管、压力容器和路灯杆 。20世纪 70 年代末设计的第一台计算机控制绕线机不准确，编程困难，需要计算和试错。20 世纪 70 年代中期和 80 年代早期，博世、Fanuc、NUM 和西门子等公司开发出了控制系统。这些控制系统是为金属切削（铣削和车削）而设计的，但也可用于 FW。为了利用现代技术，显然需要更好的编程方法。20 世纪 90 年代初，绕线机开始采用电子控制系统，该系统配有运动控制卡和伺服装置，可精确监控位置和速度。设计中加入了 4 至 6 轴运动 。计算机数控（CNC）技术使精确控制纤维路径变得更加容易。工艺参数的优化带来了高质量的产品。机器人辅助机器于 20 世纪 90 年代推出，采用 7 轴运动控制；但直到 2004 年，才开发出配备完整机器人辅助系统的机器 。图 2(d) 展示了 Cygnet Texkimp™ 公司生产的机器人卷绕机，该卷绕机采用机械臂将纤维馈送到光纤中。
图 2.(a) 双轴卷绕机，（b）4轴模块，（c）6 轴卷绕机，(d) 机器人绕线机
FW 收卷机采用多轴卷绕机构，可配置为提供高纤维张力水平。根据具体的产品要求，目前有多种 FW 机器可供选择。图 2(a) 所示，带有旋转芯轴的双轴运动和横向滑块运动（通常为水平运动）是管道制造的最佳选择。然而，4 轴卷绕机在轻型压力容器（如液化石油气或压缩天然气容器）的需求中开始流行起来 。图 2（b）显示了各种 4 轴运动，如(1) 心轴旋转；(2) 水平滑块运动；(3) 付出眼角度运动；(4) 径向滑块运动。四轴模块有一个径向横向进给轴，垂直于滑块行程。在横向进给轴上，安装了一个旋转式纤维放线头，旋转式放线头可避免纤维带扭曲，并可在卷绕过程中验证宽度的变化。 六轴缠绕设备通常有三个线性轴和三个旋转轴，图 2(c)。多轴设备甚至可以制造非对称部件。绕线软件和数控机床的改进使三通管、弯头和曲面的制造成为可能 。此外，如图 2(e)所示，采用多个放线眼可以提高生产率，而不是增加单个放线眼的自由度 (DOF)。图 3给出了 FW 技术的发展时间表。眼动仪行业看起来像是一个发展中的行业。在经历了数年的停滞增长后，几家提供机器和软件的公司最近表现出强劲的销售势头。这种收入增长大多出现在发展中国家，尤其是印度和中东地区。近年来，中东地区的绕线机销售额每年增长 30%。FW 技术能够使用新型材料，并将复合材料的应用扩展到新的市场。未来几年，预计将有更多的创新和进步。各公司正通过将软件和自动化融入模块，通过简单的用户界面提高控制能力 。
2.2机器制造商
许多 FW 模块制造商都有不同的特点。Entec CompositeMachines 公司（美国犹他州）自称是全球历史最悠久的连续式机器制造商，设计了著名的 FiberGrafiXTM 卷绕模式生成软件，并发明了世界上第一台计算机控制的卷绕设备。设计了著名的 FiberGrafiXTM卷绕模式生成软件，并发明了世界上第一台计算机控制的卷绕机。Entec 提供各种主轴特征、体积和质量。MagnumVenus Plastech (MVP) 公司位于佛罗里达州，提供各种生产储罐和管道的设备。Econo-Winder是用于环形缠绕的基本型号，紧凑型Ultra-Winder 用于螺旋缠绕，而多轴缠绕模块可同时缠绕多达 6 个轴，这些都是 MVP 缠绕机的范例 [64]。Pultrex专注于空域领域，其机器完全由 CNC 控制，可在 2 轴至 6 轴之间进行可控运动。多主轴可提供一系列纤维张力控制和纤维加热选项。相应地，我们可以找到一份领先制造商名单，即McCleanAnderson、Mikrosam、MFtech、Autonational、Dura Wound、W&H Group、CNC Technics、Roth CompositeMachinery、Matrasur Composites、VEM SpA、Xwinder 等。表 1 列出了具有特定功能的 FW 机器制造商名单。一些小型机器的设计和开发见 。我们设计并制造了一套自动小型卷绕系统，其中引入了一系列控制整个卷绕过程的算法。 原型机显示，它能产生卷绕角度从40°到 80°。 该系统可以培训新学生制造长纤维复合材料的能力。开发的双轴运动 FW 系统可用于制造各种纤维增强复合材料管材。该设备可生成各种尺寸规格的试样，以及不同缠绕角度的环形、螺旋形和极性缠绕形式的试样 。为满足客户制造管材和圆柱的需求，我们建造并优化了一台三轴轻型、功能强大、高效、紧凑的 FW 机器 。在制造卷绕机构时使用了车床式机器和湿式卷绕系统，从而可以制造出内径和长度分别达 100 毫米和 1000 毫米的管材试样、的管材试样。根据所使用的心轴直径，缠绕角度从20 ° 到90 °不等 。心轴直径。介绍了用于复合材料部件的低成本系统的构造[72]；该框架为消费者提供了更深入的卷绕特性、工艺灵活性、更短的周期时间以及更一致的图案叠加，从而消除了材料浪费。小规模或低成本机器可满足特定需求，但它们缺乏多功能性、可控性以及影响工艺参数的其他特性。
三、 工艺参数
长丝缠绕产品的质量会受到各种参数的影响，因此这些因素的选择和组合对于减少生产困难和提高结构性能至关重要。除材料工程特性外，纤维方向、纤维张力和缠绕速度也是设计长丝缠绕复合材料时必须控制的参数。在一项统计分析中，复合材料组分一致性参数包括树脂、纤维、生产方法、设计和机器。研究发现，CPV 的强度受堆叠顺序、纤维张力和梯度、缠绕时间以及缠绕时间与张力梯度之间相互作用的影响。此外，纤维带宽和树脂粘度以及固化过程中可行的温度梯度也会对研究结果产生重大影响。因此，需要为这些相互关联的参数预先确定最佳值，并在整个开发过程中予以保留。
3.1心轴
芯轴是纤维缠绕的旋转表面。在复合管道制造中，应使用钢制芯轴（代替铝制芯轴）作为可移动芯轴，因为钢制芯轴具有耐磨性和较低的热膨胀系数。如果使用可拆卸心轴，部件的形状应便于取出水溶性砂心轴、石膏心轴、可折叠心轴和不可拆衬里（如金属分担负荷衬里或非分担负荷塑料衬里）在工业中得到广泛应用 。对于 CPV 来说，需要一个内衬作为 FW 的芯轴，防止储存的液体或气体泄漏。内衬还能增强韧性，防止气体泄漏和压痕。在 2 型和 3 型容器中，内衬可以是金属的，而在 4 型储罐中，内衬可以是塑料的。
3.1.1几何参数
CPV 的设计取决于内衬和复合材料的几何参数，如长度、直径、圆顶形状、长径比 。为了提高结构的效率，CPV 的整体长径比应反映穹顶形状，既不能太平，也不能太尖。在芯轴表面缠绕纤维时，通常使用两种轨迹：大地轨迹和非大地轨迹。通常在 CPV 上沿着这些轨迹或路径缠绕的纤维被称为测地线和非测地线绕组。两个表面上任意点之间的最短路径为大地路径。 大地轨迹稳定且防滑，因为它们不需要任何外力来防止从芯轴表面掉落。不会从芯轴表面掉落。非测地线路径在另一方面，采用交流伺服技术可提高设计灵活性。然而由于非大地轨迹不稳定，因此需要摩擦力来使其保持稳定。使其不会从芯轴表面滑落。因此，摩擦系数成为加工过程中的一个关键因素，因为它决定了加工过程中的摩擦系数。绕线轨迹）。大地卷绕技术得到广泛应用，无论设计是否轴对称或非轴对称。另一方面，非测地线缠绕更多地在以下场合使用复杂设计。线段上的平面内侧向力为零在测地线绕线时，代表粗纱，而在非测地线绕线时则相反 [80-85]。测地绕组不一定是稳定的缠绕。半大地纤维路径要求与大地路径有较小的偏差，偏差取决于以下因素所需的摩擦力，使光纤保持在所需位置。它也被称为稳定的非大地绕组。半大地绕组具有灵活性
3.2 纤维外包和缠绕模式
ktex 规格用于描述商品纤维，它规定了纤维束中的纤维数量，单位为千（X ktex 表示纤维束中有X 千根纤维）[88]。股或丝束是一束长丝，而粗纱是股或丝束的平行束。玻璃纤维通常被称为股，而碳纤维则被称为丝束。丝束尺寸有12K 和24K 两种，24K 丝束中含有24000 根细丝。小丝束是指最多有24K 纤维的丝束。超过24K 的丝束称为重丝束。常见的交货形式包括1K、3K、6K、12K、24K、48K、50K 和60K。它们以连续形式出售，缠绕在数公里长的线轴上[88,89]。图4 显示了市场上销售的连续纤维。湿法缠绕和干法缠绕是两种缠绕方法。在湿法缠绕过程中，纤维浸泡在树脂中，缠绕在旋转的芯轴上。在干法缠绕或预浸渍缠绕中，预浸渍纤维束被缠绕在心轴上。湿法缠绕是这些缠绕方法中最常用的一种，常用于制造长丝缠绕复合材料圆筒。与干法缠绕相比，湿法缠绕有几个优点，包括材料成本低、缠绕时间短、树脂配方易于修改以满足精确的要求[60]。湿法缠绕还能更好地控制纤维体积[90]。根据所需的价格和质量，可使用不同的纤维和树脂。玻璃纤维价格较低，但性能等级最低；碳纤维价格最高，但性能等级最高[46]。此外，碳纤维出色的抗疲劳性能可延长容器的使用寿命。碳纤维加固的3 型和4 型压力容器可使用长达30 年才需要更换，是1 型和2 型容器的两倍[91]。最近对700 巴的4 型容器进行的改进取得了可喜的成果，包括提高了耐循环性、爆破压力、氢气密封性以及重力和容积存储能力[92]。缠绕角度由芯棒表面的纤维路径和芯棒的旋转轴形成。及其旋转轴形成
图4 玻璃纤维无捻粗纱(a)玻璃纤维无捻粗纱（资料来源：中国北玻集团）：(b) 碳纤维丝束（资料来源：东丽公司来源：东丽） (c) Twaron™ 芳纶纤维（来源：帝人(d)24K 碳纤维丝束详情。
图 5. 灯丝缠绕配置类型
图 6.机械性能随卷绕角度的变化 [101].
图 7.(a) 层压结构--带有 18 条带的 2/1 型 (b交错层的形成机理。
图5 显示了缠绕结构。缠绕角用α 或θ表示，在环形缠绕中，缠绕角为90◦，实际上略小于90◦，以便在电流回路旁边进行纤维缠绕、图5(b).环形绕组可称为以90o 角（通常为85o 至90o）缠绕的高角度螺旋绕组[93]。在螺旋绕组中，α 的值在0 o 至小于90 o 的范围内，或在5o 至85 o 之间[47]。在极性缠绕中，纤维从极点缠绕到极点；角度不是恒定的，取决于芯轴的长度，图5(c)。环形缠绕通常被称为周向缠绕或环向缠绕。环形绕组可提供结构的径向强度，而螺旋绕组可保持环形回路[94]，提供两端的稳定性，并可提供结构的径向强度[94]。图4 玻璃纤维无捻粗纱(a) 玻璃纤维无捻粗纱（资料来源：中国北玻集团）：(b)碳纤维丝束（资料来源：东丽公司来源：东丽） (c) Twaron™ 芳纶纤维（来源：帝人(d)24K 碳纤维丝束详情。参与承受轴向载荷。螺旋缠绕通常用于制造复合管和压力容器。几乎任何直径和长度的组合都可以通过改变缠绕角度和回路来实现图案的闭合。在复合材料达到所需的厚度和强度之前，可以改变每个增强层的缠绕应力、缠绕角度和长丝的树脂质量。生产过程中采用的缠绕模式决定了成品的性能[95]。必须仔细观察纤维的取向，使不同层以相同的方式重叠，即以相反的方向缠绕。角度越大，压缩阻力越大，角度越小，牵引阻力越大。缠绕角直接影响部件的机械性能[96]。文献[97]对纤维取向的影响进行了实验研究，不同的卷绕角度在中等冲击速度下具有不同的能量吸收特性。文献[98]提出了多种缠绕角度，以实现所有层的强度一致。图6展示了缠绕角度对机械特性的影响。纤维束的带宽也会影响水箱重量性能。较高的带宽能以较少的重叠覆盖芯轴表面，从而减轻油箱重量[58,99]。此外，精心选择的带宽还能使衬垫得到连续光滑的覆盖[53]。
3.2.1 纤维缠绕中的镶嵌图案
对于纤维缠绕部件来说，获得图案的几何形状是不可避免的。纤维带在旋转芯轴上的循环定位产生了所谓的镶嵌图案。一个整数定义了图案。它表示零件圆周上有多少个菱形。菱形区域可以分解成不同的区域进行分析。首先，可以注意到两个三角形层叠区域，层叠序列分别为-α/ α 和 α/-α。所谓的 "之字形 "就出现在这些三角形的交叉点上。在该区域可以看到交织的集中体现。上述具体区域如图 7（a）所示。由此可以得出结论，图案数量直接影响交织数量和起伏区域。为了更好地理解交织的产生，图7（b）显示了一个示意图。最后，图 8 显示了复合管上的缠绕图案结构。文献表明，FW 参数在各种配置中都得到了研究。对复合材料环的机械响应进行了评估，以评估缠绕角度、直径-厚度比和堆叠顺序的影响[103]。一项新颖的箍环测试设备被用于发现纤维和爆裂特性[104,105]。另一项研究[95]调查了以不同角度堆叠的复合管道的冲击损伤发展情况。在不同载荷下，对受损和未受损的混合管道进行了疲劳试验。结果发现，内部压力对受损管道有效，压力增加可减轻冲击损伤。此外，在 GFRP在 55 o 和 75o条件下，缠绕角对疲劳的影响为损伤发展的影响进行了研究，结果表明，卷绕角增大可延长疲劳寿命并减少损伤的形成 [106,107]。最常见的失效模式是分层，伴有小的离轴裂纹和纤维/基质脱粘。文献[108]使用遗传算法（GA）为内部加压的丝状缠绕管找出最佳堆叠顺序。在其他研究中，一种新型损伤模型预测了丝状缠绕管在受到径向压缩和外部压力时的响应[109,110]。据报道，实验结果和数值结果之间存在良好的一致性；然而，这些研究都没有考虑图案问题。尽管马赛克模式一般不被考虑，但一些研究者还是处理了这一问题。文献[111]是最早涉及图案问题的著作之一，其中结合了对玻璃/环氧管道试样的压力测试玻璃/环氧树脂管道试样的压力测试。 测试结果为得出的结论是，图案数量越多，表明交织程度越高，会影响损伤的增长。
图 8.复合管上的缠绕模式结构 [102]。
8：复合材料管的缠绕模式结构[102]。文献[112]分析了长丝缠绕多层复合管道。研究人员开发了一种简化的弹性解决方案，用于分析复合管道在内部压力加载下的变形和应力分布。随后，[113] 针对模式问题开展了大量工作。在进行实验的同时还进行了新的评估，包括未考虑丝状缠绕部件菱形区域的经典方法，因为这种方法可能无法 正确反映应力分布。文献[114]研究了外部压力加载情况。实验表明，缠绕模式不会影响复合材料管在内爆压力下的机械响应。文献[115]尝试将圆柱部分和圆顶区域的镶嵌图案纳入数值研究。菱形区域的实施极大地影响了容器长度和圆周上的应力和应变分布。另一项研究[102]考察了在水热调节后轴向压缩（屈曲）条件下长丝缠绕圆柱体的缠绕模式。研究的模式有 1/1、3/1 和 5/1，反映了圆周上 1、3 或 5 个菱形的形成。交织区的数量越多，发生局部屈曲的情况就越少。这也推迟了最终发生屈曲时裂纹的扩展。另一项研究[116,117]引入了一种新方法来计算丝状缠绕管特定区域的刚度。在三步分析法中，ABD 矩阵根据交织情况发出警报。起伏过程发生的区域被分开，并计算出刚度。结果发现，应变分布更不均匀，与实验分析结果一致。最近，文献[118]对纤维束的交叉和起伏进行了更深入的研究。研究人员利用中尺度的三维（3D）重复单元单元（RUC）来研究长丝缠绕圆柱体的力学和热学特性。研究得出结论，与不太先进的模型相比，纤维松弛模型可使计算特性发生 15.7% 的变化。文献[119]提出了马赛克图案的数值方法。在 [112] 中进行的分析与实验之间取得了令人满意的一致。研究结果表明，"之 "字形区域会影响应力分布，并且会影响材料的性能。
3.3纤维张力
张力机制是缠绕操作的重要组成部分，对于高角度缠绕至关重要。纤维张力直接影响纤维体积分数、空隙含量和部件的强度/刚度。换句话说，增加纤维张力有助于提高纤维压实度，从而调节纤维体积分数。预拉伸产生的预紧力确保了压力容量的增加，并减少了油箱的重量和体积[120]。由于纤维与芯轴之间的摩擦力不同，因此该值应保持在特定水平。纤维张力越大，成品的刚性和韧性就越好，而张力越小，成品的柔韧性就越好。长丝缠绕 CPV 设计用于在高性能应用（纤维极限强度的 60% 至 70%）的高应力水平下在复合材料外包装中堆叠纤维。高纤维张力会导致复合材料显著伸长（0.5% 至 2.0%）以及纤维间树脂基体严重裂开。一般来说，树脂开裂对复合材料的应力至关重要，在最终纤维强度的 10% 到 40% 之间，明显低于高性能 CPV 的工作应力 [121]。一项实验研究[122]表明，管状部件的强度取决于纤维的应力水平。在纤维主导的加载条件下，较高的缠绕张力有助于提高抗失效能力。而在基体主导的加载条件下，纤维张力的降低则会延迟失效。作为一种高度定制化的制造方法，FW 工艺是自动化的理想选择，主要用于控制纤维张力和应力。与其他制造方法相比，FW 的加工速度相对较快 [73]。卷绕速度快，生产率就高。卷绕速度是一个影响参数，在浸渍丝束的质量不受影响之前，卷绕速度是有限的 [123]。不过，对于不同的卷绕角度/模式，分配纤维束的小车的线速度和芯轴的转速是可控的 [69,71,124]。缠绕速度会影响纤维张力、纤维体积含量和产品质量 [123]。由于适当的的正确位置取决于各种运动元件的相对运动运动，因此误差会随着速度的增加而增大。例如，在卷绕 CPV 时，纤维可能会打滑。因此，当放线眼到达圆顶区域时，速度会降低。因此，当放线眼到达圆顶区域时，速度会降低。或者，在低速情况下树脂可能会硬化。因此，在满足质量要求的前提下，需要对速度进行合理权衡[99,125]。要求的质量 [99,125]。以下是影响浸渍的主要参数管有限元和实验效率：(a)树脂粘度，(b)纤维束孔隙率，(c)树脂喷射量d) 纤维张力，以及(e) 纤维管内的纤维结构。
3.5材料利用
CPV 的优化设计要求有效利用组成材料，特别是纤维。3 型或 4 型压力容器的成本、重量和强度取决于纤维的使用情况。通常，按重量计算，所用纤维的成本高于基体（树脂）成分。碳纤维的密度约为 1.8 g/cc，而环氧树脂的典型基体树脂密度较低，例如约为1.2 g/cc[130]。在长丝缠绕结构中，各种纤维的混合效果比单一纤维更好。文献[97,131-136]和文献[137]针对轴向载荷和耐撞性研究了各种串联纤维的混合效果。如文献[138,139]所述，各种纤维的堆叠顺序也会影响钻孔性能。文献[138-140]通过实验研究了杂化和堆叠顺序对使用碳纤维和玻璃纤维生产的复合管道的影响。据报道，混合管材中的堆叠顺序会影响冲击响应、环拉强度、防渗漏损伤的形成以及可加工性等特性。此外[8]，研究发现爆破压力不受箍层混合的影响。树脂/基质可将丝状缠绕复合材料结构中的增强纤维粘合在一起，并将负载分散到一起。大多数树脂是聚合物，但无机粘合剂也很有用 [141]。树脂体系应具备两个相关特性才能有效使用：可接受的粘度，以便在固化反应开始前润湿加固材料；足够长的固化寿命，以便在涂抹所有加固层时不会过早出现树脂胶凝现象 [142]。标准树脂系统是环氧树脂和聚酯树脂。环氧树脂用于对物理质量和耐受性要求较高的结构，而低成本的聚酯树脂则适用于大多数应用 [143]。此外，树脂应具有抗蠕变性、抗紫外线降解性，并且不受汽车使用液体的影响。此外，树脂的固化必须低于塑料衬垫的软化点。因此，对于 4 类压力容器来说，正确选择树脂至关重要。广泛的材料选择涵盖了各种高科技特性，可顺利满足高压容器生产中的关键要求 [143]。
四、 压力容器类型
通过 FW 工艺制造的高强度、轻质 PV 通常用于各种应用，包括燃料箱、火箭发动机壳体、便携式氧气储存器等。传统的压力容器是带有端部圆顶的圆柱形桶 [144]。圆柱形结构消除了尖角结构中的应力集中。压力容器的结构和其他特征发生了巨大变化。压力容器的结构和其他特征也发生了很大变化。图 9显示了压力容器的发展时间表。图 10 显示了各种类型的压力容器及其结构细节对比。
4.1类型1
类型 1 是金属圆筒，通常为钢或铝。制造成本约为每升 5 美元。国际上有大量金属加工专业技术和制造 1 类容器所需的工具。这些容器重约 1.4 千克/升，是最重的容器。自 20 世纪 40 年代以来，无缝钢瓶一直是最常用的车用储气罐。20 世纪 70 年代末，意大利高强度轻质钢瓶的问世为该行业的发展迈出了关键一步，自此该产品在全球范围内得到推广。也有焊接钢瓶，但保护性更强。铝制气瓶也用于车载压缩天然气储存，重量更轻。在储氢过程中，1 型钢瓶容易发生氢脆，从而导致疲劳裂纹。在使用过程中，由于疲劳裂纹的演变，可能会发生灾难性故障。虽然铝制储气罐不易发生氢脆，但需要进行精细的表面处理，以避免疲劳裂纹的产生。在加注和使用燃料气体时，由于罐体循环预压和减压，金属罐会出现疲劳故障。1 类压缩天然气容器制造商包括 WhiteMartins、Inflex、和 Faber。此外，Luxfer 还销售少量压缩天然气铝罐。
4.2类型 2
2 型压力容器采用纤维包裹的厚金属内衬。复合纤维缠绕在容器的圆柱直边，而圆顶则不缠绕。钢衬里或铝衬里通常由玻璃纤维、芳纶纤维或碳纤维沿箍向缠绕而成 [146,147]。金属内衬以前是通过轧制和焊接工艺制造的 [148]。不过，后来出现了制造无缝储罐的技术 [77]。金属内衬采用深拉伸和熨烫技术制造，然后使用固化工艺将复合材料层缠绕并粘合到内衬上，从而增强筒体强度 [149]。即使去掉复合包层，金属内衬也会分担气体容器旁的部分压力负荷。这种容器的成本比 1 型高出约 50%，但重量却减轻了约 35%。由于只有 PV 的圆柱部分使用复合材料包覆加固，因此穹顶应足够坚固，能够承受负荷而不会出现纤维包覆[150]。Mannesman和 faberTM 制造 2 型水箱。
图 10.(a) 压力容器类型（资料来源：意大利 Faber）和 (b) 截面细节 [145]：(b) 剖面细节[145]。
4.3 类型3
3 型由金属内衬构成，包括穹顶在内全部由纤维树脂系统包裹。一般使用无缝铝衬垫。大部分结构载荷由复合外包层承担，内衬分担部分载荷。类型 3 比类型 2 大大降低了金属内衬的厚度，从而大大减轻了重量。然而，由于复合材料层重量轻，容器的强度得以保持。因此，复合材料外包层可提供 75% 至 90% 的容器强度。相比之下，内衬则提供了剩余的强度，作为储存气体的刚性屏障，并为产品提供额外的抗冲击性能。在呼吸设备、氧气医疗处理和流体滑轨等紧凑型产品中，超过 200 万个全包裹气瓶正在使用中。图 11(a)和(b)显示了 2 型和 3 型罐体截面的区别，并比较了不同的压力额定值 [151]。汽车和公共汽车中使用的压力容器的工作压力为 350 巴或 700 巴，而许多工业储罐的额定压力为 200巴 [152]。1-3 型储罐的筒体/衬里通常通过深拉、热纺、机加工和后续热处理工序制造 [145]。尽管如此，金属筒体/衬板还是容易腐蚀和疲劳。类型 3 用于公交巴士和运货卡车等一些必须减轻重量的应用中。 这些材料用于不同的原始设备制造商生产的汽车，如沃尔沃和大众 CNG 汽车。制造商包括StructuralComposites、faber™、Luxfer、Raufoss、Worthington Industries 和 Dynetek。公司。
4.4类型4
4 型 CPV 由聚合物内衬与纤维树脂系统（通常是碳纤维或碳/玻璃纤维混合材料）完全包裹而成 [153]。
图 11.(a)2 型和3 型罐体截面[151]，(b)350 巴和700 巴气缸截面（资料来源：energy.gov）。
气体装在塑料内衬中，塑料内衬也是进行 FW 操作的心轴[154]，通常采用吹塑法制造。和滚塑（rotomoulding）工艺。圆顶也可以焊接到挤压圆柱形部件上 [145]。由于采用了塑料内衬，因此可以获得更好的重力性能[155]。图 12 显示了通过滚塑工艺制造热塑性衬垫的过程。对于暴露在温和温度和压力下的 CPV，丁基橡胶等弹性体可用作衬里材料。但是，在低温或高压条件下，弹性体就不起作用了。在低温条件下，弹性体表现为脆性，不会与复合外包层一起断裂。市售的弹性体在高压下具有很高的气体渗透性。由于弹性体会吸收气体，当容器减压时气体释放出来，可能会在衬垫上造成严重的起泡。内衬也可以由聚酰胺（PA）或高密度聚乙烯（HDPE）制成。完美的内衬材料必须能够防止容器内的液体或气体渗透。内衬必须与流体具有化学相容性，并且不透水 [120]。渗透被视为正常情况，尤其是在 4 型储罐中。另一方面，行业标准规定了最大渗透阈值，并显示在气瓶认证标志上。与聚合物内衬钢瓶相比，金属钢瓶/内衬的氢渗透水平较低 [157]。在第 4 类容器中，压缩天然气的渗透率被认为是合适的。然而，由于氢原子的尺寸较小，气体渗透是氢气储存的一个问题。在 500 巴压力之前，高密度聚乙烯都能很好地储存氢气；不过，聚酰胺在更高压力下的渗透率较低。在汽车和工业应用中，高密度聚乙烯具有良好的记录。作为衬垫材料，高密度聚乙烯的材料特性使其成为最佳选择，因为它成本低、经济实惠、效率高。
图 12.通过滚塑制造塑料衬垫 (a) 滚塑模具(b) 开放模具(c) 最终产品 [156]。
[154]、高循环疲劳寿命、可用性、低渗透性，并且易于成型和挤出 [150]。形成的衬垫具有足够的厚度和强度，即使没有复合材料外包层，也能保持较小的气体压力。图 13(a)和(b)分别显示了 4 型容器的结构和剖面细节。内衬必须在预热过程中与复合材料一起拉伸或伸长，并在降低容器压力后恢复到稳定的无扣状态。衬垫的应变能力必须与复合材料包覆层相匹配，以达到最佳的生命周期能力[121]。CPV中纤维之间的薄树脂间隙可能会因局部应变过大而变得多孔，使封闭流体通过。为避免这种渗漏，需要一种无孔内衬，它能与复合材料一起拉伸，并在压力释放后恢复到先前的稳定状态 [47]。在类型 4 中，承受载荷的主要构件是复合材料包覆纤维，它们承受结构和压力载荷，尽管周围的基质将其保持在最佳位置和方向。制造 4 类容器时使用玻璃、碳、芳纶等连续纤维增强剂和聚酯、环氧等液体树脂浸渍剂。然而，由于碳纤维成本高昂且近期短缺，压缩天然气储罐制造商可能会寻求其他替代品。作为高价碳纤维的替代品，玄武岩纤维是正在研究和讨论的各种纤维之一。玄武岩纤维的机械性能优于 E-玻璃纤维，价格也低于碳纤维 [153]。第 4 类气缸通常配有圆顶保护装置，以防止撞击，因为塑料内衬无法刚性支撑复合材料外包装。图 13（b）和（c）中，一个带螺纹的金属凸台或末端喷嘴与内衬连为一体，用于加注气体。末端喷嘴的正确设计对衬垫的性能影响很大[159]。铝合金或不锈钢通常用作极板材料 [147]。设计金属极板并将其与塑料衬垫连接以实现防漏是另一项挑战，因为极板会影响罐体的额定压力。关于末端喷嘴的设计，已经注册了多项专利。在设计带有极性凸缘的高强度颈部和圆顶的同时，还要在反复的压力负荷下保持防漏的气体密封。图 14(a)显示的是第 3 类油箱的金属内衬，(b)和(c)是第 4 类油箱的塑料内衬，(d)和(e)显示的是内衬上的纤维缠绕过程，(f)显示的是成品复合容器。第 4 类气缸，如公共汽车、卡车和 OEM 汽车（本田思域）上使用的气缸，重量非常大。这些容器的供应商包括 OptimumComposite Technologies、Quantum fuelsystems、Ullit、Hexagon group（Lincoln、Ragasco、Agility）、faber™和Gastank™ [146,147]。4 型 CPV 重量轻、高压存储、气缸直径大、易发生疲劳故障。但是，塑料内衬也面临一些挑战，如在极端温度下老化、降压、内衬/端盖接口处开裂等。
图14.(a) 用于 3 型储罐的旋压成型铝衬里（制造商：Steelhead Composites™,Inc：(b) 和 (c)用于4 型罐的塑料内衬，(d)和(e) 纤维外包工艺(f) 完成的复合材料罐。
4.5类型5
复合材料技术公司推出了无衬里 5 型储罐。已成功进行了测试[160]。CTD储气罐使消防员的呼吸设备比标准设备轻 10%，体积更小，图 17(b)。5型采用全复合材料结构，复合纤维缠绕在可折叠或牺牲的心轴上。不过，有关 5 型 PV 的研究很少[36]。表 3比较了各种光伏类型。每种气缸形式都有其优势和特点，但在许多应用中，减重仍是首要考虑因素。1 型容器适用于 200/300 巴至最大 500 巴的压力。2 型没有压力限制 [161]。3型和 4 型可承受 450 巴的循环压力和 700 巴的静态压力 [162]。天然气被压缩并储存在工作压力为 200 巴/250 巴的储气罐中。 氢气储存的压力等级从 1994 年的 250 巴发展到 2000 年的 350 巴，现在许多汽车制造商已经拥有 700 巴的车载储存设施 [163]。目前有一些关于高压氢气储存系统的研究，其中 4 型容器被认为是在 700 巴压力下储存氢气的最佳解决方案 [92,164]。
图 13.(a) 类型 4 的结构细节 (b) 高密度聚乙烯内衬容器的剖面图[158] (c)带金属凸缘的内衬（资料来源：Hansho composites）：Hansho composites）。
五、 CPV 的有限元方法
绕丝压力容器的设计是一项繁琐的工作。可以考虑的参数很多。最基本的方法是网状分析 [15,166]，这种方法从上世纪中叶开始使用。不过，使用网状分析法时必须采用一些假设[167]：(1)纤维和基体中的应变相等；(2) 拉伸和压缩下的变形相等；(3) 纤维和基体界面中的剪应力可忽略不计或较低；(4) 结构遵守胡克定律，纤维被假定为笔直和连续的。遗憾的是，这些假设并不总能满足要求。除此以外，容器的其他部分也可能成为焦点。这就是为什么在绕丝压力容器的设计过程中经常使用有限元法 (FEM) [168]。本节将介绍压力容器数值建模的一些方面。
5.1模型和元素选择
初始假设。这种做法具有不确定性，应谨慎使用。由于所有假设都不能满足每种应用的要求，因此应谨慎使用。 |
载荷非轴对称。 |
三维模型可以是壳体模型，也可以是实体模型。应使用壳元素来模拟那些一个维度明显小于其他维度的结构[171]。传统的壳元素是通过参考面来定义的，因此更容易建模。工程师只需为每一层指定一个表面，但这可能会导致厚复合材料出现误差。使用传统壳体定义压力容器模型的范例作品有[172-174]。另外，壳元素可以基于三维单元，这是一种介于传统壳体和实体三维模型之间的混合方法。厚度由厚度是由三维几何形状决定的，但其运动学和构成学则是由三维单元决定的。性能与传统壳体元件相当。文献 [175]采用了这种方法。类似的概念还有使用轴心公制模型的报告，该模型只考虑了整个模型的一半[176]、四分之一 [177]，甚至八分之一 [178]。[178] 甚至整个模型的八分之一。由于缺乏材料对称性，所有这些方法都是非现实的。不过，所提出的结果往往足以证明这些模型的部分合理性。这些方法主要有利于在压力容器设计的早期阶段缩短计算时间。不过，最终分析可能还是应该使用完整的模型，而不仅仅是假定对称的部分模型。
5.2.边界条件
在进行爆破分析时，应确保容器的稳定和固定；内压产生的作用力应为零。然而，即使是微小的数值误差也会导致收敛问题。这个问题可以通过限制某些自由度来解决。但要注意的是，在计算过程中可能出现的误差包括过度拉伸和引入额外的反作用力。所谓的"3-2-1 夹具理论 "应能产生一个无附加反作用力的收敛模型。其原理是在一个平面上选择 3 个非共线点，然后在第一点固定 3 个 DOF（1 个位移和另外 2 个旋转），在第二点固定 2 个 DOF（2 个位移和另外 2 个旋转），在第三点固定 3 个 DOF（1 个位移和另外 2 个旋转），在第四点固定 3 个 DOF（1 个位移和另外 2 个旋转）。位移和最后一次旋转），以及第三点（最后一次位移）的 1 个 DOF。在实践中，这种方法或多或少得到了严格执行。当使用模型的一半或四分之一时，对称边界条件（BC）可确保某些 DOF 受到限制。在文献[179]中，作者取消了两侧端圆顶的轴向自由度。在第二个模型中，考虑了额外的 BC 作为扣夹，这影响了所呈现结果中的第一个受损层。在[180]模型中使用了局部圆柱坐标系，并限制了垂直于轴线的平面上的位移。除了边界条件，载荷的定义也同样重要。在高压压力容器中储存液体和气体时，静水压力与感应压力（均匀且垂直于表面）相比可以忽略不计。
5.3材料模型和界面
另一个问题是正确定义材料模型。对于组合材料，通常假设其为各向同性材料。[178] 因为 ʋ13、ʋ23和 E3等量很难获得。根据文献[181]，复合材料可以用三种方法建模：宏观尺度（整个复合材料均质化后）、中观尺度（每层分别均质化）和微观尺度（每种基体和纤维单独建模）。宏观方法并不能很好地反映复合材料的性能。微观尺度大大增加了建模和计算成本，因此人们一致认为应采用中观方法。额外的挑战是如何表现复合材料层与衬垫之间的界面。在大多数情况下，界面被假定为完全粘合[169]。如果研究人员考虑到这个问题，他们可以通过定义三个方向的刚度来使用具有平移 DOF 的特殊间隙/摩擦元素[97]，但是作者使用的这种界面刚度明显大于其他材料的刚度。
5.4 复合材料层的厚度变化
另一个值得关注的问题是，在以不同角度缠绕纤维时，复合材料层的厚度会发生变化，尤其是在穹顶处。在穹顶区域，纤维层的厚度是最大的，这是因为有许多纤维带重叠在一起。复合厚度和缠绕角度对爆破压力有很大影响 [180]。处理此类问题的常用方法是将模型划分为多个片段，并分别为每个片段分配厚度和带角值[172,174]。172,174]。为了获得更平滑的函数，可以增加切片数[180]，在穹顶区域使用 0.5o 的卷绕角增量。也可以在ABAQUS™中的分析函数或类似的解决方案来获得每个节点的适当值。厚度分布是可以预测的，尤其是在使用适当的公式[182]以大地或半大地路径进行绕组时。 这个问题也可以使用特殊工具来解决，如 Abaqus 的 Wound CompositeModeller 插件 [180]，以生成适当的几何形状。此外，即使在同一 "切片 "中，各层之间也可发现差异。在[183]中，作者报告说，叠层中第一层和最后一层之间的卷绕角度差异可达到近 20%。原因在于卷绕过程的结果。每一层都缠绕在上一层的顶部（或第一层缠绕在衬垫的顶部）。应对这种影响进行分析，尤其是在模拟厚铺层时。
5.3 爆破压力分析
一般来说，压力容器的分析目标是确定爆破压力。爆破压力是指容器发生爆破/爆炸/裂缝并泄漏内部流体的压力。了解爆破压力对确保压力容器的稳定运行至关重要。任何容器的爆破压力与使用压力之比最低应保持在2.25[150]；欧盟和 ISO/DIS 15869.2 建议安全系数分别为 2.35 和 2.25 [184]。在爆破压力分析中，使用了不同的破损标准。最常用的有 Hoffman[169,180]、Tsai-Hill[169,179,180]、Tsai-Wu[169,172,174,180]和 Hashin（据说更自由）[175,177,180]。其他使用的标准还有 Sun、Rotem、最大应变和最大应力 [176,185]。然而，这些标准大多无法 正确找到爆裂值，因为这些标准显示爆裂发生在第一层或第一层破坏（FPF）时。文献 [10,186] 报道了预测强度与实验结果之间的显著差异。然而，爆破压力高于 FPF 的压力，因此这种近似方法在设计过程中足够安全，但会导致容器尺寸过大 [187]。图 15 显示了各种 PV 的爆破测试失效模式。
图 15.安全爆裂模式发生在圆柱形部分（a）钢罐，（b）玻璃纤维 CPV，（c）混合纤维CPV[8]，不安全爆裂模式发生在圆顶区域（d）和（e）[92]。
图 15 (a)、(b)、(c) 中的圆柱形部分发生了破坏，这被认为是一种安全的爆破模式 [8]。在安全爆破模式中，分层和基体开裂破坏模式最少[92]。不安全爆破模式发生在穹顶处，金属凸起被弹出，可能造成严重危害/伤害 [188]。在这种模式下主要观察到基质开裂[92]，图 15(d)和(e)。
5.6 网格灵敏度
网格灵敏度研究被广泛用于确定所研究问题的正确节点数[119,178,180,189]。然而，值得强调的是，即使对卷绕过程中的参数（如厚度分布或卷绕角）进行微小改动，也会对网格敏感性产生影响。会对结果产生重大影响。这可能会在设计过程中造成问题，因为设计过程通常需要检查这些参数的多种组合，而参数模型则可以解决这一问题。圆柱形部分就采用了这种方法 [169,190]。在[178]中，作者开发了一个参数模型，并使用单位载荷法来优化压力容器的构造。表 4 汇总了涉及有限元分析的各种研究。 5.7 温度
在某些情况下，温度和水热条件的影响可能很大 [10,30,192,193]。因此，应该强调的是，温度范围会对材料数据产生重大影响，在设计工作温度范围较宽的容器时，应关注温度范围，找出最关键的温度水平，并在这些条件下进行模拟。
六、 优化和算法
本节将讨论研究人员使用的一些优化程序和算法。人工神经网络 (ANN) 和实验设计 (DOE) 等优化技术与有限元分析 (FEA) 的结合已被用于优化复杂结构在特定强度、失效行为、几何参数等方面的设计，从而降低复合结构的总体成本。在一项研究中，CPV 的优化设计包括以压力 (P)、体积 (V) 和重量 (W) 定义为 PV/W 的目标函数，设计参数为卷绕角、圆顶形状、滑移，并采用蔡-吴失效准则 [79]。响应面技术 (RST)、遗传算法 (GA) 和 DOE 与顺序二次编程 (SQP) 相结合被用于优化设计参数和估计更安全的设计 [194]。根据 Tsai-Wu 失效准则优化的三维拉伸试样被用于评估纤维取向的最佳堆叠顺序 [195]。通过疲劳和爆裂试验评估了 700 巴 4 型 CPV 的残余性能，利用数据分析检查了 CPV 的损坏和薄弱区域。对不同 CPV 部件的聚合物衬垫试样进行了硬度、结晶度和机械性能测试[196]。在 MATLAB 和 ANSYS 中，针对 S-玻璃、Kevlar™和碳纤维等不同材料，在考虑纤维取向、层压板厚度、铺层顺序和层数的情况下，基于第一层失效（FPF）对CPV进行了重量优化[197]。
在内部压力和轴向压力的作用下，对缠绕复合材料管进行了优化。采用 GA 进行压缩。考虑了堆叠顺序和缠绕角度的变化，并在 Abaqus FE 分析中使用 UMAT 子程序实施了制造限制，以预测更真实的结果[108]。利用壳理论和基于蔡武失效理论的经典层压理论（CLT），对爆破压力下的缠绕复合材料管进行了数值优化。可变厚度和层数被视为爆破压力最大化和重量最小化的设计参数[198]。对于承受内部压力的 3 型 CPV，不同碳纤维材料等级、缠绕角度、堆叠顺序、每层厚度和层数的进化方法（DEM）[199]。使用 GA 和模拟退火（SA）对 700 bar 的 4 型 CPV 进行了优化，并使用 ANSYS 进行了分析。定义了一个目标函数，以确定基于以下条件的失效指数Tsai-Wu 失效理论、厚度、安全性和惩罚因子[200]。为了实现复合材料的各向同性，并将材料和几何非线性效应包括在内，开发了 UVARM（用户变量）子程序，用于 4 型 CPV 的有限元分析[201]。结合使用 ANN-FE-GA 可以减少计算时间，从而在给定的加载条件和约束条件下实现降低成本和减轻重量的预期目标[202]。根据复合材料在承受爆破压力和热机械载荷时造成的损坏，对 700 bar 4 型 CPV 的多序圆顶铺层进行了优化。利用直接和间接优化技术，考虑使用 DOE、FE 和 GA 来优化设计参数，如卷绕角、箍层和螺旋层的数量以及铺层顺序[203]。在 Abaqus 用户材料 (UMAT) 和 MATLAB 中使用 Python 脚本根据 Puck 的破坏标准。最佳复合材料压力船体的设计采用测地与丝状缠绕 CPV 相似[204]。在 11 兆帕爆破压力下，采用渐进失效准则评估降解情况，以研究FE 模型网格敏感性和负载步长对 CPV 的影响[205]。粒子群优化（PSO）与有限元分析相结合，为 CPV 的优化和可靠设计提供了可能。它为复合结构优化设计提供了良好的稳定性和效率。该方法用于应力分析、可靠性评估以及铺层厚度和纤维增强塑料（FRP）的优化MATLAB[206]。对 CPV 采用了惯性权 PSO（IPSO）优化算法。
基于蔡武失效准则的混合圆顶形状优化，使形状系数最大化，以获得更坚固的结构和更高的CPV内部容积[207]。自适应响应面（ARS）方法和 GA 与有限元分析相结合，利用六驼峰骆驼背（SC）问题求解高度非线性目标函数，从而获得 CPV 的最优设计[208]。此外，还基于遗传算法（GA）、利用克劳里特原理的分析方法、有理 B 样条曲线等方法对圆顶形状进行了优化分析[200,209]。一般来说，半大地穹顶、大地穹顶和非大地穹顶可用于根据应用设计各种轨迹。穹顶轮廓设计和根据形状系数、应力比和蔡武失效进行了优化。在文献中，应力比有多种定义，如最小应力除以最大应力、外边界应力值与内边界应力值之比、轴向应力与箍筋应力之比等等，其值应小于1 [144,167、尽管上述优化技术好处多多，但实施这些技术也给研究人员带来了一些挑战。首先，这些都是计算密集型技术，需要在应用方面进行修改。应用方面的修改。其次，定义适当的目标在此基础上，我们可以决定哪种算法方法最适合。此外，这些与有限元分析方法相结合的优化算法并不能提供完整的解决方案。最后，必须通过实验对设计进行验证。表 5 列出了优化文献的摘要。
6.1.仿真平台
有多种模式生成和仿真平台可供选择数值[198] 数值[199]现代纤维缠绕机采用 EasyWinder™、FiberGrafiX™ 和 CAD- WIND™ 等多功能软件，可生成不同的缠绕模式。用于还设计了复合压力容器，即 ComposicaD™、Wound Composite Modeller (WCM)、ESAComp、WoundSIM™等。WCM插件开发人员推出了名为 WoundSim™，可视为 SIMULIA™ 创建的 WCM 插件的替代品。WoundSim™是新一代程序，用于设计以及模拟丝状缠绕光伏。凭借在 CPV 方面十多年的经验，WoundSim 的建筑师和工程师讨论了 CPV 建造和仿真过程中的众多问题和不确定性。WoundSim™是一款提供现代用户界面的工具，它简单、方便，大大简化了 CPV 的建造和仿真过程。简单、方便，大大简化了 CPV 的设计过程与 Dassault SIMULIAAbaqus 统一 FE 求解器兼容。Altair 的ESAComp™ 为复合材料设计人员和研究人员提供了一个工具箱，用于进行线性静态应力/应变估算、非线屈曲以及层压板和壳体系统的坍塌等活动，同时还提供了以下功能以及其他各种评估。此外，ESAComp™还与 Seifert 和 Skinner 小组的 FW 仿真程序 ComposicaD™ 紧密集成，可对 CPV 进行分析。
本文来源《Application of Filament Winding Technology in Composite Pressure Vesselsand Challenges: A Review》
