自动化高速铺带机—IV型高压储氢瓶制造的里程碑

1. 前言

双碳背景下，氢能在我国有广阔应用前景。2019年以来国家顶层设计密集出台，2022年3月《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》出台，产业发展政策东风已至。燃料电池汽车（FCEV）是未来氢能应用的核心，也是政策推广支持重点，未来将呈现出与纯电动汽车互补发展的产业格局。氢动力燃料电池(FCEV)的引入可以成为实现绿色长途道路移动的技术推动者。未来十年FCEV产量将会成指数增长，这也直接推动了高性能复合材料压力容器的需求呈指数级增长。 复合材料压力容器是H2-FCEV的关键储存系统，压力高达700bar，圆柱形罐储存FCEV中使用的氢气。其中主要成本是碳纤维材料，占总成本的50%以上。 2. 为什么要对压力容器圆顶部进行增强加固?

在典型的压力容器（PV）上，纤维取向在整个结构的厚度和表面上都不同。通常，压力容器（PV）是通过将浸渍纤维长丝采用不同角度的缠绕方式（取向）缠绕在聚合物衬里上制造而成。缠绕方式主要有三种：

· 环向缠绕：θ≈90°

· 低角度螺旋缠绕（LAHL）：0° < θ < 45°

   · 高角度螺旋缠绕（HAHL）：45° < θ < 90°

随着纤维增强与应力之间的角度偏差增加，复合材料铺层的强度显著降低。原则上，高角度螺旋缠绕层与环向和轴向的偏差范围为20°~75°，这意味着它们的实际性能只发挥了材料全部潜力的15%至50%。简而言之，气瓶上的高角度螺旋缠绕（HAHL）并没有达到最理想的状态。

为什么在压力容器（PV）上使用高角度螺旋缠绕（HAHL）呢？其主要原因是，它们对瓶体圆顶过渡部分的应力有很大的贡献。

因此，如何以更有效的方式处理高角度螺旋缠绕（HAHL）的增强材料呢？答案是在瓶体的圆顶过度部分采用铺带的方式替代高角度螺旋缠绕（HAHL）。

3.铺带方式的优势

根据ABAQUS模型计算，考虑了使用带材进行局部强度增强，在圆顶部采用碳纤维带材，其目的是减少圆柱部分和圆顶部分之间刚度的不连续性，并实现与螺旋缠绕相同的应力。 采用铺带工艺，不仅使复合材料厚度上的应力分布更加均匀，同时减少了碳纤维材料的使用量，可谓一举两得。根据美国能源部的文献调查，得出结论，采用圆顶部铺带方式加固可减少碳纤维材料用量减少15%。