然我来带大家读一篇文献：开发用于移动和固定应用中储氢的球形高压罐
摘要：
BMBF 资助的旗舰项目 TransHyDE 的子项目 Mukran 中，开发了用于储氢的球形和近球形（具有短圆柱形垫片的等张力体）高压罐。本文介绍了 BTU Cottbus-Senftenberg 基于聚合物的轻量化设计主席和 Fraunhofer IAP 研究部门 PYCO 的计划工作。研究主题包括衬垫的纤维兼容设计、碳纤维增强塑料承重外包装层结构的基于规则的优化、纤维放置策略的开发以及将储罐集成到框架中作为移动存储解决方案。氢气有望成为未来的能源载体。为了实现这一目标，不仅需要技术来生产并重新转化为电力或其他利用，还需要技术来运输。Mukran 研究了气态氢在高压下的储存和运输，以便为未连接到 H2 管道网络的消费者供电。因此，正在开发的储存容器的特点是安装空间与负载和材料适当的几何形状之间实现了最佳折衷，从而能够以高有效载荷比实现高效运输。
1 引言
为了减轻气候变化对人类健康、农业生产和全球经济的负面影响，必须将能源供应转变为可再生能源经济。为此，氢技术至关重要反过来，高效的存储设施也是必要的。由于存储时间在 350 和
注：此处的“容器”是指作为气态氢高压储存系统的储罐。术语 “vessel” 和 “tank” 是同义词。
在 Mukran 研究项目中，除了一种新型钢基解决方案外，还将开发 3 型和 4 型储罐。储存技术应适用于主要通过卡车运输氢气，但也适合通过铁路和船舶运输氢气，从而满足对氢气不断增长的需求不仅可以生产，还可以运输到去中心化站点。3 型储罐，即带有氢密金属衬里和碳纤维增强塑料 （CFRP） 制成的承重外包装的高压存储系统是球形的。由于这种形状，半成品可用于衬垫生产，从而最大限度地降低成本
3 型储罐的另一个优点是，在制造衬垫时需要用于焊缝精加工和检查的人孔可以包覆，无需螺栓或法兰连接。然而，为了充分利用这一潜力，需要一个健康监测系统，其开发也是本研究项目的主题。
在 4 型油箱中，衬里由聚合物制成，只有凸台部件仍由金属制成。由于塑料可以承受比氢相容性金属更高的弹性伸长率，因此可以更好地利用承重外壳的 CFRP，从而可以最佳地开发轻质结构的潜力。此外，塑料提供了更大的设计自由度。例如，图 1b 所示的几何形状由两个等张力体和一个圆柱形中间件组成，不仅可以更好地利用给定的立方体安装空间，还可以实现衬垫几何形状（计算出的等张力形状），使纤维在张力下得到最佳加载。由于这些优势，应开发重量效率在 6% 到 10% 之间的储罐。
下面概述了 Mukran 项目中开发 CFRP 水箱的主要任务。待开发的储罐的特点在于最佳利用给定的近立方体安装空间。此外，还比较了纤维缠绕和自动纤维铺放这两种技术，以及相应的具有热固性和热塑性基体的材料系统，用于储罐的制造。
2 纤维增强高压罐的设计
单向连续纤维增强塑料具有很强的各向异性性能。单向意味着所有承重纤维具有相同的方向。基质，即聚合物，保护和支撑纤维，使它们在压缩载荷下不会弯曲。此外，基体在纤维之间传递载荷。
由于其各向异性特性，CFRP 带来了特殊的设计和制造挑战。纤维必须沿负载路径在技术上尽可能精确地对齐。这可以通过自动化或部分自动化的制造技术来实现，例如缠绕或自动纤维铺放 （AFP）（参见第 4 节）。然而，在此之前，必须根据载荷和边界条件设计层结构。为此，使用数值和分析方法进行计算和优化（参见参考文献），以确定与复杂应力条件相对应的层结构，尤其是在连接、出口和传感器区域。
第一步，通过实验确定与制造技术相关的材料特性。在此基础上，创建计算模型并实施优化算法。在研究项目中，将进行基于规则的优化。这意味着 production 的限制已经作为 constraints 引入到优化中。通过这种方式，可以生成一个可以通过相应的制造技术实现的最优效果，因此需要更少的后处理和适应迭代工艺步骤。生产中产生的此类参数的示例包括最小和最大细丝预紧力、最小和最大纤维角度、带子和粗纱宽度、层厚以及可以沉积的最小和最大半径。
结果在直径演示器的实验性无损和破坏性测试（压力和爆破测试）中得到了验证。应该注意的是，只进行直径最大 的设计。由于研究项目的时间有限，在制造过程中不会超过演示器的规模。
3 结构健康监测系统
在固定式和移动式系统的整个生命周期内，必须确保储罐的安全。一方面，在设计过程中考虑了适当的安全系数，并在模拟和实验中详细分析了结构上的应力（见第 2 节）。另一方面，将开发和实施结构性健康监测系统。此外，还将监测衬垫表面和层结构中不同位置的应变。这些位置将根据第 2 节中 CFRP 应力评估标准的数值计算结果进行选择。其他需要监测的变量包括储罐附近的氢气浓度、储罐的位置 （GPS）、液位和内部压力以及环境温度。
在市场研究中确定了合适的传感器。除了应变片外，光纤传感器还经常用于记录应变。然而，初步调查表明，后一种传感器由于其相对较大的直径而干扰了层结构，从而降低了层压板的承载能力。因此，在 Fraunhofer IAP 的研究项目中，专门为油箱和衬垫几何形状设计的传感器将由具有不同导电率的油墨增材制造。将设计一个系统，通过该系统可以通过 Internet 以非接触方式检索数据。此外，人工神经网络正在被设计用于检测表明需要维护的异常情况。
4 制造战略的发展
部分自动化的绕线工艺在生产过程中实现了高可重复性和质量保证。[15、16 元]在此过程中使用了 Duroplastic 系统。粗纱线圈位于纱架中。该筒子架中安装了执行器，可以调节纱线张力。粗纱被送入存放装置，在那里它们通过树脂浴（湿式卷绕）。衬垫夹在卷绕装置的两侧（图 2）。进一步的执行器允许衬板的过程控制旋转。在此过程中，浇注单元沿旋转轴移动。由于在制造序列的编程中协调了运动，因此纤维根据先前设计的层结构进行沉积。固化在高压釜中（图 3）中施加温度程序和压力。干纤维缠绕是湿缠绕的替代品。在这里，粗纱在卷绕过程中没有浸渍在树脂浴中，而是随后通过灌注进入高压釜中。另一种选择是使用丝束预衬。这种材料是已经浸渍了树脂的半成品纤维产品。在这个研究项目中，将变体相互比较，并根据结果选择制造工艺。工艺时间、成本和公差及其对储罐结构机械性能的影响将用作评估标准。此外，还将与另一种制造技术 Automated Fiber Placement 进行比较（AFP，图 4）。与绕组相比，热塑性胶带也可以用这种技术加工。由于热塑性塑料可以重新熔化，因此与热固性塑料不同，它们更容易回收。在 AFP 中，胶带通过加热元件（激光或红外辐射器）熔化并沉积在工件上。它们通过滚轮压在工件上。然后，在连续制造过程中，沉积的胶带冷却到软化温度以下。与卷绕相比，这大大降低了纤维材料在生产过程中从衬垫上滑落的风险。对于这两种制造技术，都进行了参数研究以设计最佳过程控制。参数包括预紧力、接触压力、AFP 浇注头与衬板的角度、施加的热量和加工速度。结构健康监测系统传感器的原位实施带来了巨大的技术挑战
5 用于储罐运输和固定存储的框架
为了在航运、铁路和公路运输等物流链中运输和使用储罐，必须将它们集成到符合这些运输系统要求的框架或集装箱结构中。一方面，连接点（扭锁）的设置和设计必须与港口、运输工具和装载站可用的技术相对应;另一方面，必须确保传感器和阀门的可访问性，以便在加油站和临时储罐中使用。另一个重要方面是框架对水箱的结构机械影响。例如，框架的金属边缘不得压入油箱的 CFRP 外壳中，因为 CFRP 对此类载荷情况非常敏感。还必须能够在发生碰撞时确保这一点。此外，尽管压力变化会导致储罐变形，但必须确保安全储存。
将根据制造时间、稳定性和强度以及固有质量考虑和评估两种方法。第一个概念是完全由聚合物通过增材制造制成的结构。为此，BTU 提供了一个混合制造单元（图 5）。作为第二个概念，钢框架正在开发为焊接结构。在这种变体中，油箱的支撑也由聚合物增材制造，以最大限度地减少 CFRP 边缘的正交载荷。框架及其对油箱结构机械行为的影响将使用数值计算进行分析，并在演示者的实验测试中得到验证。制造工艺将在参数研究中进行设计，以确定打印速度、质量流速、喷嘴温度、熔体温度、喷嘴直径和冷却装置的控制。
6 总结
在 Mukran 研究项目（开始日期：2023 年 5 月 15 日）中，该项目由 BMBF 资助，作为 TransHyDE 旗舰项目的一部分，BTU 基于聚合物的轻质设计主席和 PYCO 研究部门以及弗劳恩霍夫 IAP 可持续轻质技术中心 ZenaLeb 的研究小组正在与项目合作伙伴合作开发目标工作压力为作为大型结构，并在按比例缩放的演示器上验证它们。3 型储罐的层结构将借助优化算法进行设计。将考虑 600 至 2400 毫米的尺寸范围。正在直径演示器上开发两种制造策略，即绕组和 AFP 放置。结构健康监测系统的开发将提高存储技术的安全性。这些容器将在压力和爆破测试中得到验证。油箱的框架将设计为确保系统的广泛应用，从加油站的固定使用和临时存储到船舶、铁路，尤其是卡车的移动使用。
本文来源：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ente.202300942
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