多管齊下的方法在3型、4型和 5型壓力容器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間形成閉環(huán)，能夠?qū)ν旯?fù)合儲罐進(jìn)行仿真，從而提高性能和存儲容量，同時(shí)減輕重量和成本。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在3型、4型和無內(nèi)襯5型壓力容器中的使用正在增長，用于儲存壓縮/可再生天然氣（CNG/RNG）和氫氣，作為全球向更清潔、更高效的能源和運(yùn)輸過渡的一部分，但也用于儲存火箭燃料和其他氣體，用于快速擴(kuò)大的航天器生產(chǎn)。然而，問題之一是這些儲罐中使用的碳纖維成本高昂，并且需要開發(fā)滿足苛刻的性能、安全性、體積、重量和成本要求的設(shè)計(jì)。 

局部圓頂加固可以在圓頂和過渡區(qū)（肩部）定制復(fù)合壓力容器的層壓板，去除非承載螺旋/極性纏繞層，從而減輕重量和成本，同時(shí)增加存儲容量。

復(fù)合材料工程公司CIKONI（德國斯圖加特）十多年來一直致力于優(yōu)化此類壓力容器設(shè)計(jì)的項(xiàng)目，開發(fā)了一系列工具和方法，提高了性能并顯著節(jié)省了材料和成本。例如，最近與Cevotec（德國 Unterhaching）合作完成的一家壓力容器OEM設(shè)計(jì)集成了局部圓頂加固，優(yōu)化了鋪層，在保持同等機(jī)械性能的同時(shí)，減少了15%的碳纖維使用量。由于罐壁厚度可以在不損失強(qiáng)度的情況下略微減少，因此相同體積的可用存儲容量也增加了17%。

用于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的主要方法是高保真仿真，它結(jié)合了多尺度建模、壓實(shí)分析、流程集成和碰撞/碰撞預(yù)測。這大大減少了所需的物理測試數(shù)量，同時(shí)增加了對優(yōu)化設(shè)計(jì)的信心，降低了開發(fā)成本，并在確保產(chǎn)品安全的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了更快的認(rèn)證。然而，這種仿真驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化不能孤立地完成，而是依賴于準(zhǔn)確的材料和制造數(shù)據(jù)。CIKONI開發(fā)了一種多管齊下的方法，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間形成閉環(huán)，生產(chǎn)出的模型不僅代表名義上的理想，而且反映了真實(shí)的坦克。

多學(xué)科、多尺度模擬

先進(jìn)仿真方法的一項(xiàng)重大進(jìn)步是對采用纖維纏繞或牽引預(yù)塑纏繞制成的復(fù)合壓力容器以及傳統(tǒng)上用于太空應(yīng)用的復(fù)合材料外包裝壓力容器（COPV）進(jìn)行多尺度仿真。在這種方法中，材料的微觀結(jié)構(gòu)（包括纖維、基體和纖維-基體界面的行為）在中尺度上表征，并饋送到宏觀罐模型中。這使得有限元（FE）仿真能夠考慮關(guān)鍵的制造效應(yīng)，例如纖維體積分?jǐn)?shù)（FVF）梯度、富含樹脂的區(qū)域以及纖維重疊和錯(cuò)位，尤其是在圓頂?shù)葟?fù)雜區(qū)域。這些細(xì)節(jié)提高了爆破壓力和故障預(yù)測的精度。

精度的一個(gè)重要推動(dòng)因素是壓實(shí)模擬，它模擬了纖維絲束在纏繞過程中的變形和固結(jié)。在復(fù)合壓力容器中，尤其是纖維纏繞式COPV，制造過程中的壓實(shí)遠(yuǎn)非均勻。由于每一層都纏繞在彎曲的幾何形狀上，尤其是在圓頂區(qū)域，因此接觸壓力、纖維路徑和層一致性會(huì)發(fā)生顯著變化。這導(dǎo)致整個(gè)層壓板的纖維體積含量（FVC）/FVF不均勻，進(jìn)而影響剛度、強(qiáng)度和失效行為。

逐層壓實(shí)模擬不是假設(shè)恒定值，而是有助于得出整個(gè)船舶的真實(shí)局部FVF，從而捕獲拖曳堆積、拖曳間空隙和局部加厚的影響。將這些FVF分布納入結(jié)構(gòu)仿真中，可以產(chǎn)生實(shí)際層壓板的更具代表性的剛度和強(qiáng)度曲線，從而能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)械性能和失效行為，包括爆破壓力、疲勞壽命和沖擊后行為，從而獲得更值得信賴的安全裕度。最終，這實(shí)現(xiàn)了更智能的設(shè)計(jì)優(yōu)化，去除了不必要的材料，降低了成本并增強(qiáng)了安全性。

過程中填料含量控制

對于儲罐制造商來說，優(yōu)化的設(shè)計(jì)取決于其在實(shí)際規(guī)模生產(chǎn)中生產(chǎn)的能力。因此，可制造性設(shè)計(jì)（DfM）是優(yōu)化儲罐設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面。這需要在設(shè)計(jì)早期考慮卷繞工藝限制和變量，并做出潛在的調(diào)整以適應(yīng)生產(chǎn)方法。這也意味著在收卷過程中收集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以反饋到仿真中。

使用絲束預(yù)浸（預(yù)浸漬纖維絲束）代替濕式卷繞可以減少FVF和樹脂含量的變化，還可以通過消除樹脂浴來提高卷繞速度。然而，絲束浸漬目前更昂貴，因此濕式纏繞仍然占復(fù)合材料儲罐和COPV生產(chǎn)的大部分。因此，盡可能減少濕繞組可變性非常重要。例如，樹脂槽中過量的樹脂吸收會(huì)增加不必要的重量（和成本），而不會(huì)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。此外，樹脂含量超過纖維粘合所需的樹脂會(huì)延長固化時(shí)間。相反，樹脂吸收不足會(huì)導(dǎo)致干點(diǎn)、纖維潤濕不良和內(nèi)部空隙，從而降低層壓板的機(jī)械性能和可靠性。

CIKONI的專利系統(tǒng)監(jiān)測壓力容器濕細(xì)絲纏繞中的樹脂吸收，并動(dòng)態(tài)調(diào)整樹脂浴參數(shù)以保持最佳浸漬。

目標(biāo)是在整個(gè)船舶中始終如一地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)FVF（通常約為60%），確保最佳結(jié)構(gòu)完整性和最少的浪費(fèi)。傳統(tǒng)上，制造商通過調(diào)整樹脂粘度、浴槽溫度、刮刀位置產(chǎn)生的樹脂間隙和拉動(dòng)速度來控制纖維絲束從浴槽中帶出的樹脂量。此外，纏繞過程中較高的纖維張力會(huì)將纖維壓縮在一起，從而擠出多余的樹脂，從而產(chǎn)生具有更高FVF的更緊湊的層壓板。相反，如果張力太低，纖維可能會(huì)將額外的樹脂帶入層壓板。因此，適當(dāng)控制張力和速度也是實(shí)現(xiàn)最佳層壓板質(zhì)量的關(guān)鍵。

為了幫助監(jiān)控這些變量并將數(shù)據(jù)提供到盡可能準(zhǔn)確的模擬中，CIKONI開發(fā)了一種正在申請專利的過程質(zhì)量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在濕式卷繞過程中持續(xù)測量樹脂含量。這種基于傳感器的系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測樹脂吸收波動(dòng)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整樹脂浴參數(shù)（如刮刀位置、纖維張力和拉動(dòng)速度）以保持最佳浸漬效果。結(jié)果是穩(wěn)定且浸漬良好的層壓板，整個(gè)結(jié)構(gòu)的FVF控制在設(shè)計(jì)目標(biāo)上。通過關(guān)閉過程監(jiān)測和控制之間的循環(huán)，CIKONI的系統(tǒng)確保了可預(yù)測的層壓板質(zhì)量，避免了過度浸漬或浸漬不足，并幫助制造商更可靠地滿足性能和成本目標(biāo)。

在線光纖對準(zhǔn)和質(zhì)量監(jiān)控

Composite Winding Process Watch（CWPWatch）使用傳感器和光學(xué)檢測在復(fù)合材料壓力容器生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控光纖對準(zhǔn)、間隙和重疊。

即使擁有最好的設(shè)計(jì)和工藝控制，在制造過程中仍可能發(fā)生質(zhì)量變化— 纖維錯(cuò)位、皺紋或間隙會(huì)削弱壓力容器并導(dǎo)致返工或報(bào)廢。因此，過程質(zhì)量監(jiān)控至關(guān)重要，尤其是對于自動(dòng)纖維纏繞和牽引預(yù)絲纏繞。CIKONI 通過技術(shù)套件解決了這個(gè)問題——最初稱為DrapeWatch，用于監(jiān)控預(yù)成型過程中的織物懸垂——現(xiàn)在作為復(fù)合卷繞過程手表（CWPWatch）適用于卷繞。該系統(tǒng)使用傳感器和光學(xué)檢測在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)觀察光纖放置。

CWPWatch動(dòng)態(tài)監(jiān)控光纖卷繞，檢查粗紗通道之間的光纖角度、寬度、重疊和/或間隙的偏差。如果檢測到錯(cuò)誤，系統(tǒng)可以提醒作員，甚至自動(dòng)調(diào)整過程。通過在卷繞過程中捕獲問題，CWPWatch可以防止有缺陷的層被埋在后續(xù)層下。這可以顯著減少廢品和返工，因?yàn)槿毕菘梢栽诂F(xiàn)場糾正，而不是在最終檢查中發(fā)現(xiàn)。

這種實(shí)時(shí)監(jiān)控的好處是多方面的：

• 確保每個(gè)水箱都符合設(shè)計(jì)意圖，從而保持安全并避免隱藏缺陷。

• 通過最大限度地減少缺陷和廢品來降低成本— 更少的報(bào)廢儲罐意味著更低的每個(gè)合格零件的總成本。

• 有助于工藝優(yōu)化，將數(shù)據(jù)反饋到設(shè)計(jì)和仿真循環(huán)中— 例如，生產(chǎn)中記錄的纖維取向可以直接反饋到仿真中。

制造和設(shè)計(jì)之間的這種閉環(huán)意味著仿真模型可以使用“竣工”纖維路徑進(jìn)行更新，從而提高其未來設(shè)計(jì)迭代的準(zhǔn)確性。隨著時(shí)間的推移，這種學(xué)習(xí)循環(huán)會(huì)使產(chǎn)品和流程更加穩(wěn)健。此外，將制造時(shí)的幾何形狀和偏差集成到仿真中對于評估結(jié)構(gòu)對工藝變化的敏感性也很有價(jià)值，這有助于定義穩(wěn)健的制造公差，而不會(huì)過度限制生產(chǎn)。

像 CWPWatch 這樣的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)是復(fù)合材料制造中工業(yè)4.0更廣泛趨勢的一部分，其中傳感器、視覺系統(tǒng)和AI輔助數(shù)據(jù)分析被用于實(shí)現(xiàn)零缺陷生產(chǎn)。對于COPV制造商來說，通過確保一致的產(chǎn)品性能（認(rèn)證的關(guān)鍵）和降低非質(zhì)量成本，投資于此類技術(shù)可以獲得回報(bào)。通過捕獲可能導(dǎo)致復(fù)合材料壓力容器在爆破測試期間失效的纖維放置錯(cuò)誤，該4.0系統(tǒng)不僅可以節(jié)省該儲罐，還可以節(jié)省測試失敗后的停機(jī)時(shí)間和調(diào)查。

總之，復(fù)合壓力容器在航空航天、國防、能源和地面運(yùn)輸?shù)雀邇r(jià)值行業(yè)中已變得至關(guān)重要。隨著行業(yè)需要更輕、更高效、成本更低、安全且更可持續(xù)的系統(tǒng)，這些應(yīng)用所需的精度水平不斷提高。使用各種工具進(jìn)行高保真多學(xué)科、多尺度仿真可實(shí)現(xiàn)這種級別的預(yù)測準(zhǔn)確性。但是，通過將這種方法與傳感器和實(shí)時(shí)監(jiān)控相結(jié)合，可以進(jìn)一步創(chuàng)造價(jià)值，這不僅可以保證質(zhì)量，還可以將“制造時(shí)”數(shù)據(jù)反饋到模擬中，并確保優(yōu)化的儲罐可以按設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行。目標(biāo)是幫助滿足當(dāng)前的行業(yè)需求，并生產(chǎn)安全、輕便的加壓復(fù)合儲罐，自信地滿足目標(biāo)成本和規(guī)模要求。