多管齊下的方法在3型、4型和 5型壓力容器的設計和生產之間形成閉環，能夠對完工復合儲罐進行仿真，從而提高性能和存儲容量，同時減輕重量和成本。

纖維增強復合材料在3型、4型和無內襯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，用于快速擴大的航天器生產。然而，問題之一是這些儲罐中使用的碳纖維成本高昂，并且需要開發滿足苛刻的性能、安全性、體積、重量和成本要求的設計。 

局部圓頂加固可以在圓頂和過渡區（肩部）定制復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，同時增加存儲容量。

復合材料工程公司CIKONI（德國斯圖加特）十多年來一直致力于優化此類壓力容器設計的項目，開發了一系列工具和方法，提高了性能并顯著節省了材料和成本。例如，最近與Cevotec（德國 Unterhaching）合作完成的一家壓力容器OEM設計集成了局部圓頂加固，優化了鋪層，在保持同等機械性能的同時，減少了15%的碳纖維使用量。由于罐壁厚度可以在不損失強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%。

用于實現這一目標的主要方法是高保真仿真，它結合了多尺度建模、壓實分析、流程集成和碰撞/碰撞預測。這大大減少了所需的物理測試數量，同時增加了對優化設計的信心，降低了開發成本，并在確保產品安全的同時實現了更快的認證。然而，這種仿真驅動的優化不能孤立地完成，而是依賴于準確的材料和制造數據。CIKONI開發了一種多管齊下的方法，在設計和生產之間形成閉環，生產出的模型不僅代表名義上的理想，而且反映了真實的坦克。

多學科、多尺度模擬

先進仿真方法的一項重大進步是對采用纖維纏繞或牽引預塑纏繞制成的復合壓力容器以及傳統上用于太空應用的復合材料外包裝壓力容器（COPV）進行多尺度仿真。在這種方法中，材料的微觀結構（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）仿真能夠考慮關鍵的制造效應，例如纖維體積分數（FVF）梯度、富含樹脂的區域以及纖維重疊和錯位，尤其是在圓頂等復雜區域。這些細節提高了爆破壓力和故障預測的精度。

精度的一個重要推動因素是壓實模擬，它模擬了纖維絲束在纏繞過程中的變形和固結。在復合壓力容器中，尤其是纖維纏繞式COPV，制造過程中的壓實遠非均勻。由于每一層都纏繞在彎曲的幾何形狀上，尤其是在圓頂區域，因此接觸壓力、纖維路徑和層一致性會發生顯著變化。這導致整個層壓板的纖維體積含量（FVC）/FVF不均勻，進而影響剛度、強度和失效行為。

逐層壓實模擬不是假設恒定值，而是有助于得出整個船舶的真實局部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分布納入結構仿真中，可以產生實際層壓板的更具代表性的剛度和強度曲線，從而能夠更準確地預測機械性能和失效行為，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，這實現了更智能的設計優化，去除了不必要的材料，降低了成本并增強了安全性。

過程中填料含量控制

對于儲罐制造商來說，優化的設計取決于其在實際規模生產中生產的能力。因此，可制造性設計（DfM）是優化儲罐設計的一個關鍵方面。這需要在設計早期考慮卷繞工藝限制和變量，并做出潛在的調整以適應生產方法。這也意味著在收卷過程中收集準確的數據以反饋到仿真中。

使用絲束預浸（預浸漬纖維絲束）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合材料儲罐和COPV生產的大部分。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增加不必要的重量（和成本），而不會增強結構。此外，樹脂含量超過纖維粘合所需的樹脂會延長固化時間。相反，樹脂吸收不足會導致干點、纖維潤濕不良和內部空隙，從而降低層壓板的機械性能和可靠性。

CIKONI的專利系統監測壓力容器濕細絲纏繞中的樹脂吸收，并動態調整樹脂浴參數以保持最佳浸漬。

目標是在整個船舶中始終如一地實現目標FVF（通常約為60%），確保最佳結構完整性和最少的浪費。傳統上，制造商通過調整樹脂粘度、浴槽溫度、刮刀位置產生的樹脂間隙和拉動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將纖維壓縮在一起，從而擠出多余的樹脂，從而產生具有更高FVF的更緊湊的層壓板。相反，如果張力太低，纖維可能會將額外的樹脂帶入層壓板。因此，適當控制張力和速度也是實現最佳層壓板質量的關鍵。

為了幫助監控這些變量并將數據提供到盡可能準確的模擬中，CIKONI開發了一種正在申請專利的過程質量控制系統，該系統可在濕式卷繞過程中持續測量樹脂含量。這種基于傳感器的系統能夠實時檢測樹脂吸收波動，并動態調整樹脂浴參數（如刮刀位置、纖維張力和拉動速度）以保持最佳浸漬效果。結果是穩定且浸漬良好的層壓板，整個結構的FVF控制在設計目標上。通過關閉過程監測和控制之間的循環，CIKONI的系統確保了可預測的層壓板質量，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。

在線光纖對準和質量監控

Composite Winding Process Watch（CWPWatch）使用傳感器和光學檢測在復合材料壓力容器生產過程中實時監控光纖對準、間隙和重疊。

即使擁有最好的設計和工藝控制，在制造過程中仍可能發生質量變化— 纖維錯位、皺紋或間隙會削弱壓力容器并導致返工或報廢。因此，過程質量監控至關重要，尤其是對于自動纖維纏繞和牽引預絲纏繞。CIKONI 通過技術套件解決了這個問題——最初稱為DrapeWatch，用于監控預成型過程中的織物懸垂——現在作為復合卷繞過程手表（CWPWatch）適用于卷繞。該系統使用傳感器和光學檢測在生產過程中實時觀察光纖放置。

CWPWatch動態監控光纖卷繞，檢查粗紗通道之間的光纖角度、寬度、重疊和/或間隙的偏差。如果檢測到錯誤，系統可以提醒作員，甚至自動調整過程。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層下。這可以顯著減少廢品和返工，因為缺陷可以在現場糾正，而不是在最終檢查中發現。

這種實時監控的好處是多方面的：

• 確保每個水箱都符合設計意圖，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— 更少的報廢儲罐意味著更低的每個合格零件的總成本。

• 有助于工藝優化，將數據反饋到設計和仿真循環中— 例如，生產中記錄的纖維取向可以直接反饋到仿真中。

制造和設計之間的這種閉環意味著仿真模型可以使用“竣工”纖維路徑進行更新，從而提高其未來設計迭代的準確性。隨著時間的推移，這種學習循環會使產品和流程更加穩健。此外，將制造時的幾何形狀和偏差集成到仿真中對于評估結構對工藝變化的敏感性也很有價值，這有助于定義穩健的制造公差，而不會過度限制生產。

像 CWPWatch 這樣的質量監控系統是復合材料制造中工業4.0更廣泛趨勢的一部分，其中傳感器、視覺系統和AI輔助數據分析被用于實現零缺陷生產。對于COPV制造商來說，通過確保一致的產品性能（認證的關鍵）和降低非質量成本，投資于此類技術可以獲得回報。通過捕獲可能導致復合材料壓力容器在爆破測試期間失效的纖維放置錯誤，該4.0系統不僅可以節省該儲罐，還可以節省測試失敗后的停機時間和調查。

總之，復合壓力容器在航空航天、國防、能源和地面運輸等高價值行業中已變得至關重要。隨著行業需要更輕、更高效、成本更低、安全且更可持續的系統，這些應用所需的精度水平不斷提高。使用各種工具進行高保真多學科、多尺度仿真可實現這種級別的預測準確性。但是，通過將這種方法與傳感器和實時監控相結合，可以進一步創造價值，這不僅可以保證質量，還可以將“制造時”數據反饋到模擬中，并確保優化的儲罐可以按設計制造和運行。目標是幫助滿足當前的行業需求，并生產安全、輕便的加壓復合儲罐，自信地滿足目標成本和規模要求。