氢动力飞机热塑性复合材料储氢瓶纤维铺放工艺限制及厚度叠加优化探索

摘要

氢动力飞机作为清洁能源航空运输的前沿探索，对储氢系统的轻量化提出了更高要求。热塑性复合材料（T700/PEEK）因其高强度、易加工和可回收特性，成为储氢瓶的理想材料。然而，自动化纤维铺放（AFP）过程中，封头区域纤维易屈曲断裂，且极孔处厚度堆积问题显著。本文基于微分几何理论，建立了无皱铺放轨迹算法，定义了纤维重叠率，并通过调整椭球比优化封头曲面几何，发现长椭球结构可有效减少极孔处厚度叠加，为氢动力飞机储氢瓶的轻量化设计提供理论支持。

关键词：储氢瓶封头；热塑性预浸料；纤维铺放；结构优化

1. 引言

氢动力飞机是航空业实现碳中和的关键路径之一，其储氢系统需满足轻量化与高强度双重要求。热塑性复合材料（如 T700/PEEK）凭借高韧性、抗冲击性及可快速成型的优势，成为储氢瓶的首选材料。然而，AFP 工艺（图1）中纤维在封头区域易因曲率突变发生屈曲，且极孔处厚度堆积问题严重制约储氢瓶性能。现有研究多聚焦于工艺参数优化或铺放头设计，但对纤维变形与曲面几何的协同优化仍需深入。本文通过建立无皱铺放轨迹算法，结合椭球比参数化设计，探索封头曲面几何对纤维重叠的影响规律。

图 1. 自动纤维铺设

图 2. 热塑性预浸料因无法变形而产生的皱纹

2. 理论模型与方法

2.1 微分几何基础

封头曲面采用旋转椭球模型，其参数方程为：

式中，T和M为椭球半轴长度，z为轴向距离，r为径向半径。通过计算曲面的测地曲率Kg和高斯曲率K，建立纤维铺放的几何约束条件。

2.2 纤维变形模型

基于梁弯曲理论，推导纤维丝束的变形极限：

式中，w为丝束宽度，Rmin为最小弯曲半径。结合微分几何方程，建立无皱铺放条件：

2.3 自然路径算法

通过离散曲面为局部可展区域，连接各区域测地线形成自然路径，确保纤维以最小变形铺放。该算法通过迭代生成纤维轨迹，减少极孔处重叠缺陷。

3.实验设计与结果

3.1椭球比参数化设计

设计长椭球( T >M ）与扁椭球 ( T < M ）系列样本，椭球比m = T / M分别为 1.0、1.2、1.4、1.6、2.0。固定极孔半径 75 mm，计算不同椭球比下纤维铺放轨迹。

3.2重叠率与厚度计算

定义重叠系数r为缺陷面积与单丝面积之比：

 总厚度堆积公式为：

 式中，t为单丝厚度（0.17 mm）。

3.3结果分析

• 长椭球：随m增大，极孔处间隙从 - 3.7 mm 降至 - 3.0 mm，r从 19.1% 降至 11.8%，Tr从 0.202 mm 降至 0.190 mm（表 1）。

表1. 具有不同椭圆率的长椭圆体样品 

图3. 长椭球不同椭球比时铺设角α沿轴向的变化

• 扁椭球：变化不显著（表 2），表明扁椭球对厚度堆积优化效果有限。

表2. 具有不同椭球率的扁椭球样品

图4. 扁椭球不同椭球比时铺设角α沿轴向的变化 

总体而言，为了减少头部厚度积累，最大限度减少应力不连续与集中的发生，实现轻量化、高强度设计，长椭球比扁椭球具有更大的应用和研究价值。

4.讨论

长椭球结构通过增大椭球比，显著降低了极孔处纤维重叠，其力学性能接近半球形封头，且轴向高度更浅，适合轻量化设计。相比之下，扁椭球因曲率变化平缓，对重叠改善作用较小。未来需结合有限元分析验证其强度可靠性。

本文提出的无皱铺放算法与椭球比优化策略有效解决了热塑性复合材料储氢瓶封头区域的纤维屈曲与厚度堆积问题。长椭球结构在工艺性和轻量化方面表现更优，为氢动力飞机储氢系统设计提供了新思路。

原始文献：

Xiaolong Yu, Dajun Huan, Jun Xiao, Yong Li, Exploration of processability limitations of fiber placement and thickness stacking optimization of thermoplastic composite hydrogen storage cylinders for hydrogen-powered aircraft, Aerospace Traffic and Safety, Volume 1, Issues 2–4, 2024, Pages 119-130, ISSN 2950-3388, https://doi.org/10.1016/j.aets.2024.12.002.

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950338824000226)