高壓氣瓶的案例
高壓氣瓶結構設計與仿真及試驗研究
摘 要：高壓制冷裝置通過管路給紅外探測器供氣制冷，將探測器元件冷卻至低溫或深低溫，使熱成像系統正常工作。高壓氣瓶為高壓制冷裝置儲存和提供高壓氣體，是高壓制冷裝置的主要組件。詳細闡述了高壓氣瓶的結構設計方法并進行不同載荷的仿真試驗，同時根據拉梅公式對氣瓶的爆破形態進行理論分析，最后通過瓶體爆破試驗加以驗證。
關鍵詞：紅外探測技術;制冷氣瓶;拉梅公式;爆破形態;仿真驗證;
0 引言
紅外熱成像制冷技術是指通過物理或化學的手段將探測器元件冷卻至低溫或深低溫的技術[1],其目的一方面能夠保證電子器件與系統功能的正常，提高元器件的靈敏度，另一方面可以屏蔽或減少來自熱成像系統的濾光片、擋板及光學系統本身帶來的熱噪聲[2]。
高壓制冷裝置是紅外熱成像制冷技術的一種常用的物理制冷方法，能夠給紅外探測器制冷，低溫環境可降低紅外探測器的噪聲，提高探測器的靈敏度和分辨率[3]。高壓制冷裝置的主要結構為高壓制冷氣瓶，瓶體內部儲存著高壓氣體。
1833年法國巴黎大學教授G.拉梅(Lame)和克拉伯龍(Clapeyron)根據彈性理論，推導出了厚壁圓筒在受到內外壓強作用時任意半徑處的三向應力計算公式，即拉梅公式(Lame formula),為壓力容器的結構設計提供了理論基礎，促進了壓力容器的發展，使得壓力容器廣泛應用于各個行業[4]。
高壓容器的可靠性設計越來越受到人們的重視[5,6,7],在設計過程中應保證結構強度的可靠性與安全性、高壓氣體流通部位的密封性以及氣瓶材料的綜合力學性能等。
展開 庭田科技攜手某新媒體平臺Cadfil軟件助力高壓儲氫氣瓶纖維纏繞技術
而氫燃料電池汽車的關鍵部件之一便是高壓儲氫氣瓶，它的技術水平直接影響著汽車的續航能力。
1.2 庭田科技與某新媒體平臺的合作
庭田科技作為Cadfil在中國的總代理，始終致力于為國內企業提供最先進的氫能相關技術。近期，庭田科技與某新媒體平臺達成合作，共同推廣和普及基于Cadfil軟件的儲氫高壓復合材料氣瓶纖維纏繞技術。為了讓更多行業內人士了解并掌握這一技術，庭田科技將與某新媒體臺共同舉辦線上公開課。
1.3 課程內容介紹
庭田科技邀請到了Cadfil軟件專家（高級攻城獅）為大家講解這一技術。在這次公開課中，Cadfil軟件專家將為大家詳細介紹IV型高壓儲氫氣瓶的結構及應用，以及如何利用Cadfil軟件進行氣瓶纖維纏繞仿真。課程內容將涵蓋以下幾個方面：
1）IV型高壓儲氫氣瓶的結構與特點
2）纖維纏繞技術在儲氫氣瓶上的應用
3）Cadfil纖維纏繞軟件的功能及應用領域
4）基于Cadfil軟件的氣瓶纖維纏繞仿真實例演示
圖一 典型IV型高壓儲氣瓶結構示意圖
1.4 課程收益與合作展望
參與這次線上公開課的企業和個人將在Cadfil軟件專家的指導下，學習到實用的纖維纏繞技術和Cadfil軟件操作技巧，深入了解纖維纏繞技術在高壓儲氫氣瓶制造中的關鍵作用，以及如何利用Cadfil軟件進行高效、精確的纏繞仿真，更好地掌握IV型高壓儲氫氣瓶的設計與制造技巧，這將有助于提高企業在氫能產業的競爭力，為氫能產業的發展提供強大技術支持。
展開 纖維纏繞復合材料高壓氣瓶設計
設計內容:1)進行封頭、容器強度及金屬接嘴的強度設計;2) 在滿足強度的前提下，以質量最輕為目標，進行優化設計;3)采用計 算機模擬氣瓶的承壓性能; 4)其他你認為有益的設計內容。
某航一飛機誤放滑梯！
滑梯本身如無破損，還需恢復所配備高壓氣瓶規定的壓力，將滑梯折疊復原。整個過程極其嚴謹復雜，滑梯折疊打包成型后，還需用專門的重物施壓使之達到標準尺寸，僅該流程就需4-5天。人工、材料、設備航材等損失加起來不下幾萬元。事實上，乘客也有可能會意外釋放滑梯。
總之
以后咱們上了飛機都要遵守秩序,
防止誤放滑梯之類的事件，
方便自己也方便他人!
周樹輝 等：高壓氣態儲氫技術形勢分析
圖2 技術聚焦區塊圖
將技術板塊做成趨勢圖，如表2所示，近20年間，“壓力容器，如氣瓶、氣罐、可替換的筒”和“容器或容器裝填排放的零部件”兩個技術方向的申請專利數量遠遠領先于其他技術，故高壓氣態儲氫技術是目前主流的研發方向，前景廣闊。
表2 技術申請趨勢
1.2.2 關鍵技術構成
從最近5000條專利中提取語義關鍵詞和主題詞，做成旭日圖，如圖3所示，外層的關鍵詞是內層關鍵詞的進一步分解
[5]。內層主流技術領域分別為“高壓氫”“壓力容器”“儲氣瓶”“復合材料”“支撐結構”“壓力傳感器”等；對技術進行分解，得到外層細分技術領域分別為“高壓容器”“高壓氣瓶”“密封結構”“碳纖維”“儲氫瓶”等，既是當前研究最熱門的方向，也是行業重點關注的技術領域。了解高壓氣態儲氫領域內比較詳細的技術聚焦點及細分領域，為知識產權布局工作提供參考。
展開 Abaqus纖維纏繞模擬之“草木皆可為劍”
“走馬機”編織過程
隨著人們對輕量化的追求，復合材料在工程上越來越得到重視，碳纖維纏繞成型結構是比較常見的一種，比如某些油箱、高壓氣瓶、槍炮管、導彈結構、火箭發動機殼體等，具有很高的比強度和比剛度，目前碳纖維纏繞成型工藝越來越成熟，這種結構也正在快速地應用于體育器材、交通工具和醫療器械等民用產品。
纖維纏繞增強技術
碳纖維纏繞成型系統中的纏繞機有著類似于“走馬機”的運行原理，一股股絲線錯綜復雜，運行起來讓人眼花繚亂。
02—Abaqus纏繞模擬之“草木皆可為劍”
無論采用什么工具進行問題分析或仿真模擬，一個核心思想就是抽象簡化，只要找到復雜系統中最重要的、最簡單的組分，然后把這部分的基礎問題剖析透徹，那么上一層級的問題就迎刃而解。
“草木皆可為劍”
要模擬“走馬機”絲線纏繞也是這樣的過程，我們只需要對最重要、最簡單的那一部分進行剖析、建模就可以了。
“走馬機”Abaqus模型里最簡單的組分
簡單組分的圓形陣列
“走馬機”原理：導向環往復+圓周運動的復合運動
Abaqus纖維纏繞模擬
通過抽象思考進行仿真建模，用最簡單的組分模擬復雜的過程，此為有限元仿真模擬之“ 草木竹石皆可為劍”。
展開 氧氣流量計用于監測醫用中心供氧流量情況以保證患者的用氣安全
它的原理是通過管道將氧氣輸送到病房內的病人或病房的區域進行使用；在一個區域內實現多臺機器同時工作；并且能夠根據病人的需要調節流量的大小等；另外還具備有報警功能等一些特殊的功能目前國內大部分醫院的中心供氧系統都采用雙路設計，即一路為醫用空氣源（一般為壓縮機制冷式）另一路為醫用氧氣源（一般為高壓氣瓶制取）。這種配置方式主要考慮的是兩路的壓力平衡及安全性的問題。雖然中心供氧系統自身的安全性還是非常有保障的，但是在吸氧時也有很多的注意事項。
氣體系統輸出的壓力過高過低將造成巨大的安全隱患。于護士站安裝區域報警器，能讓管理人員不僅對在氣體供應中心生產的氣體流量、壓力的計量監控以及病房氣體的使用情況監控數據，可以準確的了解氣體的使用情況，在數據超過壓或低壓時及時處理問題。目前，醫用中心供氧系統中氧氣流量計的安裝除了需要院方核算流量外還需要到安裝流量計處查看，遇到核算整個醫院流量，需要到每一個氧氣流量計處記錄數據，再通過人工計算出醫院使用流量及成本，費時費力效率低下。而長期運用長期的運用期間常常讓氧氣流量計形成太高的溫度，氧氣流量計長期位于太高的溫度條件下會不利于氧氣流量計的流量數據采集性能，還會在很大層面上會增快氧氣流量計的退化速率，以此降低氧氣流量計的應用年限，為解決氧氣流量計的應用年限，降低氧氣流量計位于太高的溫度條件下的時間間隔大小在此工采網推薦使用美國Siargo 數字式氧氣吸入器 氧氣流量計 - MF5806。
美國Siargo 數字式氧氣吸入器 氧氣流量計 - MF5806系列采用本公司自主研發的微機電系統（MEMS）流量傳感芯片來制作，適用于醫用中心供氧系統、供急救給氧和缺氧吸入用。LC D數字顯示提供瞬時流量、累計流量和用氧時間，直觀簡便。可以幫助醫生更準確的判斷病人的吸氧量。自動歷史數據存儲、用氧量數據統計。其精度高、量程范圍大。
展開 氣體質量流量計的工作壓力范圍是多少？
布瑯軻鍶特Bronkhorst-氣體質量流量計：https://www.bronkhorst-china.com/
壓力范圍的多樣性：從真空到高壓
我們需要明確一個概念：質量流量計（MFM）和質量流量控制器（MFC）通常設計用于在特定的壓力下工作，但耐受壓力（最大工作壓力）往往遠高于最佳測量壓力。
對于布瑯軻锳特的主流產品系列，工作壓力范圍呈現出極大的跨度：
低壓與真空應用：
在半導體刻蝕、薄膜沉積等工藝中，氣體往往需要在真空或極低壓力下輸送，布瑯軻锳特的很多熱式質量流量計（如EL-FLOW Select系列）能夠支持從絕對零壓（真空）起步的測量，這意味著即使在系統啟動抽真空階段，儀表也能安全運行而不受損，典型工作壓力下限可達0 bar (abs)。
常規工業壓力：
大多數通用型氣體質量流量計的標準工作壓力范圍通常在0.5 bar至20 bar (g) 之間，在這個區間內，儀表能夠提供最高的測量精度和最佳的線性度，例如常見的實驗室用氣路系統，壓力多維持在幾巴以內，這正是此類儀表的“舒適區”。
高壓特殊應用：
針對加氫站、高壓氣瓶充填、超臨界流體萃取等特殊場景，布瑯軻锳特提供了專門的高壓系列（如HIGH-TECH系列），這些儀表經過特殊加固設計，最大工作壓力可高達400 bar甚至700 bar，在這種極端壓力下，普通的流量計可能會發生形變導致測量失效甚至爆裂，而專用高壓儀表則能確保持續穩定的高精度控制。
影響壓力范圍的關鍵因素
為什么不同型號的壓力范圍差異如此之大？
展開 天然氣還可以這樣儲存，你了解嗎？
壓縮天然氣的生產運輸，是將低壓的天然氣增壓至20一25MPa，用高壓氣瓶組車通過公路運輸至使用地，再經過輸配站將高壓的天然氣減壓到1.6MPa，最后進入儲罐或者經過進一步減壓后進入城市管網。
每種儲存技術都有自身的特點，要根據氣源情況、城市規劃等方面，做技術經濟比較后，選擇經濟合理、安全可靠的方式。
應用多元化 國產貨發力 碳纖維產業正在發生哪些變化？
中材科技（成都）有限公司技術中心主任 米寬
中材科技（成都）有限公司技術中心主任米寬介紹到，氣瓶是汽車、化工、機械、航天、造船、海洋開發等領域普遍采用的一種主要的儲氣壓力容器，復合氣瓶是氣瓶中的一種重要形式。復合材料氣瓶是在金屬或者非金屬內膽上環纏繞和全纏繞纖維材料組合結構的纏繞氣瓶。與金屬容器相比，復合材料氣瓶重量輕，纖維材質的比強度高，在減輕重量的同時提高氣瓶的承載能力。工作壓力越高重量優勢越大；對于35MPa、70MPa等高壓力儲氫氫氣瓶一般考慮使用碳纖維全纏繞復合氣瓶，即type Ⅲ和type Ⅳ氣瓶。此外，碳纖維復合材料氣瓶還具有耐環境性能好，使用壽命可達30年（玻璃纖維的使用壽命一般為15年），安全性高，具有爆破前先泄漏的疲勞失效模式等特點。米寬認為，隨著新能源汽車的不斷發展特別是氫能源汽車的發展，高壓復合材料氣瓶的需求量隨之增加，由于type Ⅲ和type Ⅳ氣瓶壓力高、重量輕等優勢，其占比亦會不斷提高。
江蘇澳盛復合材料科技有限公司博士 趙清新
2017年，全球累計碳纖維（含制品）需求共計84200噸，其中大絲束(24K以上)的碳纖維需求量達到34900噸，占比達到42%。應用到風電葉片的大絲束碳纖維需求量達到19800噸，占到了全球總需求的23%，增長趨勢明顯。據介紹，碳纖維的風電應用方式可以分為：大克重預浸料、碳纖維織物和加固碳板。江蘇澳盛復合材料科技有限公司博士趙清新表示，使用碳纖維風電葉片具有多種優勢，例如：可使風機葉片做的更長、發電功率更大，電機重量相應減輕，輔助設施也可以相應瘦身，運輸、安裝等難度降低，費用減少等。
展開 基于PLC的閥門生產線控制系統設計與仿真分析
[3] 劉曉超,周永強,張艷麗,等.高壓氣瓶熱處理自動生產線爐溫控制系統的研究[J].機電工程技術,2019(7):118-120.
[4] 徐文祥,李金良,楊焱,等.計算機控制技術在工業自動化控制系統中的應用[J].新型工業化,2018(7):47-48.
[5] 孫云飛.工業自動化控制DCS系統維護技術分析[J].新型工業化,2022(8):12-13.
[6] 楊振波.基于PLC的自動化包裝生產線集成控制系統設計[J].自動化技術與應用,2022(4):5-6.
[7] 馮玉龍,李楊.基于PLC和MCGS工控組態軟件的空氣壓縮機自動控制系統設計[J].現代電子技術,2021,44(13):111-114.
[8] 曾明輝,談宏華.基于PLC的連續氧化過程控制系統設計[J].自動化與儀表,2021,36(4):35-39.
[9] 王彬.基于PLC的柔性生產線溫度自動化測控系統設計[J].沈陽工程學院學報(自然科學版),2021,17(2):38-43.
文章來源 造紙裝備及材料. 2022,51(12)
展開 
連續纖維增強熱塑性復合材料工藝及應用
4、其他待開發應用領域
高鐵、船舶、風機葉片、高壓氣瓶等
六、結束語
連續纖維增強熱塑性復合材料在我國發展較晚，第一條真正意義上量產的連續玻璃纖維增強PP單向帶生產線在09年正式投入生產。經過9年的發展，國內企業已經完全掌握了連續玻璃纖維增強熱塑性樹脂單向帶、0/90°層合板、熱塑性蜂窩板產品的技術核心，產品無論從質量還是價格都可以與國外同行直接競爭。
但是以連續碳纖維和芳綸纖維作為增強材料的先進熱塑性復合材料（如連續碳纖維、玻璃纖維、及混編的增強PA6、PA66、PC、PMMA織物等）在2018年之前發展相對緩慢，在近期國內終端市場呈現出活躍的態勢。國內外原材料生產企業、配套的成型設備企業均在國內大力的對終端市場進行宣傳引導。
更高端的連續纖維增強特種熱塑性復合材料（如連續碳纖維的PPS、PEEK單向帶等）在國內雖然已經有企業在展會上進行展出，但是從展紗的分散性、厚度、浸潤性等還需要重點解決，才能滿足制件的成型要求。
從整個連續纖維增強熱塑性復合材料行業來看，呈現脫節的情況。國內企業更多在研究材料，材料做出來后如何去成型，并不是材料企業的核心能力。但是制件生產企業最關心的就是我有了材料如何去成型。所以導致了很多制件生產企業放棄這種材料的應用。最終迫不得已部分材料生產企業尋求突破轉型去生產最終產品（有的轉型是符合市場需求的），公司產業鏈被拉長，各項負擔增加。
所以連續纖維增強熱塑性復合材料在國內要達到更大的體量，必須解決各種成型的工藝。在國內輕量化、可循環的綠色環保趨勢下，連續纖維增強熱塑性復合材料將會得到行業內的更多認可。
展開 實驗室易發事故類型及防范方法
2、爆炸性事故
爆炸性事故多發生在具有易燃易爆物品和壓力容器的實驗室，釀成這類事故的直接原因是：
① 違反操作規程使用設備、壓力容器(如高壓氣瓶）而導致爆炸；
② 設備老化，存在故障或缺陷，造成易燃易爆物品泄漏，遇火花而 引起爆炸。
③ 對易燃易爆物品處理不當，導致燃燒爆炸；該類物品（如三硝基 甲苯、苦 味酸、硝 酸銨、疊氮化物等）受到高熱摩擦，撞擊，震動等外來因素的作用或其它性能相抵觸的物質接觸，就會發生劇烈的化學反應，產生大量的氣體和高熱，引起爆炸。
④ 強氧化劑與性質有抵觸的物質混存能發生分解，引起燃燒和爆炸。
⑤ 由火災事故發生引起儀器設備、藥品等的爆炸。
3、毒害性事故
毒害性事故多發生在具有化學藥品和劇毒物質的實驗室和具有毒氣排放的實驗室。釀成這類事故的直接原因是：
①將食物帶進有毒物的實驗室，造成誤食中毒(例如：南京某大學一工作人員盛夏時誤將冰箱中的含苯胺的中間產品當酸梅湯喝了，引起中毒，原因就是 因為該冰箱中曾存放過供工作人員飲用的酸梅湯)；
②設備設施老化，存在故障或缺陷，造成有毒物質泄漏或有毒氣體排放不出，釀成中毒；
③管理不善，操作不慎或違規操作，實驗后有毒物質處理不當，造成有毒物品散落流失，引起人員中毒、環境污染；
④廢水排放管路受阻或失修改道，造成有毒廢水未經處理而流出，引起環境污染。
4、機電傷人性事故
機電傷人性事故多發生在有高速旋轉或沖擊運動的實驗室，或要帶電作業的實驗室和一些有高溫產生的實驗室。事故表現和直接原因是：
①操作不當或缺少防護，造成擠壓、甩脫和碰撞傷人；
②違反操作規程或因設備設施老化而存在故障和缺陷， 造成漏電觸電和電弧火花傷人；
③使用不當造成高溫氣體、液體對人的傷害。
展開 《流浪地球》中的逃生氣囊球和馬斯克有什么關系？
成龍大哥嫻熟駕馭雙層球囊太空球
影片中成龍大哥的悠波球充氣使用的是小瓶裝高壓氣瓶，充氣速度稍慢，氣瓶具有一次性，不可重復利用。
可以說劉啟的救生氣囊跟悠波球的結構幾乎完全一樣，那么關鍵技術就在于如何在可穿戴或手持的情況下，快速利用化學反應形成全向包覆的球體結構對人體進行緩沖，這是工程設計的細節，科幻電影自然可以跳過這部分。
劉啟的逃生氣囊球，看似簡單的玩具，通過幾次使用已經完全展示了其技術優點：體積小，便于隨身攜帶；快速充氣展開；球體材料具有一定強度，能抵抗小的碎石沖撞；高空墜落時起緩沖作用。這種充氣展開結構技術在航天領域也有重要的應用，例如——充氣式超低彈道再入系數減速器。
3、充氣式大氣再入減速技術
這是個什么鬼？別急，我們先從去年埃隆·馬斯克吹過的一個牛說起。
2018年4月15日，伊隆?馬斯克在twitter上透露了這樣的消息：“這聽起來會很瘋狂，但…… SpaceX將嘗試用一個巨型派對氣球，把處于軌道速度的火箭上面級帶回來。”
一般人吹的牛就算了，馬斯克說的一定要重視，因為保不齊哪天他就真弄出來了，于是科學家和工程師們開始了一頓暢想。
一個氣球減速傘的概念圖。
展開 爆炸及其作用...
廣義的爆炸包括物理爆炸（高壓鍋、氣瓶等）、化學爆炸（粉塵爆炸、瓦斯爆炸等）和核爆炸（核裂變）。
炸藥的爆炸屬于化學爆炸，其具有明顯的三個特征：1.過程的放熱性；2.過程的高速性并能自行傳播；3.反應過程產生大量氣體。
按照應用炸藥可分為起 爆藥、猛炸藥、發射 藥以及煙火劑等。起 爆藥主要用于起爆猛炸藥，感度高（在很弱的外界刺激下就會發生爆炸）。常見如雷 汞，疊氮化鉛、特屈拉辛等。猛炸藥能量大，威力大、性能穩定，只要在外界強刺激下才會發生爆轟。常用的猛炸藥有TNT、黑 索金、B炸藥、奧克托今等。發射 藥主要用于火箭助推，常見的發射 藥包括硝化棉、硝化 甘油等。煙火劑，通常有氧化劑、有機可燃物和一些金屬粉末以及粘合劑組成。如我們常見的煙花爆竹、照明彈、煙霧劑、信號彈等。
Figure 1 TNT和RDX炸藥
爆炸在軍事上常見的作用有：爆炸戰斗部形成自然/預制破片、爆炸形成金屬射流、爆炸成型彈丸（EFP）等。
Figure 2 自然破片的形成
Figure 3預制破片
Figure 4金屬射流成型
Figure 5 爆炸成型彈丸
爆炸按照爆炸作用場可以分為空中爆炸、水中爆炸、土壤巖石爆炸等。
Figure 6 空氣中爆炸
Figure 7 水中氣泡
Figure 8 土壤中爆炸
展開 