摘要：纖維纏繞（FW）是復合材料壓力容器（CPV）的傳統(tǒng)制造工藝，但其無法便捷切斷和重啟纖維束的缺陷，限制了鋪層構型優(yōu)化與選擇性增強能力。自動纖維鋪放（AFP）技術可彌補該局限，卻存在工藝復雜、效率偏低、材料與設備成本高昂的問題。本研究基于文獻數(shù)據(jù)與行業(yè)調研，采用蒙特卡洛模擬方法，對比年產(chǎn)量10,000件工況下，車用、客/貨車用及管式拖車用三類CPV采用FW與AFP工藝的相對成本差異，核算范圍涵蓋復合材料、耗材、鋪層、固化、極靴及人工等環(huán)節(jié)。結果表明，在最優(yōu)工藝配置下，受窄帶預浸料高成本影響，AFP工藝最低成本為FW工藝的1.77倍；若僅從制造成本角度實現(xiàn)成本持平，AFP需使容器質量較FW基準值降低57.39%~63.22%，該目標在技術層面不具備可行性。

關鍵詞：自動纖維鋪放；纖維纏繞；復合材料壓力容器；成本分析；儲氫；碳纖維

1 引言

復合材料壓力容器（CPV）廣泛應用于汽車、航天航空領域的氫能及其他能源載體儲運，核心優(yōu)勢在于輕量化與耐腐蝕性。目前絕大多數(shù)CPV采用纖維纏繞（FW）工藝制造，其原理是將浸漬樹脂的連續(xù)纖維束在張力作用下纏繞至旋轉芯模，通過纖維定向排布實現(xiàn)結構強度優(yōu)化。但FW工藝存在顯著局限：纖維帶難以便捷切斷與重啟，易造成材料浪費，且無法實現(xiàn)復雜的局部增強鋪層設計。

自動纖維鋪放（AFP）技術作為替代方案應運而生，其核心原理是通過加熱與輥壓裝置，將精密窄帶纖維帶直接鋪覆于模具表面，具備完整的材料切斷-續(xù)鋪能力，可實現(xiàn)高度靈活的鋪層設計。美國能源部氫能計劃曾采用FW/AFP混合工藝，較純FW工藝的Ⅳ型儲氫罐實現(xiàn)32%減重；CCTD項目中，AFP技術用于制造大型低溫燃料儲箱，目標是較鋁鋰合金儲箱降低30%成本。本團隊前期也已驗證AFP技術在高壓CPV制造中的可行性。

當前針對AFP替代FW的經(jīng)濟可行性研究仍存在空白。現(xiàn)有研究顯示，AFP成本效益與構件尺寸相關，更適用于大型部件，但CPV體積小、曲率高，與航空領域AFP典型應用差異顯著，可能削弱其成本優(yōu)勢。現(xiàn)有CPV成本研究多聚焦純FW工藝，均發(fā)現(xiàn)容器壓力與成本呈非線性關系。圖1為年產(chǎn)量100,000件時70MPaⅣ型CPV的典型成本構成，可見碳纖維是主要成本來源。美國能源部與Houchins等的研究雖涉及混合工藝或AFP成本，但未覆蓋全流程工藝變量。

圖1

本研究基于MATLAB開發(fā)集成蒙特卡洛模擬的流程型成本模型，針對車用、客/貨車用、管式拖車用三類CPV，在年產(chǎn)量1~10,000件范圍內，結合多組材料、設備及工藝參數(shù)核算歸一化成本。模型輸入數(shù)據(jù)主要來自行業(yè)供應商，先評估FW與AFP的典型基準方案，再通過引入替代材料、優(yōu)化固化周期等降本措施，明確AFP具備成本競爭力的場景，最終結合技術成熟度分析其商業(yè)化可行性。

2 模型范圍與假設

精準預測假設場景下的產(chǎn)品成本需明確模型范圍與假設以限定分析邊界。成本模型涵蓋的影響因素，將成本劃分為復合材料、耗材、鋪層、固化、極靴、人工六大類，容器建模為“復合材料本體+兩端極靴”的結構，經(jīng)FW或AFP鋪層后輔以耗材完成固化，鋪層與固化階段均計入人工成本。

部分參數(shù)未納入分析，包括輔機系統(tǒng)、設計分析、廠房空間、檢測、庫存、固化前準備人工、設備維護及運輸成本，原因是這些成本與具體生產(chǎn)工況強相關，且假設FW與AFP工藝下無顯著差異。同時假定生產(chǎn)體系成熟穩(wěn)定、兩種工藝技術均已定型且缺陷率低；模型不區(qū)分容器類型，與芯模/內襯/模具方案無關；未考慮因工藝性能優(yōu)勢帶來的運維階段成本差異。需注意，模型輸入成本的數(shù)量會影響最終容器成本絕對值及工藝間成本差異率，結論需結合具體輸入?yún)?shù)解讀。

3 成本模型核心原理

本研究在MATLAB中構建成本模型，單臺容器成本為六大類成本之和，部分成本項存在工藝特異性。鑒于多數(shù)成本輸入?yún)?shù)存在不確定性，模型采用蒙特卡洛算法，基于三角分布為各參數(shù)隨機賦值。三角分布由參數(shù)的期望值、最小值、最大值構建（見圖2），相較于常用的PERT分布，三角分布未對極值賦予更低權重，因本研究缺乏足夠歷史數(shù)據(jù)，無依據(jù)弱化極值影響。每個測試案例均運行100,000次模擬，生成容器成本分布。

圖2

核心成本構成原理如下：設備小時費率需匯總設備資本性支出與運營性支出，再除以年工時計算；復合材料與耗材成本基于容器質量、表面積及材料損耗率核算，不同工藝（濕法/預浸料、熱壓罐/OoA固化）的耗材類型與成本構成存在差異；鋪層成本與固化成本均需結合設備數(shù)量、工藝時間、設備費率與利用率計算，熱壓罐固化需額外考慮氮氣成本；極靴成本為鋁合金材料與機加工成本之和；人工成本分為鋪層與固化兩部分，按對應工序時間與人工費率核算。

4 測試容器設計與輸入?yún)?shù)

本研究選取車用、客/貨車用、管式拖車用三類CPV開展測試（見圖3）。車用容器參考豐田Mirai燃料電池車的70MPa儲氫罐；客/貨車用容器壓力35MPa，尺寸參考現(xiàn)有系統(tǒng)；管式拖車用容器工作壓力25MPa，需適配40英尺標準集裝箱。

圖3

車用容器極孔直徑參考文獻并按比例縮放至其他型號；容器質量通過FW專用軟件WoundSIM計算，先基于網(wǎng)格理論確定層合板總厚度，再優(yōu)化螺旋纏繞角以實現(xiàn)封頭全覆蓋與厚度均勻性，設計壓力安全系數(shù)按ISO 11119-3:2020取3。層合結構參考Nebe等提出的“BC”序列，組合低角度螺旋層、高角度螺旋層與環(huán)向層。容器復合材料密度取1548.5kg/m3，對應濕法纏繞與預浸料的質量。

輸入?yún)?shù)綜合文獻數(shù)據(jù)與行業(yè)調研，成本均換算為2024年5月美元匯率，老舊數(shù)據(jù)已做通脹修正，完整數(shù)據(jù)見關聯(lián)的Mendeley數(shù)據(jù)集。關鍵參數(shù)說明如下：固化設備調研多規(guī)格熱壓罐與烘箱，車用、客/貨車用容器可多臺批固化，管式拖車容器因尺寸過大無法批固化；選取三種材料體系，采用高供應市場的典型價格；FW工藝沉積速率參考行業(yè)標準，AFP設置高速與低速兩個檔位；假設AFP容器可實現(xiàn)0%或20%的減重，參考現(xiàn)有研究成果。

5 結果分析

本研究模擬多組參數(shù)組合，對比不同產(chǎn)量與工藝場景下的成本差異，AFP設置四種構型（高低沉積速率、有無減重），測試場景包括基準方案與三類優(yōu)化方案。

基準場景為濕法FW與窄帶預浸料AFP（單臺獨立固化），圖4為年產(chǎn)量10,000件時歸一化成本，可見所有構型下FW成本均顯著低于AFP：高速+減重AFP成本優(yōu)勢最明顯，但三類容器成本仍分別高出FW 60.4%、83.7%、104.7%；低速+標準質量AFP成本差異最大。車用容器因復合材料用量最少，成本最接近持平；管式拖車容器差異最大。成本曲線的“鋸齒”形態(tài)源于設備利用率變化，10,000件/年時各案例均達成本穩(wěn)態(tài)。圖5為基準場景的成本構成，復合材料為核心成本項，耗材成本占比可忽略。

圖4

圖5

為進一步探索AFP工藝的成本優(yōu)化空間，本研究額外設置三類優(yōu)化場景開展模擬分析。在批次固化場景中，針對車用、客/貨車用容器采用多規(guī)格熱壓罐/烘箱進行批量固化處理，結果顯示該方式雖能有效降低所有工藝構型的成本，但同時也擴大了AFP與FW之間的成本差距。束狀預浸料工藝場景下，分別測試了熱壓罐固化與OoA（非熱壓罐）固化兩種模式：束狀預浸料雖可提升沉積速率，但受其更高材料成本的影響，僅車用、客/貨車用FW工藝成本維持在基準值及以下，工藝間成本差距有所縮??；而OoA固化相較于熱壓罐固化，可使車用、客/貨車用容器成本實現(xiàn)小幅下降。多軸FW場景中，為車用、客/貨車用FW工藝配備雙軸纏繞機，結果表明雙軸配置僅能使FW成本小幅降低，所有AFP構型的成本仍顯著高于FW工藝。

6 討論

所有模擬場景中，AFP均未實現(xiàn)與FW的成本持平或反超，最優(yōu)工藝配置下，三類容器AFP最低成本分別為FW的1.77倍、1.82倍、1.86倍。圖6為各場景成本匯總，AFP成本降幅最大的節(jié)點為批次固化，其次是OoA固化；管式拖車容器因材料用量大，對AFP參數(shù)最敏感。

圖6

工藝成本差異的核心驅動因素是材料成本，窄帶預浸料中位價為束狀預浸料的2.31倍，該差距無法通過AFP減重抵消。若AFP可兼容束狀預浸料，材料成本差異將消除，其質量優(yōu)化潛力有望覆蓋設備成本劣勢。圖7為最優(yōu)場景的成本構成，復合材料成本占比進一步提升。圖8顯示AFP實現(xiàn)成本持平所需減重量為57.39%~63.22%，遠高于現(xiàn)有技術水平；大型容器若能實現(xiàn)高沉積速率，可降低減重需求。

圖7

圖8

除成本外，AFP的技術優(yōu)勢也需納入考量：在航天航空等輕量化優(yōu)先領域，AFP雖成本高但仍具應用價值；汽車等大批量領域則更適合FW的高沉積速率。此外，AFP的柔性可實現(xiàn)容器與其他部件的集成設計、關鍵區(qū)域局部增強，或制造超大尺寸容器。

7 結論

本研究開發(fā)基于蒙特卡洛模擬的流程型成本模型，對比FW與AFP制造三類CPV的相對成本，得出以下結論：基準場景下，AFP成本為FW的1.6~2.95倍，復合材料是成本主導因素；批次固化等降本措施未能扭轉AFP的成本劣勢，即使假設AFP容器減重20%仍不具備競爭力；車用容器成本最接近持平，管式拖車容器差距最大；AFP實現(xiàn)成本持平需減重57.39%~63.22%，遠超現(xiàn)有技術水平；大型容器若能實現(xiàn)高沉積速率，可降低減重需求。

未來研究需進一步明確AFP在CPV構型下的實際減重潛力與沉積速率，驗證束狀預浸料與AFP的工藝適配性，若實現(xiàn)兼容，AFP有望在材料成本趨同后結合輕量化優(yōu)勢成為經(jīng)濟型方案。