李昌乐，共青团员，男，湖北三江航天江北机械工程有限公司设计员。

本人于2020年毕业参加江北公司以来，主要从事高压容器，复合方面的产品研究及设计工作。先后参与了江北公司在能源撬装设备、复合材料高压储氢气瓶以及各类复合材料产品的预研任务。在几年的工作过程中，也有了一点自身体会，愿与各位同仁分享。

“创新”二字在如今社会常常被提起，读书时撰写论文需要创新，比赛项目需要创新，工作中产品需要创新，研究方向需要创新，可以说创新已于我们紧密相连，各行各业都需要创新。我初参加工作时，便有一项关于高压储氢装置的研制任务，随着氢能源行业的日渐兴起，该设备也已逐渐得到推广应用，公司对于此类产品的研制也是势在必行。

我们在接到这个任务开始，便查阅了大量文献，详细了解产品结构，预测后续可能面临的各项问题。在产品设计方面，鉴于未有相关设计开发经验，万般无奈之下，仅能结合现有市场产品进行推敲，对每项可能涉及产品关键性能的选材及尺寸都要反复揣摩。

高压储氢装置不仅需要承受高达70MPa的内压载荷，同时需要满足质量、安装空间、气密性，以及还应留有连接各种阀门的接口结构等条件要求。传统的高压储氢装置由碳纤维缠绕高压气瓶，阀门以及管路连接件等组成，其中具备储氢功能的碳纤维缠绕高压气瓶是最主要零件之一，在整个装置中高压气瓶重量最重，且占用空间也最大，因此若能减轻高压气瓶的外形尺寸，提高承载能力，则必将极大提升整个装置的性能，其中最重要的就在于气瓶内衬的设计。

传统结构中的高压气瓶一般采用铝合金内衬+碳纤维缠绕层，铝合金质量轻、延伸率高，并且具有不俗的抗疲劳性，然而铝合金强度较低，材质本身也较软，同时焊接时容易形成气孔。原本选用铝合金内衬是当前最理想、技术风险最低的方案，但设计过程中，受装置安装空间影响，气瓶整体外形结构呈现球形。这就给材料选择带来极大麻烦，因为若采用铝合金材料，由于无法焊接，内衬整体旋压成型难度高。同时瓶嘴处需连接螺栓，由于铝合金材质本身较软，螺纹连接阀门无法保证气密性。

图1 内衬结构外形 

因此气瓶内衬的选材便是横亘在项目组成员面前的第一个难题，为解决这个问题，我们筛选了市面上以及国标中各类型气瓶内衬的材料，逐一进行甄别。先后排除了密度较大的合金钢、技术风险较高的塑料及橡胶内衬，最终选择了钛合金这种材料。钛合金材料具有良好的焊接性能，强度也较铝合金更高，但密度也较铝合金更高。为充分发挥钛合金材料的强度，降低内衬质量，项目组成员经过反复理论计算以及有限元计算，将内衬整体厚度削减到只有铝合金内衬原本厚度的1/4，极大弥补了钛合金密度较大带来的劣势。

图2 内衬应力预测

同时针对铝合金焊接性能差，带来的内衬成形工艺选择有限的问题。我们充分发挥了钛合金具有良好焊接性能这一特点，选择了将内衬拆分为四个部分，分别进行模压成形，并组装焊接的方案，这是70MPa高压气瓶内衬从未采用的设计结构。因为若采用焊接结构，焊缝位置强度必然比母材强度低，同时也必然存在应力集中现象，由此将极大降低气瓶疲劳寿命。为解决由焊接工艺带来的种种问题，我们查阅了国标中推荐的各类焊接结构，同时与业内顶尖院所进行技术沟通。最终在反复论证下，我们采用了对焊接结构进行渐变增强，将焊接对接边进行倒角的处理方式。这种焊接结构不仅能抵消由于焊接带来焊缝强度下降，同时还将有效抵消应力集中现象。当前采用这种新型焊接结构的高压气瓶内衬已通过理论计算验证，并完成实物组装，正在等待实验验证。

图3 工作现场绘图

“创新”于个人而言，是对知识的提升、人生的历练；于企业而言，是成功的秘诀、未来的希望；于社会而言，是活力的动能、强盛的基石。在当今这个时代，周围局势环境严峻，各国科技竞争愈加激烈，吾辈年轻人更应奋发，以不断进步、不断创新铺就国家强盛之路！