SIMULIA 一文读懂系列｜驭势而生：借助预测性MODSIM，构筑可持续的绿色氢能新生态
市场对氢能的渴求，正以前所未有的势头席卷全球，它不仅是脱碳伟业的支柱，更是能源格局转型的关键枢纽。氢，作为能量储存与输送的理想载体，蕴藏着无限可能——它既能驱动未来交通，化身为清洁的汽车燃料；也能融入城市脉络，成为取代天然气的供暖新选择。借助电解技术，绿电的涓滴之力皆可化为纯净的氢能。然而，要让这一愿景在经济上落地生根，绿色氢能必须挣脱成本的束缚，并突破储存密度的瓶颈。
在本文中，我们将深入探讨预测性建模仿真一体化（MODSIM）这一前沿范式，如何为新一代氢能技术——从高效电解槽到尖端储氢罐——的研发注入澎湃动力。MODSIM通过构建纤毫毕现的虚拟孪生，让氢能技术的研发得以挣脱物理样机的桎梏，加速前行。在这里，每一个创新的理念都能得到尽情检验，每一个潜在的隐患都能在萌芽状态被洞悉，而这一切都无需承担建造与测试实体原型的巨大时间与经济成本。设计与材料的优化亦可自动完成，如臂使指。将MODSIM的基因融入设计血脉，无疑将大幅削减研发开支，让创新成果更快地走向市场。
何为绿色氢能？
氢，常被誉为绿色能源的明日之星，但其环保成色，实则取决于其诞生之旅。人们常用色彩为氢的生产路径赋予标签。例如，蓝氢与灰氢，皆脱胎于天然气的蒸汽甲烷重整；而黑氢或褐氢，则源自于煤的转化。当前，这些伴随着碳排放的传统工艺仍是制氢的主流。
绿色氢能，则专指那些以零碳与可再生能源为基石孕育而成的氢。其光谱有时亦会延伸，囊括了由核能催生的粉氢，以及由太阳能或混合电网电力点化的黄氢。这些清洁氢能的共同摇篮，便是电解技术。
电解，是一个由电能主导的精妙化学过程。当电势施加于特定物质，其分子链应声断裂，在两极催生出新的产物。在制氢的舞台上，主角是水。电压之下，H₂O分子得到分解，氢气在阳极汇聚，氧气则在阴极升腾。
电解过程极为清洁，若所耗电能来自绿色电力，则整个流程几乎毫无污染。而当这些氢气再次燃烧或回归电能，氢与氧重归于水，形成完美的清洁能源闭环。
作为燃料，氢的应用前景广阔无垠。它能在燃料电池中为车辆提供源源不断的动力；也能融入天然气管网，为城市供暖抹去碳排放的印迹。在工业领域，氢同样大有可为，更有潜力成为风光电能的储存库，将那些因供大于求而产生的冗余电力，妥善储藏。
为实现氢经济的蓝图由虚入实，从生产、运输、储存到最终消费的每一个环节，都亟待效率的飞跃，绿色氢能必须取代其污染更重的“同类”。而仿真，正是氢能工程师手中的有力工具，助力他们开发新技术、优化全生态，从生产到消费全面覆盖。
何为MODSIM？
传统上，建模与仿真被视为两个泾渭分明的学科，分属于各自为战的孤立团队。分析只能在设计尘埃落定后才登场，但此时，设计决策的影响早已深植其中。纠正那些在分析或测试中浮现的问题，往往意味着巨大的时间与金钱代价。将建模与仿真（MODSIM）深度融合，使其贯穿开发的整个生命周期，无疑是加速设计、规避风险的睿智之举。
测试左移——即将分析的关口前移至设计周期的更早阶段——通过仿真，让设计师能够洞见其每一次变更对最终产品的影响，从而在纷繁的设计参数间，做出最明智的权衡。他们甚至在概念萌发的瞬间，就能汲取仿真的智慧，优化构想，探索万千可能，而无需过早地将未来开发方向与某一特定的选择绑定。
MODSIM打破了团队间的壁垒，为所有参与者提供了统一数据源。在这里，需求、设计几何结构、仿真结果与测试数据无缝交织，共同构筑了真实系统的“虚拟孪生”，其间每一丝联系皆清晰可溯。
MODSIM还是一场仿真民主化的革命。为常见的氢工程流程量身定制的工序流程与模板，使设计师得以独立、自主地运用仿真，随时随地，随心所欲。这大大降低了专业门槛，让更多人能更快地上手仿真。我们已在达索系统3DEXPERIENCE平台上，为您准备了多款用于设计氢系统的MODSIM工作流程。
电解槽
01、电解槽的性能与效率
△A PEM一台PEM电解槽，展示了质子交换膜（PEM）电堆和单个双极板
质子交换膜（PEM）技术，无疑是通往高效电解之路上一条充满希望的蹊径。相较于其它技术路线，PEM能在整个水体中实现极高的电流密度，同时有效抑制那些吞噬效率的气泡的生成。
温度分布不均是效率的天敌，亦是系统疲劳的诱因。PEM工程师必须围绕最佳的工作温度与压力进行精心的设计。而优化双极板本身，就是一个涉及电化学、结构、流体与热工等多重物理场交织的复杂命题。
在MODSIM的工作流程中，双极板的仿真模型可以从完整的电堆模型中剥离。只需轻点鼠标，冷却通道的网格便可瞬时生成，冷却剂的物性与流动设定亦可轻松定义。随后，共轭传热求解器将展开深度仿真，精准计算冷却系统的性能。一旦发现任何瑕疵，自动化的参数设计研究便会启动，探索更为优越的设计方案。最终，经过妥善优化的几何结构将被传回主系统。
整套工作流程由3DEXPERIENCE平台提供。来自CATIA的设计应用与来自SIMULIA的仿真及参数化设计研究应用，集成为一套连续的流程。设计师在一个统一的平台上，便能洞悉仿真结果，获取优化后的几何机构，从而更快、更稳健地打造出高效的电解槽系统。
02、电解槽的制造
双极板占据了PEM电解槽系统成本的45%，要让这项技术真正走向市场，大幅削减其成本势在必行。在设计流程中引入仿真，如同提供一位智慧的导师，指引工程师在材料选择、制造工艺等关键决策上，迈出正确的一步。
3DEXPERIENCE平台上的MODSIM，在概念设计与最终制造设计之间，架起了一座参数化模型集成的桥梁。仿真能揭示制造变差（如厚度精度）的深远影响，而“假设”研究则能对不同的制造方案进行深入的比较。
结构仿真能够对带肋双极板的冲压成型过程进行细致的建模。这通常是一个多步骤流程：首先，冲头将板坯推入模具；而后，在渐进的冲压中，板料被拉伸至最终的形态。设计空间的参数化探索，可支持对几何形状和制造公差进行优化，以寻得最佳的折弯半径，实现最理想的厚度减薄效果。
储氢罐
△纤维缠绕储氢罐
在常温常压下，氢的能量密度略显孱弱。因此，若要与化石燃料和电池一较高下，它必须被压缩在极高的压力之下。在车辆上，储氢罐需承载高达70兆帕（700巴）的压力，方能保障车辆具有足够的续航里程，同时自身还需保持轻盈的体态。这便催生了纤维缠绕复合材料的面世。3DEXPERIENCE平台上的Abaqus求解器技术，凭借其深厚的非线性力学能力，能够精准预测这些复杂材料的结构行为。
01、储氢罐的强度与刚度
△储氢罐跌落动画，显示出结构的位移
储氢罐必须在跌落或碰撞等意外事故中，保持其坚不可摧的完整性。罐体设计必须遵循DIN EN 12245和ISO 11119-3等国际标准的严苛规定。传统上，满足这些标准所需的物理测试漫长而繁琐，不仅拖慢了产品开发进程，也让优化设计成为遥不可及的梦想。而仿真，则通过虚拟地重现跌落测试等物理实验，为这一过程注入了前所未有的速度与效率。
SIMULIA与CATIA的开发团队，正致力于为Abaqus打造一款能够生成精细纤维缠绕复合材料仿真模型的插件。对储氢罐的结构仿真，能揭示其材料的应力、应变与位移，将潜在的失效点暴露无遗。仿真还能淋漓尽致地展现改变材料属性（如缠绕角度）所带来的影响，帮助工程师在万千变化中，寻得最符合其需求的最佳设计。无论是静态承压，还是动态冲击——例如储氢罐的跌落——皆可在虚拟世界中得到精准的分析。
02、储氢罐的充装
物理定律昭示，随着氢气罐的充装和压力的攀升，其内部温度会急剧升高。而极端的高温或低温，都会无情地侵蚀材料的机械性能，对安全构成潜在威胁。
计算流体动力学（CFD）仿真，能够对充装过程进行精密的建模，并计算出温度的分布。真实气体模型则能准确捕捉储氢罐内剧烈的高压与温度变化。不同材料的影响、外部天气条件的变幻，都可以在仿真中得到细致的分析。相较于物理测试，仿真能以更快的速度、更低的成本，为多种设计方案提供深刻的洞察。
分析整体系统
尽管本篇博文重点关注SIMULIA物理仿真工具的强大能力，但氢能生产的其它维度，亦可通过不同的方法进行深度的探索。我们可以潜入纳米尺度，借助达索系统BIOVIA品牌的技术，在分子层面审视管道，洞悉焊接过程与微观结构的形成——那些氢可能悄然潜入、削弱金属的幽微路径。我们亦可跃升至宏观视角，利用CATIA品牌的Dymola系统仿真工具，对整座制氢厂的流程进行全面的仿真。
所有这些强大的工具，都汇聚在达索系统的产品矩阵之中，并通过3DEXPERIENCE平台紧密贯通。它为所有用户提供了一个协作与数据共享的宏大舞台，并在统一的工作流程中，将不同的产品无缝串联。欲了解关于可持续氢能的完整解决方案，敬请参阅我们关于氢能生态系统预测性建模和仿真的白皮书。
结语
作为人类社会脱碳宏图的一部分，对绿色氢能的需求正与日俱增。要使其在成本效益上足以与传统能源方案相抗衡，氢的生产与储存效率必须实现质的飞跃。仿真，赋予了工程师在开发阶段就能洞察电解槽与储氢罐等设备性能的慧眼。达索系统的一体化建模与仿真（MODSIM）解决方案，将设计与分析工具融汇贯通，使我们的用户得以在开发流程启动之初，便能识别风险、优化性能，进而将新产品以更快的进度投放市场。
