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Main Title: Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes eines Composite-Hybridhochdruckbehälters
Translated Title: Sensitivity analysis of the residual stress conditions of a composite-hybrid high pressure cylinder
Author(s): Anders, Stefan
Advisor(s): Thorbeck, Jürgen
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Automobilindustrie sucht nach Lösungen, um Emissionen zu reduzieren, und nach Alternativen zu fossilen Brennstoffen, deren Verfügbarkeit über die nächsten Dekaden abnehmen wird. Aus diesem Grund gewinnen komprimiertes Erdgas sowie Wasserstoff als Energieträger zunehmend an Bedeutung. Um befriedigende Reichweiten mit komprimiertem Gas zu erreichen, wird ein Betriebsdruck von 20 MPa bis zu 70 MPa (nur Wasserstoff) angewandt. Die Hochdruck¬be¬hälter müssen die statischen und die dynamischen Innendruck- sowie die thermische Belastung ertragen. Gleichzeitig soll der Behälter eine sichere, aber auch eine wirtschaft¬liche Leichtbaustruktur sein, welche nur mit Hybridstrukturen (Metall- oder Polymerliner mit Kohlefaser- bzw. Glasfaserum¬wicklung an der Außenseite) realisiert werden kann. Wegen der Vielzahl an veränderlichen Produktionsparametern zeigen Composite- und speziell Hybridstrukturen große Streuungen in ihrem Strukturverhalten. Die dargestellten Versuchsdaten, welche an industriell gefertigten Composite-Hybriddruckbehältern gemessen wurden, zeigen dieses Problem. Um das Material im Sinne des Leichtbaus effizient zu nutzen und um gleichzeitig einen hohen Grad an Sicherheit mit reproduzierbarem Strukturverhalten zu realisieren, wird ein besseres Verständnis für das Verhalten des Hybriddesigns benötigt. Neben der Betrachtung der Imperfektionen im Composite und der benötigten Mess¬¬me¬thoden für die Charakterisierung der Strukturparameter ist das Hauptan¬lie¬gen der vorliegenden Arbeit die Simulation des Eigenspannungs¬zustandes, resultierend aus der Produktion und dem Betrieb, sowie dessen Auswirkung. Um den Einfluss der verschiedenen Strukturparameter auf das Verhalten des Hochdruckbehälters mittels einer Sensitivitätsanalyse zu untersuchen, wurde ein geschlossen analytisches parametrisiertes Modell erstellt. Für die effektive Parameter¬variation sind hierfür analytische Modell von Vorteil im Vergleich zu FEM-Modellen. Das vorgestellte nichtlineare analytische Modell berücksichtigt den Einfluss des Eigenspan¬nungs¬zu¬standes des Autofrettageprozesses, in welchem der Liner kontrolliert durch Innendruck plastifiziert wird. Ebenso werden die Steifigkeits¬degradation infolge von Zwischenfaserbrüchen im Composite bei der Erstbeanspruchung (Degradationsmodell nach Puck), die thermischen Eigenspan¬nun¬gen infolge der verschiedenen Wärmeaus¬dehnungs¬koeffizienten und der temperaturabhängige E-Modul des Harzsystems berücksichtigt. Die umfangreichen Versuchsdaten validieren die analytische Simulation zufrieden¬stellend. Die Simulation zeigt, dass der Schichtspannungszustand inklusiv des Eigen¬spannungszustandes stark von den Parametern Temperatur und Innendruck während der Produktion sowie im Betrieb abhängig sind. Diese Effekte sind bei einer erweiterten Spannungsanalyse der Behälterstruktur zu berücksichtigen.
The automotive industry is looking for solutions to reduce emissions and the dependency on fossil fuels, whose availability is predicted to decrease over the next decades. For this reason, compressed natural gas and hydrogen as energy are gaining more and more in importance as replacements for fossil fuels. In order to achieve a satisfying energy density for automotive application with compressed gas storage systems an operating pressure from 20 MPa up to 70 MPa (hydrogen only) is applied. The pressure cylinder has to withstand the static and dynamic pressure as well as temperature loads. At the same time the cylinder has to be an economical and safe light weight structure which can be accomplished with hybrid structures (metal or polymer liner with carbon or glass fiber winding on the outside) only. Due to their multi-dependency on production parameters composite structures and especially hybrid structures show a high spread in structural parameters. The presented test data which had been measured on industrial composite-hybrid pressure cylinders of the same type revealed this problem. In order to exploit the material properties with a high degree of lightweight optimization efficiently, a high level of safety and, with an improved degree of reproducibility at the same time, a better understanding of the structural behavior of hybrid design is necessary. Besides considering the imperfection of the composite layer and the use of appropriate measuring methods to determine the structural parameters, the main concern of the presented work is to simulate the level and the influence of residual stresses occurring during production and operation. To investigate the influence of variable structural parameters on the behavior of the high pressure cylinder by means of a sensitivity analysis a parametric analytical closed form model has been built. For this application, which is characterized by a wide range of parameters, analytical models are superior to FEM-models in flexibility and processing speed. The presented nonlinear analytical model considers the influence of the residual stresses introduced purposely by the autofrettage process in which the metal liner is loaded beyond the yielding point. It also takes into account the degradation of Young’s modulus caused by inter-fibre fracture during the first pressurization (according to Puck’s action-plane fracture criteria), the residual stress due to the different thermal coefficients of expansion (composite and metal) and the influence of temperature on the resin system close to the glass transition temperature. The large amount of acquired test data validated the analytical simulation satisfactorily. The simulation showed that the layer’s stress level including the residual stress strongly depends on the pa¬rameters temperature and pressure during production and also during operation of the cyl¬inder. These effects have to be considered for a sophisticated stress analysis of the structure.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19656
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2242
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1945
Exam Date: 15-Jul-2008
Issue Date: 25-Aug-2008
Date Available: 25-Aug-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 2D geschlossen-analytische Spannungsanalyse
Autofrettage
CLT
Composite-Metall-Hybrid Hochdruckbehälter
Temperatur-Fertigungseigenspannungen
2D analytical closed-form stress analysis
Autofrettage
CLT
Composite-metal-hybrid high pressure cylinder
Thermal/production residual stresses
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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