Modeling, simulation and analysis of type-III composite overwrapped pressure vessels for high-pressure gas storage

Abstract

In this thesis, multi-layered composite overwrapped pressure vessels (COPVs) for high-pressure gaseous storage were modeled by finite element (FE) method and manufactured by filament winding technique. Two liners with distinct geometries were utilized for containing gas and forming a basis for composite filament winding. 34CrMo4 steel as a load-sharing metallic liner was selected for investigation of hybridization effects. Glass and carbon filaments were overwrapped to the liner with a winding angle of [±11°/90°2]3 to obtain a fully overwrapped composite reinforced vessel with non-identical front and back dome endings. The other type of liner was made of Al 6061-T6 and chosen for containing high-pressure gas such as hydrogen and its better strength-to-weight ratio suitable for onboard applications. Doily layers were implemented to the structure for inducing safe burst modes and increasing the burst pressure of the aluminum-based COPVs. All vessels were hydrostatically loaded with increasing internal pressure up to the burst pressure. The mechanical performances of pressure vessels were investigated by both experimental and numerical approaches. In numerical approaches, FE analysis was performed featuring a simple progressive damage model available in ANSYS for composite section. The metal liners were modeled as elastic-plastic material with two different hardening approaches; bilinear and multilinear hardening. The results from steel based COPV indicate that the FE model provided a good correlation between experimental and numerical strain results for the vessels with indications that the composite interlayer hybridization has positive effects on radial deformation of the COPVs. The constructed model for aluminum-based COPVs was also able to predict experimental burst pressures within a range of 8%.

Bu tez çalışmasında, yüksek basınçlı gaz depolama için çok katmanlı kompozit sarılı basınçlı kaplar sonlu elemanlar metodu ile modellenmiş ve filaman sarma yöntemi ile üretilmiştir. Birbirinden farklı geometri ve malzemelere sahip iki tip iç gömlek, gaz depolama ve kompozit filaman sarma tekniğinde mandrel olarak kullanılmıştır. 34CrMo4 çeliği, katmanlararası hibritleşme etkilerinin incelenmesi için yük paylaşabilen metalik iç gömlek için seçilmiştir. Cam ve karbon iplikler iç gömlek üzerine [±11°/90°2]3 oryantasyonunda, tamamen kompozit takviyeli ve ön ve arka dom kısımları birbirinden farklı basınçlı kaplar elde edilmesi için sarılmıştır. Diğer iç gömlek ise 6061-T6 alüminyumdan yapılmıştır ve hidrojen gibi yüksek basınçlı gaz ihtivası ve taşınabilir uygulamalar için uygun olan daha iyi mukavemet-ağırlık oranı sebebiyle seçilmiştir. Yapıya yama katmanları eklenerek alüminyum esaslı kompozit sarılı basınçlı kapların patlama basınçları arttırılmıştır ve güvenli patlama modları tetiklenmiştir. Tüm basınçlı kaplar iç basınçları patlama basıncına kadar hidrostatik olarak yüklenmiştir. Basınçlı kapların mekanik performansları hem deneysel hem de nümerik yaklaşımlarla incelenmiştir. Nümerik yaklaşımlarda sonlu elemanlar analizi kompozit kısım için ANSYS’te bulunan basit ilerlemeli hasar modeli ile gerçekleştirilmiştir. Metalik iç gömlekler iki farklı sertleştirme yaklaşımı; ikidoğrusal ve çokdoğrusal pekleşme ile elastik-plastik olarak modellenmiştir. Çelik esaslı kompozit sarılı basınçlı kapların sonuçları incelendiğinde sonlu elemanlar modeli deneysel sonuçlarla iyi bir bağıntı sağlamıştır. Nümerik gerinim sonuçları da katmanlar arası hibritleşmenin radyal deformasyon üzerinde pozitif etkileri olduğunu işaret etmektedir. Alüminyum esaslı kompozit sarılı basınçlı kaplar için oluşturulan model ise patlama basınçlarını %8 sapma ile hesaplayabilmiştir.