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Einfluss fertigungsbedingter Eigenspannungen auf die Betriebssicherheit von nassgewickelten Composite-Druckbehältern mit einem nichttragenden Liner

  • Im Hinblick auf die globale Herausforderung der Energietransformation steigt der Bedarf an Möglichkeiten zur Energiespeicherung. Eine Technologie, die zunehmend in den Fokus rückt, ist die Energiespeicherung mittels komprimiertem Wasserstoffgas. Insbesondere für mobile und Transport-Anwendungen ist eine geringe Masse des Speichers vorteilhaft, weshalb vollumwickelte Composite-Druckbehälter des Typs 4 zum Einsatz kommen. Diese werden überwiegend im Nasswickelverfahren gefertigt, das durch zahlreiche Prozessparameter und physikalische Effekte charakterisiert wird. Die Wahl der Wickelprozessparameter sowie Schwankungen der Materialkennwerte beeinflussen den Eigenspannungszustand in der Composite-Struktur eines Druckbehälters. Somit wirken sie sich auch auf den Spannungszustand im Betrieb aus. Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen des Einflusses von fertigungsbedingten Eigenspannungen auf die Sicherheit von Composite-Druckbehältern mit nichttragendem Kunststoff-Liner.Im Hinblick auf die globale Herausforderung der Energietransformation steigt der Bedarf an Möglichkeiten zur Energiespeicherung. Eine Technologie, die zunehmend in den Fokus rückt, ist die Energiespeicherung mittels komprimiertem Wasserstoffgas. Insbesondere für mobile und Transport-Anwendungen ist eine geringe Masse des Speichers vorteilhaft, weshalb vollumwickelte Composite-Druckbehälter des Typs 4 zum Einsatz kommen. Diese werden überwiegend im Nasswickelverfahren gefertigt, das durch zahlreiche Prozessparameter und physikalische Effekte charakterisiert wird. Die Wahl der Wickelprozessparameter sowie Schwankungen der Materialkennwerte beeinflussen den Eigenspannungszustand in der Composite-Struktur eines Druckbehälters. Somit wirken sie sich auch auf den Spannungszustand im Betrieb aus. Die vorliegende Dissertation beinhaltet Untersuchungen des Einflusses von fertigungsbedingten Eigenspannungen auf die Sicherheit von Composite-Druckbehältern mit nichttragendem Kunststoff-Liner. Ziel ist es, das mechanische Verhalten von Composite-Druckbehältern besser zu verstehen und deren Sicherheitsniveau sowie Konkurrenzfähigkeit weiter zu steigern. Schwerpunkte der Arbeit sind experimentelle Untersuchungen der Eigenspannungsentstehung und -entwicklung sowie deren Einfluss auf die Behälter-Sicherheit. Im Fokus befindet sich die Exploration von Möglichkeiten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter durch Variation der Fertigungsparameter und eine Konditionierung nach der Fertigung. Der Eigenspannungszustand wird in numerischen Simulationen sowie mit dem zerstörenden Bohrlochverfahren charakterisiert. Die Überwachung der Spannungsumlagerung während einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung erfolgt mit eingebetteten faseroptischen Sensoren, die später zur Dehnungsmessung in zerstörenden, langsamen Berstprüfungen eingesetzt werden. Zur Vertiefung des Verständnisses des Versagensverhaltens der verwendeten 6,8 l-Druckbehälter wird die Finite-Elemente-Methode eingesetzt. Darüber hinaus werden Qualitätsuntersuchungen der Composite-Struktur mittels Mikro-Computertomographie und Impuls-Echo-Verfahren beschrieben. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass eine Steigerung der Zuverlässigkeit durch eine gezielte Innendruckbeanspruchung der gewickelten Behälter nahezu kostenneutral möglich ist. Dies wird im Rahmen der Arbeit anhand eines Baumusters demonstriert. Darüber hinaus wird die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Behälter im Rahmen einer Konditionierung unter Zeitstandbelastung vertieft diskutiert. Diese stellt eine weiterführende Möglichkeit dar, das Behälterverhalten positiv zu beeinflussen und das Sicherheitsniveau zu steigern.zeige mehrzeige weniger
  • Considering the global challenge of energy transformation, the demand for energy storage solutions is increasing. One of the technologies, which is gaining attention, is the storage of hydrogen gas under high operating pressures. Particularly for on-board and transport applications, lightweight storage systems are advantageous. Therefore, fully wrapped composite pressure vessels of Type 4 are increasingly used. These are mostly manufactured using the wet filament winding process, which is characterized by numerous process parameters and physical effects. The choice of winding process parameters and variations in material properties influence the residual stress state in the finished component and thus also the stress state under operational loads. This dissertation includes insights into the impact of manufacturing-induced residual stresses on the safety of Type 4 pressure vessels, which contribute to a deeper understanding of the mechanical behavior of composite pressure vessels andConsidering the global challenge of energy transformation, the demand for energy storage solutions is increasing. One of the technologies, which is gaining attention, is the storage of hydrogen gas under high operating pressures. Particularly for on-board and transport applications, lightweight storage systems are advantageous. Therefore, fully wrapped composite pressure vessels of Type 4 are increasingly used. These are mostly manufactured using the wet filament winding process, which is characterized by numerous process parameters and physical effects. The choice of winding process parameters and variations in material properties influence the residual stress state in the finished component and thus also the stress state under operational loads. This dissertation includes insights into the impact of manufacturing-induced residual stresses on the safety of Type 4 pressure vessels, which contribute to a deeper understanding of the mechanical behavior of composite pressure vessels and support the further enhancement of safety levels and competitiveness. The work focuses on experimental investigations of the induction and development of residual stresses and their impact on the safety of the composite pressure vessels. A core of the dissertation is an exploration of the possibilities to improve pressure vessel performance through variation of manufacturing parameters and conditioning after manufacturing. The residual stress state is characterized in numerical simulations as well as with the destructive hole-drilling method. Embedded fiber optic sensors are used for the monitoring of stress redistribution during conditioning. The fiber optic sensors are later used for strain measurement in destructive, slow burst tests. Finite element analyses are performed to deepen the understanding of the failure behavior of the used 6.8-liter pressure vessels. Additionally, quality investigations of the composite structure using micro-computed tomography and impulse-echo ultrasonic propagation imaging are described. The results of the investigations show that an increase in performance is possible through targeted internal pressure regulation during the winding process pressure vessels. This is demonstrated almost cost-neutrally, i.e., without increasing process time and material usage. Furthermore, the improvement of vessel performance through conditioning under increased pressure and temperature is discussed in depth. This represents a further possibility to favorably influence vessel behavior and enhance safety levels.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:Bartosz PopielaORCiD
Dokumenttyp:Dissertation
Veröffentlichungsform:Graue Literatur
Sprache:Deutsch
Jahr der Erstveröffentlichung:2026
Organisationseinheit der BAM:3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.5 Sicherheit von Gasspeichern und Gefahrguttanks
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Titel verleihende Institution:Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Fakultät 3 für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen
Gutachter*innen:Holger Seidlitz, Georg W. Mair
Datum der Abschlussprüfung:14.11.2025
Verlagsort:Cottbus, Deutschland
Erste Seite:1
Letzte Seite:153
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Composite; Druckbehälter; Eigenspannung; Faserverstärkter Kunststoff; Nasswickelverfahren
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Wasserstoff
DOI:10.26127/BTUOpen-7238
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-72383
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:14.01.2026
Betreuer:Stephan Günzel, Georg W. Mair
Referierte Publikation:Nein
Schriftenreihen ohne Nummerierung:BAM Dissertationen ohne Nummerierung
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