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Organisationseinheit der BAM
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Due to high specific stiffness and strength properties, fibre reinforced plastics are used more and more often for the construction of pressure vessels. Within a recent research project run by the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), aging process of composite pressure vessels is investigated in order to be able to give more accurate lifetime predictions in the future. Focus is set on type III pressure vessels consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. In order to increase high-cycle fatigue, residual stresses are induced into the pressure vessel during manufacturing process. In particular, residual compressive stresses within the inner aluminium layer have been defined as a main parameter affecting fatigue strength. The aim is to identify and evaluate residual stresses of the pressure vessel by analysing its modal parameters. Through the set-up of a finite-element model potential capability and validity for the use of modal analysis is proven and evaluated, considering influences resulting from manufacturing deviations, too. In the following, a number of stress sensitive modes are defined. Based on these preliminary numerical investigations, a test bench is set up in order to measure pressure vessels via an experimental modal analysis. A final critical evaluation regarding the accuracy of the modal analysis is made by comparing experimental results with data obtained through simulations.
At the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM), within a recent research project, the aging process of composite pressure vessels is investigated in order to be able to give more accurate lifetime predictions in future. All investigations are primarily based on type III pressure vessels consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. Research is focused on residual stresses which are induced into the pressure vessel during manufacturing process in order to increase high cycle fatigue. However, with increasing lifetime residual stress conditions of type III pressure vessels change. For measuring and monitoring inner stress conditions, the application of a non-destructive measurement method is aspired.
Within this paper, the potential of an experimental modal analysis is tested to determine aging and degradation effects of pressure vessels. Based on this method, information about changes of the residual stresses can be obtained via an analysis of the modal parameters. Realizing this, first a finite element model is used to prove and evaluate potential capability and validity for the application of an experimental modal analysis. Based on this, a test bench is set up and successively optimized in its accuracy and efficiency. The sensitivity of the applied measurement technique is experimentally evaluated via measuring multiple prestress modified pressure vessels. Furthermore, a selection of prestress modified pressure vessels is monitored via the presented method. Finally, experimentally obtained results are interpreted and evaluated with the help of numerically gained finding.
Auf Grund ihres Gewichtsvorteils sind Faserverbundwerkstoffe beim Bau von Hochdruckbehältern die dominierenden Werkstoffe. Mit dem zunehmenden Optimierungsdruck, Materialkosten und Gewicht einzusparen, nimmt das Lastniveau zu, weshalb auch die Bedeutung der Degradationsprozesse steigt. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) wird das Alterungsverhalten von Composite-Atemluftflaschen untersucht, um künftig genauere Aussagen zur Abschätzung der Lebensdauer und der damit einhergehenden Festlegung von Prüffristen geben zu können. Gegenstand der vorgestellten Untersuchungen sind Typ-III Druckbehälter, bestehend aus einem Aluminium-Liner und einer kohlefaserverstärkten Armierung. Dabei werden insbesondere Untersuchungen bezüglich der im Metall vorherrschenden Druckeigenspannungen betrachtet, welche zur Steigerung der Lastwechselfestigkeit fertigungsseitig induziert werden. Ziel ist es, mittels einer experimentellen Modalanalyse die inneren Spannungsverhältnisse zerstörungsfrei identifizieren und bewerten zu können. Auf Grund einer Vielzahl von Einflussfaktoren, wie beispielsweise alterungsbedingter Strukturveränderungen im Faserverbundmaterial oder Fertigungsabweichungen, ist jedoch die Einzelbewertung eines Prüfmusters sowie ein qualitativer Vergleich zwischen Behältern desselben Baumusters bisweilen nur schwer möglich. Durch die Vermessung einer Vielzahl von Testbehältern werden zunächst Maß und Umfang der auftretenden Abweichungen modaler Parameter erfasst. Mittels gezielter Modifikation einiger Messobjekte werden anschließend Abhängigkeiten identifiziert. Unterstützt werden die experimentellen Messungen durch die simultane Anwendung eines FE-Models, wobei simulative und experimentelle Ergebnisse verglichen sowie Einflüsse weiterer Parametervariationen numerisch erfasst und abgebildet werden können.
Due to high specific stiffness, fibre reinforced plastics are the dominant material group for the design of mobile pressure vessels. At the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM) aging process of composite pressure vessels is studied to be able to give more accurate lifetime predictions in future. Investigations are based on type III breathing air cylinders consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. Goal is to detect changes of residual stresses over life time which directly affect fatigue strength. Within this paper an approach is presented to monitor residual stresses via an experimental modal analysis (EMA). First, the influence of changed stress conditions on modal parameters is analysed via a numerical study. Secondly, a test bench for an EMA is set up. To be able to analyse cylinders of different prestress condition, several specimens are prestress modified via high-temperature and high-pressure treatment. During modification processes, specimens are monitored via optical fibres to control prestress modifications. Through experimental measurements of the modified specimens via EMA changes in prestressing can be detected. Finally, validity and accuracy of the EMA is evaluated critically by comparing all numerically and experimentally obtained data.
Sensitivitätsanalyse des Eigenspannungszustandes in Composite-Druckgefäßen mittels Modalanalyse
(2017)
Auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit sowie des damit einhergehenden Gewichtsvorteils kommt es bei der Auslegung von Druckgefäßen vermehrt zum Einsatz von faserverstärkten Kunststoffverbunden. Im Rahmen eines Forschungsprojektes an der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wird das Alterungsverhalten von Atemluftflaschen in Verbundbauweise untersucht, um künftig genauere Aussagen zur Abschätzung der Lebensdauer geben zu können. Gegenstand der hier aufgezeigten Untersuchungen bilden dabei Typ-III Druckgefäße mit metallischen Liner und einer kohlefaserverstärkten Armierung. Als wichtiger, der Betriebsfestigkeit zugrunde legender Parameter wurden Druckeigenspannungen im Aluminium-Liner ausgemacht, welche fertigungsseitig zur Steigerung der Lastwechselfestigkeit in die Druckgefäße induziert werden.
Ziel ist es, mit Hilfe einer Modalanalyse die aufgezeigten inneren Spannungsverhältnisse durch eine genaue Betrachtung der modalen Parameter zu identifizieren und zu bewerten. Durch den Aufbau eines Finite-Elemente Modells und einer anschließenden Sensitivitätsanalyse der Fertigungsparameter werden zunächst Potential und Aussagekraft des Analyseverfahrens geprüft und bewertet. Anschließend erfolgt eine Eingrenzung relevanter Schwingformen sowie eine Abschätzung zu erwartender spannungsabhängiger Änderungen entsprechender modaler Kennwerte. Durch die Entwicklung und den Aufbau eines geeigneten Prüfstandes werden, darauf aufbauend, im Rahmen einer Betriebsschwingungsanalyse erste Messungen an Atemluftflaschen unterschiedlicher Alterungs- und Schädigungsstufen durchgeführt. Durch einen Vergleich mit Simulationsergebnissen und Erkenntnissen aus alternativ durchgeführten Eigenspannungsmessungen erfolgt abschließend eine kritische Bewertung der experimentell gewonnenen Ergebnisse.
Hochbeanspruchte Bauteile wie Druckbehälter bergen im Falle eines Versagens ein erhebliches Gefährdungspotential für Mensch und Umgebung. Trotz der Auslegung mit hohen Sicherheitsfaktoren kommt es durch die hauptsächlich bei mobilen Anwendungen eingesetzten Leichtbauwerkstoffe und Materialkombinationen zu komplexen Degradationsvorgängen, welche unter ungünstigen Umständen zu einem frühzeitigen Versagen führen können. Am Beispiel eines hybriden Typ III-Behälters, bestehend aus Metall und Faser-Verbund-Kunststoffen, wird demonstriert, wie sich Änderungen des lebensdauerbestimmenden Eigenspannungszustandes auf eine sichere Gebrauchsdauer auswirken. Zur Erfassung dieser Eigenspannungsänderungen wird ein zerstörungsfreier Ansatz auf Grundlage einer experimentellen Modalanalyse vorgestellt. Die daraus gewonnen Daten fließen unmittelbar in ein erarbeitetes Betriebsfestigkeitsmodell ein. Abschließend werden die generierten Modellergebnisse mit experimentell ermittelten Lebensdauern verglichen und bewertet.
As a contribution to the national hydrogen strategy, 3.5 years ago, the Delfin research project started with the aim of developing a cost- and material-optimized hydrogen tank design for automotive application. Under the patronage of the National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW), a consortium consisting of 9 research institutes, component suppliers, engineering service providers and automobile OEMs is processing a wide range of work packages. The focus of BAM research sets on impact testing and safety-related characterization of pressure vessels of different development stages. Furthermore, the implementation of nondestructive testing methods is applied. The presentation shows an overview of the BAM work packages and an extraction of the results generated so far.
As a contribution to the national hydrogen strategy, 3.5 years ago, the Delfin research project started with the aim of developing a cost- and material-optimized hydrogen tank design for automotive application. Under the patronage of the National Organization Hydrogen and Fuel Cell Technology (NOW), a consortium consisting of 9 research institutes, component suppliers, engineering service providers and automobile OEMs is processing a wide range of work packages. The focus of BAM research sets on impact testing and safety-related characterization of pressure vessels of different development stages. Furthermore, the implementation of nondestructive testing methods is applied. The presentation shows an overview of the BAM work packages and an extraction of the results generated so far.