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Within a current research project at the Federal Institute for Materials Testing and Research (BAM), the degradation process of composite pressure vessels is studied to be able to give more accurate lifetime predictions in future. The presented research is based on type III pressure vessels consisting of an aluminium tank which is fully wrapped with carbon fibre reinforced plastics. Focus is set on the analysis of 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 do change. To be able to measure and monitor stress conditions, the application of a non-destructive measurement method is aspired.
In this paper, potential of an experimental modal analysis is worked out to capture and monitor aging and degradation effects in pressure vessels. With the presented method, information about changes in residual stress can be obtained via an analysis of the modal parameters. To realize an application, first, a finite element simulation is used to prove and evaluate potential capability and validity. In the following, a test bench is set up and successively optimized in its accuracy and efficiency. Sensitivity of the applied measurement technique is experimentally ascertained trough the measurement of several prestress modified pressure vessels. Finally, experimental results are interpreted and evaluated with the help of numerically gained findings.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
The presentation explains the intended way of BAM in tackling the safety issues in the project TAHYA.
The way how the term “safety” is used in TAHYA leads to the need for a more risk-based understanding of safety. Based on this, the Monte Carlo simulation is used to show where the weak points of current regulations are. Thus, a concept for optimization of relevant regulations, codes and standards will be elaborated during the project. For this purpose, it is helpful to improve the currently operated tool for Monte Carlo simulation, which will need additional data for monitoring the outcome. Strength data, that will be determined by BAM and the other partners during the already agreed test program can be used for this purpose without additional effort.
Nach Phasen der nationalen Anwendung und dann eines multilateralen Agreements kommen die Beschaffenheitsanforderungen für sog. "over-moulded Cylinders" (umformte Flaschen) in das internationale Regelwerk. Aufgrund ihrer strukturellen Besonderheiten können jedoch nicht alle Formen der wiederkehrenden Prüfung auf diese Flaschen angewendet werden. Der Ausgleich dieses Defizits erforderte die mehrjährige Arbeit einer Arbeitsgruppe der gemeinsamen Tagung (UN ECE und OTIF) unter sehr engagierter Mitarbeit der BAM bis ein alternativer Ansatz hinreichend Zustimmung für die Aufnahme ins Regelwerk fand.
Das vorgestellte Grundkonzept basiert auf der zerstörenden Prüfung einer definierten Anzahl von Gasflaschen zu klar geregelten Zeitpunkten. Auf Basis der statistischen Auswertung der Ergebnissen sollen mögliche Fertigungsfehler oder unerwartet schnelle Alterungsprozesse gefunden werden können, ohne dass es zu Versagensfällen kommt.
Prüfungen, die technisch aussagekräftig durchgeführt werden können, bleiben obligatorisch.
Zunächst werden die aus der Themenfeldstruktur der BAM resultierenden Änderungen im Auftreten der BAM vorgestellt und erläutert, wie diese für die Antragsteller zu verstehen sind.
Danach werden die Zielsetzung der GGRn 021 und 022 und deren inhaltlicher Ansatz vorgestellt und auch erläutert, welche Interaktion mit dem Distribtionsverkehr von gasförmigen Energeiträgern besteht.
Zuletzt wird dargelegt, welches Optimierungspotential hinter dem Ansatz in den GGRn steckt.
Der Vortrag zeigt den alternativen Ansatz mit wissenschaftlichem Hintergrund zur wiederkehrenden Prüfung von sog. over-moulded cylinders OMC, wie er ab ADR/RID 2019 im Recht zu finden sein wird.
Zuletzt wird noch erläutert, dass die Nutzung des Ansatzes für die Wasserstoffinfrastruktur eine große Bedeutung haben könnte.
Der Vortrag gibt zunächst einen Überblick über die Disziplinen, die in der BAM bzgl. Druckgefäßpüfung verfügbar sind. Außerdem ist zusammengestellt, mit welchen Vh-Beteiligungen und daraus resultierenden Lösungsansätzen die BAM jeweils zeitnah auf Änderungen im Recht, die die Aufgabe als zuständige Behörde betrafen, reagiert hat.
Danach wird in die Festigkeitskennwerte und deren Simulation mithilfe der Monte-Carlo-Simulation eingeführt und der Unterschied zwischen Überlebenswahrscheinlichkeit und Akzeptanzrate erläutert.
Darauf aufbauend wird gezeigt, wie die Akzeptanzrate grenzwertig zuverlässiger Grundgesamtheiten einer Prüfvorschrift ermittelt werden kann.
Zuletzt wird gezeigt, dass ein solcher Ansatz ein Optimierungspotential für Wasserstoff-Trailerflaschen eröffnet, sofern er konsequent angewendet wird.
Der Vortrag beginnt mit der Arbeitshypothese, dass das zentrale Maß für die Qualität der Fertigung die Streuung der Eigenschaften der gefertigten Produkte ist.
Auf dieser Basis wird eine Reihe von Prüfanlagen für die zerstörende Festigkeitsermittlung und zerstörungsfreie Vergleiche von Druckbehältern einschließlich zugehöriger statistischer Betrachtungen vorgestellt.
The presentation explains the term “safety” in a broader sense and leads to the need for a more risk-based understanding of safety. Based on this, the Monte Carlo simulation is used to show where the weak points of the ECE R 134 are and in which direction the GTR 13 could be optimized during the currently running phase 2. For this purpose, it is helpful to improve the currently operated tool for Monte Carlo simulation, for which BAM introduced the research idea “MoCaSiB”.