Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.