Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
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.
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.
Elastomers show a high versatility which makes them ideal materials for sealing applications in various fields. Especially under changing application conditions the high recovery potential of this class of material is beneficial to compensate temperature or pressure fluctuation, and geometrical changes resulting from mechanical loads in e.g. accident conditions. Out of these reasons elastomers are also used in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In cask designed for low and intermediate level waste elastomer seals can act as primary seal responsible for the containment function whereas in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) elastomer seals are used as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals. An inherent prerequisite for this kind of application is the long time-scale of operation without or with limited possibility of seal replacement. In Germany an interim storage license for DPC`s is typically issued for 40 years, a timeframe which might increase in future due to challenges of the final repository siting procedure. For low and intermediate level waste, also long time periods are required before final disposal can be achieved. Therefore, the performance of elastomer seals over extended time periods is, as for other applications, of high importance.
A typical approach to ensure long-term functionality is to perform accelerated aging tests to calculate an estimated lifetime by assuming e.g. Arrhenius like equations for the time-temperature relationship. This approach requires a suitable end of life criterion considering the application of interest. This often can represent a challenge on its own.
As BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues we initiated several test programs for investigating the behavior of elastomer seals. Experiments concerning the low temperature performance down to -40°C and the influence of gamma irradiation have been started first. Currently the thermal aging behavior of elastomer seals, which is the topic of this contribution, is examined.
For our aging investigations we use a broad approach to first determine the property changes in different elastomer materials due to thermo-oxidative aging at elevated temperatures and secondly we test how the typical methods of lifetime extrapolation can be applied to these results. This approach enables us to detect and exclude undesired side effects which very often influence lifetime estimations. In this contribution, our recent results are discussed.
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.
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 hat 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 Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Fibre-reinforced plastics (FRP) especially carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) and glass-fibre-reinforced polymer (GFRP) are commonly used materials in high pressure vessels and storage units for automotive and aerospace purposes. Optical fibres are suitable to be integrated or directly applied to the surface of FRP components. Using optical fibres it is possible to monitor the distributed strain profiles and changes within the fatigue life of a pressure vessel to ensure the operational safety. Within artificial ageing experiments we used swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of commercial high-pressure composite cylinder. This artificial ageing was performed using test conditions of 503bar pressure load (service pressure 300 bar) and 89 °C for 100 h. The polyimide coated optical fibres were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. Using distributed strain sensing (DSS) material expansion of over 0.5% were monitored with sub-centimetre spatial resolution. Within the circumferential direction we observed up to 10 % local fluctuation compared to the median strain caused by inhomogeneous material expansion, which could cause local material fatigue. In addition, we determined material degradation manifested itself as localized remaining material expansion and/or contraction. Results have been validated by other non-destructive methods like digital strip projection.
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.
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.