Modeling and optimization of fiber reinforced pressure chamber for subsea applications

• Autorzy: Nowak T.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie i optymalizacja zbiornika ciśnieniowego wzmocnionego kompozytem włóknistym dla aplikacji podwodnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Since today's petrochemical industry is able to explore the seabed at the level of 3000 m, there is also a need to provide reliable, but cost effective enclosures for the respective technical equipment. This paper gives in-depth analysis of the design aspects for fiber reinforced pressure chambers, which are installed in the subsea environment. A chamber structure consisting of a metal liner and fiber reinforced composite is considered. Two theoretical models: for a generalized orthotropic material and for a laminated composite are recalled and used in the analytical study of the vessel. Finally, a structure optimization procedure is introduced and a verification example is provided.

PL

Dzisiejszy przemysł wydobycia ropy i gazu eksploruje dno morskie, sięgając trzykilometrowych głębin. Wysokie ciśnienie hydrostatyczne panujące na tym poziomie stawia znaczne wymagania wytrzymałościowe wobec zbiorników instalacji wydobywczej. W artykule przedstawiono zagadnienia związane z projektowaniem i optymalizacją zbiorników stalowych wzmocnionych kompozytem włóknistym. Przywołano teorię materiału ortotropowego oraz model laminatu kompozytowego, podano także analityczną metodę wymiarowania zbiornika wielowarstwowego. Zaprezentowano również metodę optymalizacji konstrukcji, która pozwoliła uzyskać znaczną sztywność zbiornika ciśnieniowego przy zachowaniu jego małej masy.

Słowa kluczowe

EN

pressure vessels; composite-reinforced metal cylinders; theory of orthotropic material; optimization

PL

zbiornik ciśnieniowy; cylinder stalowy wzmocniony kompozytem; materiał ortotropowy; optymalizacja

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 4
• Strony: 275--281
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys.

Twórcy

autor

Nowak T.

• ABB - Corporate Research Center, ul. Starowiślna 13a, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Hill R., The Mathematical Theory of Plasticity, Clarendon Press, Oxford 1950.
• [2] Mendelson A., Plasticity, Theory and Applications, The Macmillan Company, New York 1968.
• [3] Chakrabry J., Theory of Plasticity, McGraw.Hill, New York 1987.
• [4] Fryer D.M., Harvey J.F., High Pressure Vessels, Chapman & Hall, London 1998.
• [5] Moss D., Pressure Vessel. Design Manual, 3rd Edition, Elsevier, California 2004.
• [6] Annaratone D., Pressure Vessel Design, Springer.Verlag, Berlin 2007.
• [7] Mallick P.K., Composites Engineering Handbook, CRC Press 1997.
• [8] Durban D., Kubi M., A General Solution for the Pressurized Elastoplastic Tubes, ASME J. Appl. Mech. 1992, 59, 20-26.
• [9] Zhao W., Seshadri R., Dubey R.N., On Thick.Walled Cylinder Under Internal Pressure, ASME J. Pressure Vessel Technol. 2003, 125, 267-273.
• [10] Perry J., Aboudi J., Elasto.Plastic Stresses in Thick Walled Cylinders, ASME J. Pressure Vessel Technol. 2003, 125, 248-252.
• [11] Niezgoda T., Klasztorny M., Homogenization Theory of Regular Cross.ply Laminates, Composites 2009, 9(2), 154-158.
• [12] Lewiński J., Wilczyński A., Symmetric, balanced cross.ply and diagonal.ply laminates. Global elastic properties and internal stresses, Composites 2010, 10(1), 41-45.
• [13] Błażejewski W., Designing of wound composite structure for high pressure composite vessels by table method, Composites 2010, 10:2, 154-158.
• [14] Błażejewski W., Juskowiak E., Mażulis J., Rybczyński R., Structure analysis of helical wrapped composite pressure vessels, Composites 2013, 13(3), 193-197.
• [15] Lifshitz J.M., Dayan H.M., Filament.wound pressure vessel with thick metal line, Comp. Struct. 1995, 32, 313-323.
• [16] Xia M., Kemmochi K., Takayanagi H., Analysis of filament-wound fiber-reinforced sandwich pipe under combined internal pressure and thermomechanical loading, Comp. Struct. 2001, 51, 273-283.
• [17] Lekhnitskii S.G., Theory of Elasticity of an Anisotropic Body (English translation), Mir Publishers, Moscow 1981.
• [18] Ward I.M., Sweeney J., The Mechanical Properties of Solid Polymers, John Wiley & Sons, New York 2004.
• [19] Gay D., Hoa S.V., Tsai S.W., Composite Materials: Design and Applications, CRC Press 2002.
• [20] Jones R., Mechanics of Composite Materials, 2nd ed., CRC Press 1998.
• [21] Herakovitch C., Mechanics of Fibrous Composites, John Wiley & Sons, New York 1998.
• [22] Crawford R.J., Plastics Engineering, Elsevier 2002.
• [23] ABAQUS/Standard User’s Manual; Habit, Karlson & Sorenson, Inc., Pawtucket, RI 2010.