A contribution to structural reliability analysis of composite high-pressure hydrogen storage tanks

• Autorzy: Sid Amer Youcef , Benammar Samir , Fah Tee Kong , Wadi Mohammed , Jouda Mohammed S.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0053.7104

Warianty tytułu

PL

Wkład w analizę niezawodności strukturalnej kompozytowych wysokociśnieniowych zbiorników do magazynowania wodoru

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Although composite high-pressure tanks are a subject of growing interest, especially for hydrogen storage applications, a detailed structural reliability analysis still needs to be improved. This work aims to provide a probabilistic investigation of the mechanical response of composite high-pressure hydrogen storage tanks using the Monte Carlo Simulation method. A performance function based on the circumferential model of composite pressure cylinders is employed with five random design variables. According to the results, the internal pressure and the helical layer thickness are the foremost parameters significantly impacting the structural reliability of the tank, whereas, the helical layer thickness and winding angles have a minor influence. In addition, high coefficients of variation values cause the contraction of the safety margin potentially leading to the failure of the composite hydrogen high-pressure tank. The obtained results were validated with experimental tests available in the literature.

PL

Chociaż kompozytowe zbiorniki wysokociśnieniowe są przedmiotem rosnącego zainteresowania, zwłaszcza w zastosowaniach związanych z magazynowaniem wodoru, szczegółowa analiza niezawodności konstrukcji wciąż wymaga poprawy. Niniejsza praca ma na celu zapewnienie probabilistycznego badania odpowiedzi mechanicznej kompozytowych wysokociśnieniowych zbiorników do przechowywania wodoru przy użyciu metody symulacji Monte Carlo. Zastosowano funkcję wydajności opartą na modelu obwodowym kompozytowych cylindrów ciśnieniowych z pięcioma losowymi zmiennymi projektowymi. Zgodnie z wynikami, ciśnienie wewnętrzne i grubość warstwy obwodowej są głównymi parametrami istotnie wpływającymi na niezawodność konstrukcyjną zbiornika, podczas gdy grubość warstwy spiralnej i kąty uzwojenia mają niewielki wpływ. Ponadto duże wartości współczynników zmienności powodują kurczenie się marginesu bezpieczeństwa potencjalnie prowadząc do awarii kompozytowego zbiornika wysokociśnieniowego na wodór. Uzyskane wyniki zostały zweryfikowane z badaniami eksperymentalnymi dostępnymi w literaturze.

Słowa kluczowe

EN

structural reliability; composite tank; hydrogen storage; Monte Carlo simulation; safety margin

PL

niezawodność strukturalna; zbiornik kompozytowy; magazynowanie wodoru; symulacja Monte Carlo; margines bezpieczeństwa

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONBiN
• Rocznik: 2023
• Tom: Vol. 53, iss. 2
• Strony: 33--44
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sid Amer Youcef

• Laboratoire Energétique-Mécanique & Ingénieries (LEMI), Faculté de Technologie (FT), Université M’Hamed Bougara de Boumerdes (UMBB), Boumerdes 35000, Algeria

• https://orcid.org/0000-0001-9435-603X

autor

Benammar Samir

• Laboratoire Energétique-Mécanique & Ingénieries (LEMI), Faculté de Technologie (FT), Université M’Hamed Bougara de Boumerdes (UMBB), Boumerdes 35000, Algeria

• https://orcid.org/0000-0003-2344-3894

autor

Fah Tee Kong

• King Fahd University of Petroleum and Minerals Dhahran, 31261, Kingdom of Saudi Arabia

• https://orcid.org/0000-0003-3202-873X

autor

Wadi Mohammed

• Istanbul Sabahattin Zaim University-IZU, Turkey

• https://orcid.org/0000-0001-8928-3729

autor

Jouda Mohammed S.

• Istanbul Sabahattin Zaim University-IZU, Turkey

• https://orcid.org/0000-0002-7364-5059

Bibliografia

• 1. A. Onder, O. Sayman, T. Dogan, and N. Tarakcioglu, “Burst failure load of composite pressure vessels,” Compos. Struct., vol. 89, no. 1, pp. 159–166, 2009, DOI: 10.1016/j.compstruct.2008.06.021.
• 2. M. Azeem, H. Ya, M. Alam, M. Kumar, P. Stabla, M. Smolincki, L. Gemi, R. Khan, T. Ahmed, Q. Ma, M. Sadique, A. Mokhtar, “Application of Filament Winding Technology in Composite Pressure Vessels and Challenges: A Review,” J. Energy Storage, vol. 49, no. May, pp. 2021–2022, 2022, DOI: 10.1016/j.est.2021.103468.
• 3. R. Hossain, J. P. Carey, and P. Mertiny, “Framework for a combined netting analysis and tsai-Wu-based design approach for braided and filament-wound composites,” J. Press. Vessel Technol. Trans. ASME, vol. 135, no. 3, pp. 1–7, 2013, DOI: 10.1115/1.4023431.
• 4. L. Zu, S. Koussios, and A. Beukers, “Shape optimization of filament wound articulated pressure vessels based on non-geodesic trajectories,” Compos. Struct., vol. 92, no. 2, pp. 339–346, 2010, DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.08.013.
• 5. P. Francescato, A. Gillet, D. Leh, and P. Saffré, “Comparison of optimal design methods for type 3 high-pressure storage tanks,” Compos. Struct., vol. 94, no. 6, pp. 2087–2096, 2012, doi: 10.1016/j.compstruct.2012.01.018.
• 6. A. Walczak, D. Pieniak, A. Niewczas, A. M. Niewczas, and P. Kordos, “Study of Ceramic-Polymer Composites Reliability Based on the Bending Strength Test,” Journal of Konbin, vol. 35, no. 1, pp. 169–178, 2015, DOI: 10.1515/jok-2015-0050.
• 7. S. Benammar and K. F. Tee, “Failure probability analysis of heliostat systems,” Int. J. Crit. Infrastructures, vol. 16, no. 4, pp. 342–366, 2020, DOI: 10.1504/ijcis.2020.112037.
• 8. H. M. Uemura and H. Fukunaga, “Probabilistic burst strength of filament wound cylinders under internal pressure,” J. Compos. Mater., vol. 15, no. 5, pp. 462–480, 1981, DOI: 10.1177/002199838101500505.
• 9. M. Bouhafs, Z. Sereir, and A. Chateauneuf, “Probabilistic analysis of the mechanical response of thick composite pipes under internal pressure,” Int. J. Press. Vessel. Pip., vol. 95, pp. 7–15, 2012, DOI: 10.1016/j.ijpvp.2012.05.001.
• 10. A. Hocine, A. Maizia, M. Chérifi, and D. Chapelle, “A contribution of the reliability based approach for cylindrical composite of sensitivity analytical design,” Adv. Mater. Process. Technol., vol. 3, no. 3, pp. 428–437, 2017, DOI: 10.1080/2374068X.2017.1336883.
• 11. A. Hocine, A. Maizia, and A. Ghouaoula, “Reliability Prediction of Composite Tubular Structure Under Mechanical Loading by Finite Element Method,” J. Fail. Anal. Prev., 2018, DOI: 10.1007/s11668-018-0536-z.
• 12. A. Hocine, D. Chapelle, L. M. Boubakar, A. Benamar, and A. Bezazi, “Analysis of intermetallic swelling on the behavior of a hybrid solution for compressed hydrogen storage - Part I: Analytical modeling,” Mater. Des., vol. 31, no. 5, pp. 2435–2443, 2010, DOI: 10.1016/j.matdes.2009.11.048.
• 13. X. Zhang, J. Zhao, and Z. Wang, “Burst Pressure Prediction and Structure Reliability Analysis of Composite Overwrapped Cylinder,” Appl. Compos. Mater., vol. 25, no. 6, pp. 1269–1285, 2018, DOI: 10.1007/s10443-017-9665-x.
• 14. A. Ghouaoula, A. Hocine, M. Hadj Meliani, A. Maizia, and R. Suleiman, “Reliability Analysis of Type III Gas Storage Vessel Under Pressure Loading,” J. Fail. Anal. Prev., vol. 19, no. 2, pp. 445–452, 2019, DOI: 10.1007/s11668-019-00616-y.
• 15. M. Zhang, H. Lv, H. Kang, W. Zhou, and C. Zhang, “A literature review of failure prediction and analysis methods for composite high-pressure hydrogen storage tanks,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, no. 47, pp. 25777–25799, 2019, DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.08.001.
• 16. S. Benammar and K. F. Tee, “Structural reliability analysis of a heliostat under wind load for concentrating solar power,” Sol. Energy, vol. 181, no. January, pp. 43–52, 2019, DOI: 10.1016/j.solener.2019.01.085.
• 17. P. Xu, J. Y. Zheng, and P. F. Liu, “Finite element analysis of burst pressure of composite hydrogen storage vessels,” Mater. Des., vol. 30, no. 7, pp. 2295–2301, 2009, DOI: 10.1016/j.matdes.2009.03.006.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).