Zastosowanie metody tablicowej w projektowaniu oplotu kompozytowego butli wysokociśnieniowych

• Autorzy: Błażejewski W.

Warianty tytułu

EN

Designing of wound composite structure for high pressure composite vessels by table method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zaproponowano nową metodę, zwaną metodą tablicową, użyteczną w projektowaniu architektury ułożenia włókien w materiałach kompozytowych wzmacnianych włóknami, wytwarzanych metodą nawijania. Wykazano użyteczność tego sposobu do projektowania oplotu kompozytowego wysokociśnieniowych butli ciśnieniowych. Otrzymano 40 szt. Wysokociśnieniowych butli z 8 rodzajami struktury oplotu. Podano dla każdej struktury oplotu właściwości zbiorników, takie jak: grubość warstwy oplotu, zawartość przeplotów oraz odkształcenia zmierzone w obszarach bez przeplotów oraz w obszarach ich uporządkowania ("linie" przeplotów). Prezentowane wyniki badań potwierdzają informacje literaturowe o negatywnym wpływie obecności przeplotów i powiązanych z nimi pustek na właściwości kompozytów wykonanych metodą nawijania. Z badanych oplotów optymalny okazał się oplot o strukturze Nr1, charakteryzujący się najmniejszą liczbą przeplotów i ich największym uporządkowaniem. Wykonane badania sugerują, że przy doborze architektury oplotu kompozytowego (wykonanego metodą nawijania) do pracy pod ciśnieniem wewnętrznym należy przyjąć, między innymi, następujące kryteria: minimalizowanie liczby przeplotów i maksymalizowanie obszarów ich uporządkowania.

EN

High strength/weight ratio is one of the most important advantage of GFR applications. It is also true for the case of high pressure composite vessels used for storage of compressed gases like natural gas (CNG) and compressed hydrogen (CH2). The composite layers for composite high pressure vessels are commonly produced by winding of resin impregnated continuos fibre bundles on metallic or plastic cylinders (liner). Fibre bundle architecture in wound composite layers is closely connected with vessel mechanical properties. The winding manufacturing process introduce into wound composite materials some species like fibre crossovers and interweavings, fibre undulations and "rich" resin localisations. These are known to be localizations where usually damage initiation start. Thus fibre architecture designing is one of the most important step. The new fibre architecture design method (table method) has been here presented. This method allows easier designing of wound structure and consumes lees time and object number. Forty high pressure composite vessels with 8 possible fibre architectures (according to table method) have been made by winding of epoxy resin impregnated continuous glass fibre on 114 mm diameter metallic liners (10 l volume) at +/-55° winding angle. The strains (in the interweaving arrangement region - "interweaving lines" LP and in the free interweaving region at 27.5 MPa internal pressure), voids and total interweaving amounts in 8 wound structures have been given. It was found that the strains in the free interweaving region decrease with the increase in the total interweaving number, but the strains in the interweaving arrangement regions behave in opposite way. The strains in both regions become very close to each other for high amount of interweavings and small interweaving arrangement. It was also found that scatters for both measured strains increase from 5 to 20% for 131 and 580 total interweaving amounts, respectively. One may conclude that damage process in high pressure composite vessels at 27.5 MPa internal pressure is more far gone when the wound fibre architectures have high total interweaving amounts and interweaving arrangement regions are small. It also seems that designer of wound fibre architectures for internal pressure load applications should choice ones with minimum interweaving amount and high arrangement region.

Słowa kluczowe

PL

włókno; nawijanie; metoda tablicowa; projektowanie; struktura oplotu; przeplot; linia skrzyżowań; struktura nawijana; wysokociśnieniowa butla kompozytowa

EN

fibre; winding; filament winding; table method; fibre architecture; designing; interweaving; fibre crossovers line; wound structure; high pressure composite vessel

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 2
• Strony: 154--158
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Błażejewski W.

• Politechnika Wrocławska, Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław,

Bibliografia

• [1] Soden P.D., Kitching R., Tse P.C. Tsavalas Y., Hinton M.J., Influence of winding angle on the strength and deformation of filament-wound comp. tubes subjected to uniaxial and biaxial loads, Comp. Science and Tech. 1993, 46, 363-378.
• [2] Claus S.J., Hahn H.T., Processing-structure relationships for filament-wound composite shells, Sixth Technical Conference on Composite Materials, Albany, NY, 10, 1991, 866-872.
• [3] Hipp P.A., Jensen D.W., Design and analysis of filament-wound cyl. in compression, A Collection of Tech. Pap. The 33rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Struc., Structural Dyn. and Mat. Conf. Dallas, TX, USA, 04.1992, 2442-2453.
• [4] Rousseau J., Perreux J.D., Verdiere N., The influence of winding patterns on the damage behaviour of filament-wound pipes, Composites Science and Technology 1999, 59, 1439-1449.
• [5] Błażejewski W., Wpływ struktury nawijania włókna na wytrzymałość elementów walcowych wykonanych z kompozytu ES, praca doktorska, Politechnika Wrocławska 1999.
• [6] Błażejewski W., Designing of composite manufacturing by the winding method, Studia Geotechnica et Mechanica 2001, XXIII, 1-2, 33-42.
• [7] Błażejewski W., Metodyka doboru struktury kompozytowego oplotu nośnego zbiorników wytwarzanych metodą nawijania, Czasopismo Techniczne - Politechnika Krakowska, Mechanika 2009, z. 1-M, 9-14.
• [8] Piątek M., Teoretyczne podstawy nawijania elementów rurowych z włókna ciągłego splotem skrzyżowanym przy użyciu jednej wiązki, Polimery 1992, 9, 412-417.
• [9] Łuczak M., Nawijanie elementów rurowych z włókna szklanego ciągłego, kryteria teoretyczne, IELOW, dokumentacja techniczna nr 97180050269003786, Wrocław 1980.
• [10] Błażejewski W., Gąsior P., Kaleta J., Interferometryczne czujniki światłowodowe w monitorowaniu wysokociśnieniowych zbiorników komp., XXIII Symp. Mech. Eksp. Ciała Stałego, Jachranka k. W-wy, 15-18.10.2008, s. 5 + pełny tekst na CD.