Manufacturing and pressure tests of braided vessels with integrated optical fiber sensors

• Autorzy: Hufenbach W. , Gude M. , Czulak A. , Gąsior P. , Kretschmann M.
• Konferencja: "Diagnostyka Materiałów Polimerowych 2011". Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna (1 ; 9-18.12.2011 ; Gliwice, Polska - Male (Val di Sole), Italy)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The novel braiding technology of glass fiber reinforcement structures has high potential to fabricate near-net-shaped fiber preforms of complex shaped composite vessels and to allow an accelerated manufacturing process, ensuring the reproducibility and good quality of the specimens. In this paper, the methodology of prototyping high-pressure composite vessels, manufactured with this novel technique, according to this construction type is shown. High pressure composite vessels have broad applications in many areas such as: automotive industry, aeronautics, rescue services, etc. In comparison to standard steel vessels, composite vessels have many advantages. High mechanical strength and strong weight reduction make composite vessels popular in novel technologies. An interesting example is a lightweight, high pressure vessel destined to store compressed fuels like methane or hydrogen. These gases are necessary to supply the fuel cell (mainly H2) or to direct burning of the gases in cars, special mobiles, and different equipment (ex. Stationary power generator etc.). However, the novel high-pressure composite vessel needs a very efficient manufacturing process and precise monitoring system. For suitable monitoring system, optical fiber sensors were used to register deformation areas, enabling their on-line or periodical technical monitoring. During the braiding process, between the last reinforcement layers, two types of optical fiber sensors were installed. Point sensors in the form of Fiber Bragg Gratings were used. FBGs are novel optical sensors recorded within the core of the standard optical fiber. Additional optical fiber sensors in form of FBGs for reference measurement were installed on the outer surface of the pressure vessel.

PL

Nowoczesne technologie wytwarzania konstrukcji zbrojonych wyplatanym włóknem szklanym mają duży potencjał w wytwarzaniu zbiorników kompozytowych o wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej, pozwalając na przyspieszenie procesu produkcyjnego, wraz z zapewnieniem powtarzalność oraz dobrej jakości próbek. W niniejszym opracowaniu pokazano metodologie produkcji prototypów wysokociśnieniowych zbiorników kompozytowych, wytwarzanych techniką dopasowaną do tego typu konstrukcji. Wysokociśnieniowe zbiorniki kompozytowe znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach jak: przemysł motoryzacyjny, lotniczy czy w służbach ratowniczych itp. W porównaniu do standardowych zbiorników stalowych, zbiorniki kompozytowe posiadają wiele zalet. Wysoka wytrzymałość mechaniczna oraz niewielka masa sprawiają, że w produkcji kompozytowych zbiorników stosuje się coraz częściej nowoczesne technologie. Interesującym przykładem są lekkie wysokociśnieniowe zbiorniki przeznaczone do przechowywania sprężonych paliw, takie jak metan lub wodór. Gazy te są niezbędne do zasilania ogniw paliwowych (głównie H2) lub do bezpośredniego spalania w samochodach, pojazdach specjalnych oraz innych urządzeniach (np. w stacjonarnych agregatach prądotwórczych itp.). Ale te nowoczesne wysokociśnieniowe zbiorniki kompozytowe potrzebują wydajnego procesu produkcyjnego, jak również precyzyjnego systemu monitorowania. Z tego względu, w pracy wykorzystano czujniki optyczne do rejestracji obszarów odkształceń, pozwalające na ciągły lub okresowy monitoring. Podczas procesu wyplatania, dwa rodzaje siatek Bragga (FGB) zostały zintegrowane ze strukturą, pomiędzy przedostatnią, a ostatnią warstwą zbrojenia. W celu uzyskania wartości referencyjnych, dodatkowe optyczne czujniki zostały również zainstalowane na zewnętrznej powierzchni zbiornika ciśnieniowego.

Słowa kluczowe

EN

high-pressure composite vessel; braided composite; glass fibre; structure damage; monitoring system; optical fibre sensor

PL

zbiornik kompozytowy wysokociśnieniowy; kompozyt wyplatany; włókno szklane; uszkodzenie struktury; system monitoringu; czujnik optyczny

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
• Czasopismo: Przetwórstwo Tworzyw
• Rocznik: 2011
• Tom: [R.] 17, nr 6
• Strony: 454--459
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Hufenbach W.

autor

Gude M.

autor

Czulak A.

autor

Gąsior P.

autor

Kretschmann M.

Bibliografia

• 1. Blazejewski W., Gasperowicz A., Gasior P., Kaleta J.: Composite vessels for CNG and Hydrogen storage. Certification requirements and test methods, part 1. CNG - Czas Na Gaz, no 19, XI-XII.2006, in Polish.
• 2. Gasior P., Kaleta J., Blazejewski W.: Burst test of high pressure composite vessels for gaseous fuels storage. W: 25th Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Ceske Budejovice, Cesky Krumlov, Czech Republic, September 24-27, 2008.
• 3. Blazejewski W., Gasior P., Kaleta J., Sankowska A.: Optical fiber sensors integrated with composite material based constructions. Lightguides and Their Applications III, Proc. SPIE s. 66081L-1-66081L-10, cop. 2007.
• 4. Gasior P., Kaleta J., Sankowska A.: Optical fiber sensors in health monitoring of composite high pressure vessels for hydrogen, Proc. SPIE s. 66163G-1-66163G-10, cop. 2007.
• 5. Soden P.D., and others: Influence of winding angle on the strength and deformation of filament-wound composite tubes subjected to uniaxial and biaxial loads. Composites Science and Technology 46, pp 363-378.
• 6. Peters S.T.: Handbook of Composites, 2. ed., Chapman & Hall, London.
• 7. Hufenbach W., Czulak A., Blazejewski W., Gasior P.: Braided high pressure vessels with integrated optical sensors. Polish Society for Composite Materials - Composites 9: 2 (2009) 107-111, in Polish.
• 8. Blazejewski W., Czulak A., Gasior P., Pawlak T., Hufenbach W.: Pressure tests of composite braided tube specimens. Polish Society for Composite Materials - Composites 9: 3 (2009) 291 -296, in Polish.
• 9. Gąsior P., Kaleta J., Sankowska A., Monitoring methods of high-pressure vessels with use of optical fiber sensors, 22nd Symposium on Experimental Mechanics of Solids, Jachranka, Poland, 2006.
• 10. Gąsior P., Sankowska A.: Monitoring of the defects in epoxy-carbon composite tube with use of the optical fiber sensors. W: 23rd Danubia-Adria Symposium on Experimental Methods in Solid Mechanics, Podbanske-Zilina, Slovak Republik, September 26 - September 29, 2006.
• 11. Yu F., Yin S.: Fiber Optic Sensors, Marcel Dekker, Inc., New York, 2002.
• 12. Inaudi D., et al., Low-coherence deformation sensors for the monitoring of civil engineering structures, Sensors and Actuators, A 44, 1994, pp. 125-130.
• 13. Glisic B., Inaudi D.: Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. John Wiley and Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, 2007.
• 14. ECE Regulation No. 110.