Structure analysis of helically wrapped composite pressure vessels

• Autorzy: Błażejewski W. , Juskowiak E. , Mażulis J. , Rybczyński R.

Warianty tytułu

PL

Analiza struktury krzyżowo nawiniętych warstw w kompozytowych zbiornikach wysokociśnieniowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper investigates the structures of composite overwrapped pressure vessels (COPV) intended for use as storage tanks for compressed gas fuels in automobiles and other vehicles. The objective of this work was to establish the use of mosaic patterns arising during winding in the helical layers. In the authors' opinion, the optimal mosaic pattern considering the behavior of reinforcement tows under loading is the one designated as Nr1 in the matrix method. It exhibits the lowest number of crossovers, as well as their most orderly array - linear. Crossovers are considered as local distortion of a composite structure, which has a negative effect on the development of damage in the material. This statement is the result of previous studies performed by the authors, as well as papers by other researchers. In total, 9 different type 3 and type 4 vessels produced by filament winding were studied. The studies encompassed an analysis of the mosaic patterns in selected helical layers only. This work contains neither information on the thickness, sequence or winding angle in the helical layers, nor on the number of longitudinal or circumferential layers. The work presents non-standard methods for the assessment and designation of mosaic patterns. The mosaic patterns in the helical layers were designated in accordance to the matrix method. The patterns were compared to the Nr1 patterns, which are optimal because of the lowest number of crossovers. The results of the study point to a lack of good engineering practices in the usage of specific mosaic patterns in responsible high-pressure constructions. In the opinion of the authors, the only rationale for the use of specific mosaic patterns now in use by the industry is the visual effect and attractive, rhombic character of the pattern. Each vessel had a unique composite layer template. Among the analyzed vessels, only one Nr1 mosaic pattern was found. It was used in the layer laid down at the angle of 14°.

PL

W pracy badano struktury zbiorników kompozytowych z pełnym oplotem (ang.: COPV - Composite Overwrapped Pressure Vessels) przeznaczonych do magazynowania wysokosprężonych paliw gazowych w pojazdach. Celem badań było ustalenie stosowania architektur nawijania w warstwach krzyżowych. Według autorów, optymalna jest architektura oznaczana w metodzie tablicowej jako Nr1. Charakteryzuje się najmniejszą liczbą przeplotów i ich największym uporządkowaniem. Przeplot jest uważany za lokalne zaburzenie struktury. Wpływa on niekorzystnie na rozwój uszkodzeń w materiale. To stwierdzenie jest wynikiem wcześniejszych badań autorów oraz innych doniesień literaturowych. W sumie zbadano 9 sztuk różnych zbiorników typu 3 i 4 wytwarzanych metodą nawijania. Badania polegały na analizie architektur nawijania użytych jedynie w wybranych warstwach krzyżowych. W pracy nie ma informacji na temat grubości, sekwencji czy kątów nawijania w warstwach krzyżowych oraz o ilości zastosowanych warstw obwodowych i wzdłużnych. Zaprezentowano niestandardowe metody badań do oceny architektur nawijania. Architektury warstw krzyżowych oznaczano zgodnie z metodą tablicową. Wyznaczone architektury odnoszono do architektury Nr1 jako optymalnej ze względu na najmniejszą liczbę przeplotów. Wyniki przeprowadzonych badań świadczą o braku tendencji w stosowaniu konkretnej architektury nawijania. Każdy zbiornik charakteryzował się indywidualnym sposobem wykonywania warstw kompozytowych. W badanych zbiornikach znaleziono tylko jedną architekturę, określaną według metody tablicowej jako Nr1. Była ona użyta w warstwie wykonanej pod kątem 14°.

Słowa kluczowe

EN

high-pressure composite vessels; filament winding method; winding architecture; mosaic patterns; diamond patterns; triangular repeating mosaic; matrix method; structures of winding composites; interweaving; tow undulations; crossovers; CNG; CH2; mosaic-shaped patterns; triangular-shaped mosaic patterns; diamond-shaped patterns

PL

kompozytowe zbiorniki wysokociśnieniowe; metoda nawijania; architektura nawijania; metoda tablicowa; struktura kompozytu nawijanego; przeploty; CNG; CH2; skrzyżowania wiązek

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 13, nr 3
• Strony: 193--197
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Błażejewski W.

• Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics, ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Juskowiak E.

• Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics, ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Mażulis J.

• Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics, ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

autor

Rybczyński R.

• Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics, ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław, Poland

Bibliografia

• [1] Hernandez-Moreno H., Douchin B., Collombet F., Choqueuse D., Davies P., Influence of pattern on the mechanical behavior of filament wound composite cylinders under external pressure, Composites Science and Technology 2008, 68, 1015-1024.
• [2] Morozov E.V., The effect of filament-winding mosaic patterns on the strength of thin-walled composite shells, Composites structures 2006, 76, 123-129.
• [3] 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.
• [4] Błażejewski W., Zasady doboru struktur nawijania zbiorników wysokociśnieniowych (Principles of selecting filament winding structures of high-pressure vessels), Polimery i kompozyty konstrukcyjne, ed. G. Wróbel, Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2008, 19-28.
• [5] Błażejewski W., Zastosowanie metody tablicowej w projektowaniu oplotu kompozytowego butli wysokociśnieniowych (Designing of wound composite structure for high pressure composite vessels by matrix method), Kompozyty 2010, 10, 2, 154-158,
• [6] Błażejewski W., Maziuk K., Ziółkowski B., Żołyńska K., Defekty warstwy kompozytowej butli wysokociśnieniowych (Wound composite layer defects in high-pressure vessels), [w:] Polimery i kompozyty konstrukcyjne, ed. G. Wróbel, Logos Press, Cieszyn 2011, 41-48,
• [7] Purslow D., On the optical assessment of the void content in composite materials, Composites 1984, 15(3), 207-210.
• [8] Bełzowski A., Stasieńko J., Ziółkowski B., Kamińska A., Niektóre kryteria akceptacji defektów w kompozytach na przykładzie laminatu ciętego strumieniem wody (Some criteria for accepting defects in composites as applied to a laminate cut with a water-jet), Kompozyty 2004, 12, 4, 389-395.
• [9] EN ISO 1172: Textile-glass-reinforced plastics - Prepregs, moulding compounds and laminates - Determination of the textile-glass and mineral-filler content - Calcination mathods (PN-EN ISO 1172:2002 Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym, preimpregnaty, tłoczywa i laminaty. Oznaczanie zawartości włókna szklanego i napełniacza mineralnego. Metody kalcynowania).
• [10] Błażejewski W., Wpływ struktury przewijania włókna na wytrzymałość elementów walcowych wykonanych z kompozytu epoksydowo-szklanego (Influence of the fiber-winding structure on the mechanical strength cylindrical elements made of composite epoxy-glass composite), Annex to doctoral dissertation, PWr. 1999.