Badania prototypowego zbiornika kompozytowego na gaz ziemny

Agnieszka HALAMA 1, Mariusz RUCHWA 2, Janusz RATOMSKI 3 1 Instytut Elektrotechniki, Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu 2 Katedra Mechaniki Budowli, Politechnika Koszalińska 3 IRENE Agencja Handlowa Import-Export I.J. Ratomscy, Kobylnica E mail: halama@iel.wroc.pl, ruchwa@wbiis.tu.koszalin.pl, info@irene.pl 1 Wprowadzenie Badania prototypowego zbiornika kompozytowego na gaz ziemny Współczesny przemysł motoryzacyjny stawia wysokie wymagania techniczne, które dotyczą równieŝ zbiorników przeznaczonych do magazynowania gazu ziemnego, jako źródła zasilania pojazdów. Istotne jest, aby zbiorniki były moŝliwie lekkie i jednocześnie pozwalały na magazynowanie jak największej ilości paliwa, przy oczywistym spełnieniu wszystkich wymagań wytrzymałościowych. Takie wymagania przyczyniają się do wzrostu zainteresowania konstruowaniem zbiorników kompozytowych. W zaleŝności od rozwiązania konstrukcji zbiornika wyróŝniane są róŝne typy zbiorników. Jednym ze stosowanych typów jest CNG-3 zbudowany z gazoszczelnej powłoki metalowej całkowicie pokrytej laminatem kompozytowym. Wymagania dotyczące konstruowania tego typu zbiorników są zawarte w aktach normatywnych [1] i dotyczą głównie zapewnienia takiej konstrukcji, która będzie się charakteryzowała odpowiednio wysoką wartością ciśnienia rozrywającego oraz określoną wartością współczynnika poziomu napręŝeń we włóknach. Celem prezentowanych badań było opracowanie prototypowego zbiornika typu CNG-3, który spełni wymagania normowe oraz uŝytkowe podyktowane planowanym zastosowaniem. Badania dotyczące zbiornika miały charakter doświadczalny i numeryczny. 2 ZałoŜenia projektowe i badania wstępne Do wykonania prototypowego zbiornika przewidziano zastosowanie wkładu wykonanego ze stopu aluminium 6061-T651 oraz kompozytu węglowo-epoksydowego. Podstawowe parametry mechaniczne materiałów zostały określone podczas testów wytrzymałościowych [2]. Uzyskane najwaŝniejsze parametry wytrzymałościowe aluminium oraz kompozytu zostały przedstawione w tabelach 1. i 2. Z uwagi na uwarunkowania funkcjonalne, przyjęto następujące wymiary wkładu aluminiowego: długość 800 mm, średnica 240 mm oraz grubość ścianki 6,35 mm. Widok wkładu aluminiowego został pokazany na rysunku 1.

Tab. 1. Parametry wytrzymałościowe aluminium 6061-T651 Tab. 1. The strength parameters of 6061-T651 aluminum alloy L.p. Właściwości Wartości 1. gęstość (ρ) 2 700 kg/m 3 2. moduł spręŝystości podłuŝnej (E) 68,95 GPa 3. stała Poisson a (ν) 0,3 4. granica plastyczności (R e ) 267,5 MPa 5. granica wytrzymałości (R m ) 288,2 MPa 6. trwałe wydłuŝenie 14,4 % Tab. 2. Parametry wytrzymałościowe kompozytu węglowo-epoksydowego Tab. 2. The strength parameters of the carbon-epoxy composite L.p. Właściwości Wartości 1. gęstość (ρ) 1 800 kg/m 3 2. moduł spręŝystości przy rozciąganiu wzdłuŝ włókien (E 1 ) 3. moduł spręŝystości przy rozciąganiu w poprzek włókien (E 2 ) 145 GPa 7,79 GPa 4. stała Poisson a (ν) 0,3 5. moduł spręŝystości przy ścinaniu (G 12 ) 5,52 GPa 6. wytrzymałość na rozciąganie wzdłuŝ włókien (X t ) 7. wytrzymałość na ściskanie wzdłuŝ włókien (X c ) 8. wytrzymałość na rozciąganie w poprzek włókien (Y t ) 9. wytrzymałość na ściskanie w poprzek włókien (Y c ) 2 730 MPa 693 MPa 17,0 MPa 142 MPa 10. wytrzymałość na ścinanie (S) 44,7 MPa

Rys. 1. Wkład aluminiowy Fig. 1. Aluminum liner Rys. 2. Widok częściowo wykonanej warstwy planetarnej nawijanego włókna Fig. 2. A view of partly realized winded fibre planar layer Do wykonania struktury laminatu kompozytowego przewidziano metodę wet filament winding [3]. W części walcowej przyjęto zastosowanie dwóch rodzajów nawijania włókien kompozytowych obwodowego (kąt nachylenia do osi podłuŝnej zbiornika 90o) oraz planetarnego (kąt 14o). Natomiast w części dennej jedynie planetarnego (Rysunek 2.).

Wstępny projekt konstrukcji zbiornika obejmował kilka wariantów struktur laminatu róŝniących się grubościami i rodzajem nawijania poszczególnych warstw w części walcowej oraz grubością laminatu w róŝnych obszarach części dennej. W poszczególnych wariantach całkowita grubość laminatu w części walcowej wahała się w zakresie 8,6 18 mm, natomiast w części dennej 8 24 mm. PoniewaŜ ustalenie rozkładu napręŝeń w płaszczu zbiornika oraz określenie współczynnika poziomu napręŝeń, na drodze eksperymentalnej, stwarza powaŝne trudności konieczne było przeprowadzenie analizy numerycznej, która miała na celu ustalenie tych wielkości oraz zweryfikowanie projektowanych wariantów struktury laminatu. 3 Analiza numeryczna Numeryczną ocenę wytrzymałości poszczególnych wariantów zbiornika przeprowadzono zgodnie z zaleceniami dotyczącymi materiałów kompozytowych [3, 4, 5] i przepisami normowymi [1], przy pomocy Metody Elementów Skończonych [6, 7], przy uwzględnieniu nieliniowości geometrycznych oraz fizycznych. W analizie przyjęto trójwymiarowe modele zbiornika, w których uwzględniono informacje dotyczące kształtu zbiornika, właściwości zastosowanych materiałów oraz wariantów układu i grubości warstw w powłoce laminowanej. Opis nieliniowych właściwości materiałowych aluminium, z jakiego wykonano wkład łącznie z głowicą, przyjęto jako spręŝysto-plastyczny z kryterium uplastycznienia Hubera-Misesa-Hencky ego, stowarzyszonym prawem płynięcia oraz liniowym wzmocnieniem izotropowym [8]. Właściwości materiału kompozytowego zostały opisane przy pomocy równań liniowospręŝystego materiału ortotropowego [3, 4]. W poszczególnych warstwach kompozytu laminowanego została uwzględniona, właściwa dla danej warstwy, orientacja przestrzenna układu głównych kierunków materiałowych. Aluminiowy wkład oraz laminowana powłoka zewnętrzna były dyskretyzowane powłokowymi elementami skończonymi, natomiast aluminiową głowicę (króciec) dyskretyzowano bryłowymi elementami skończonymi (Rysunek 3). KaŜdy z powłokowych elementów skończonych posiada 4 węzły i 24 stopnie swobody, a opis matematyczny umoŝliwia analizę cienkich oraz grubych powłok w zakresie skończonych odkształceń. W przypadku elementów bryłowych, kaŝdy element posiada 8 węzłów i 24 stopnie swobody. Uwzględniona została równieŝ współpraca powłoki aluminiowej oraz kompozytowej (ich zespolenie). ObciąŜenie działające na zbiornik było zadane jako statyczne ciśnienie wewnętrzne o trzech poziomach wartości, zgodnie z normą [1]: ciśnienie robocze (20,0 MPa), próbne (30,0 MPa) i rozrywające (47,0 MPa). Obliczenia zostały przeprowadzone przy pomocy oprogramowania Abaqus/Standard [9]. Podczas analizy wyników wszystkich wariantów obliczeń, z uwagi na specyfikę zagadnienia oraz wymagania normowe, zwrócono szczególną uwagę na rozkład napręŝeń i odkształceń w poszczególnych częściach i warstwach zbiornika. W laminacie kompozytowym analizowano stan napręŝeń normalnych na kierunku włókien i kierunku prostopadłym do włókien oraz napręŝeń stycznych we wszystkich warstwach laminatu, na róŝnych poziomach warstw. Wartości napręŝeń uzyskane w stanach obciąŝenia próbnego i rozrywającego pozwoliły na wyznaczenie wartości współczynników poziomu napręŝeń.

Rys. 3. Siatka elementów skończonych (widok ½ zbiornika) Fig. 3. Finite element mesh (view of ½ tank) W przypadku aluminiowego wkładu analizowano szczegółowo rozkład napręŝeń zastępczych Hubera-Misesa-Hencky ego (napręŝenia zastępcze Misesa) i zastępczych odkształceń plastycznych na róŝnych poziomach grubości powłoki. Rozkład napręŝeń zastępczych w głowicy (króćcu) nie był szczegółowo analizowany z uwagi na brak istotnych wymagań normowych oraz nieznaczne wykorzystanie nośności, tego masywnego elementu zbiornika. Przedstawione poniŝej wyniki dotyczą wariantu budowy zbiornika kompozytowego, który został uznany za najlepszy. Przykładowy rozkład napręŝeń zastępczych w aluminiowym wkładzie pokazano na rysunku 4., natomiast maksymalne wartości napręŝeń w poszczególnych wariantach obciąŝenia przedstawiono w tabeli 3. Wybrane wyniki dotyczące stanu napręŝenia w laminacie przedstawiono na rysunkach 5 10 oraz w tabeli 4. PoniewaŜ w analizie zbiornika obciąŝonego ciśnieniem rozrywającym stwierdzono w laminacie przekroczenie napręŝeń normalnych na kierunku prostopadłym do kierunku włókien, został wykonany dodatkowy wariant analizy, w którym przy ciśnieniu rozrywającym uwzględniono brak moŝliwości przenoszenia napręŝeń przez matrycę kompozytu. Wyniki tego wariantu analizy pokazano w tabelach 5. i 6. Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na wskazanie układu warstw w laminacie charakteryzującego się najmniejszą łączną grubością oraz spełnieniem wszystkich wymagań normowych i technologicznych. Wyniki analizy numerycznej wskazały równieŝ, Ŝe pewne propozycje układu warstw są poprawne z punktu widzenia wytrzymałości zbiornika, jednak nie spełniony jest poziom wartości współczynnika napręŝeń.

Rys. 4. Przykładowy rozkład napręŝeń zastępczych Hubera-Misesa-Hencky ego na zewnętrznej powierzchni aluminiowego wkładu (obciąŝenie 30 MPa, wartości w Pa) Fig. 4. Example of Huber-Mises-Hencky equivalent stress distribution on the external surface of the aluminum liner (30 MPa load, values in Pa) Tab. 3. Obliczone maksymalne wartości napręŝeń zastępczych Hubera-Misesa-Hencky ego w aluminiowym wkładzie zbiornika Tab. 3. Maximum numerical values of Huber-Mises-Hencky equivalent stress on the surfaces of the aluminum liner Powierzchnia powłoki Maksymalne wartości napręŝeń zastępczych Misesa [ MPa ] ciśnienie robocze ciśnienie próbne ciśnienie rozrywające wewnętrzna 95,4 143,1 224,1 środkowa 97,1 145,6 227,9 zewnętrzna 102,0 152,8 238,9

Rys. 5. Rozkład napręŝeń normalnych na kierunku włókien w części sferycznej, w najbardziej wytęŝonej warstwie laminatu (obciąŝenie 20 MPa, wartości w Pa) Fig. 5. Distribution of normal stress in the fibre direction in a spherical part on the extremely loaded laminate layer (20 MPa load, values in Pa) Rys. 6. Rozkład napręŝeń normalnych na kierunku włókien w części walcowej, w najbardziej wytęŝonej warstwie laminatu (obciąŝenie 20 MPa, wartości w Pa) Fig. 6. Distribution of normal stress in the fibre direction in a cylindrical part on the extremely loaded laminate layer (20 MPa load, values in Pa)

Tab. 4. Obliczone maksymalne wartości napręŝeń w laminacie Tab. 4. Maximum numerical values of the stresses on the laminate layers L.p. Ciśnienie wewnętrzne [ MPa ] Część powłoki (laminatu) Maksymalne wartości napręŝeń [ MPa ] Normalne na kierunku włókien Normalne na kierunku prostopadłym do włókien Styczne 1. 20 (ciśnienie robocze) dennica 145,9 170,5 10,8 11,2 0,5 1,0 część walcowa 105,3 159,2 7,6 10,1 0,02 0,5 2. 30 (ciśnienie próbne) dennica 218,9 256,1 16,2 16,8 0,9 1,8 część walcowa 158,2 238,9 11,8 15,1 0,02 0,7 3. 47 (ciśnienie rozrywające) dennica 342,7 402,6 25,3 26,3 1,4 2,3 część walcowa 248,4 374,6 18,5 23,8 0,03 1,1

Tab. 5. Obliczone maksymalne wartości napręŝeń w uszkodzonym laminacie (przy ciśnieniu 47 MPa) Tab. 5. Maximum numerical values of the stresses on the damaged laminate layers (at 47 MPa load) L.p. Ciśnienie wewnętrzne [ MPa ] Część powłoki (laminatu) Maksymalne wartości napręŝeń [ MPa ] Normalne na kierunku włókien Normalne na kierunku prostopadłym do włókien Styczne 1. 47 (ciśnienie rozrywające) dennica 342,7 402,6 ~ 0 ~ 0 część walcowa 248,4 374,6 ~ 0 ~ 0 Tab. 6. Obliczone maksymalne wartości napręŝeń zastępczych Hubera-Misesa-Hencky ego w aluminiowym wkładzie zbiornika z uszkodzonym laminatem (przy ciśnieniu 47 MPa) Tab. 6. Maximum numerical values of Huber-Mises-Hencky equivalent stress on the surfaces of the aluminum liner with damaged laminate (at 47 MPa load) Powierzchnia powłoki Maksymalne wartości napręŝeń zastępczych Misesa [ MPa ] wewnętrzna 224,1 środkowa 227,9 zewnętrzna 238,9

4 Próba hydrostatyczna Decydującym badaniem sprawdzającym poprawność przyjętych załoŝeń projektowych oraz uzyskanych wyników numerycznych było badanie doświadczalne w postaci próby hydrostatycznej. Zostało wykonanych kilka serii zbiorników róŝniących się strukturą laminatu kompozytowego, zarówno tych, które uzyskały pozytywne oceny w analizie numerycznej, jak i tych co, do których nasuwały się pewne wątpliwości. Wszystkie zbiorniki zostały poddane próbom hydrostatycznym podczas których stopniowo zwiększano wartość ciśnienia wewnętrznego w zbiornikach, poprzez wartości trzech poziomów ciśnień normowych, aŝ do momentu rozerwania kaŝdego ze zbiorników. Wyniki doświadczalne potwierdziły spełnienie wymagań określonych w normie, w tych wariantach zbiorników, które w podobny sposób zostały ocenione podczas analizy numerycznej. Zbiorniki nie zwiększyły nadmiernie swojej objętości w przypadku obciąŝenia próbnego, wytrzymały normową wartość ciśnienia rozrywającego a rzeczywista wartość ciśnienia rozrywającego wahała się pomiędzy 65 72 MPa. Pozostałe warianty zbiorników, nawet jeśli uzyskały wartość ciśnienia rozrywającego wyŝszą od normowej, to niestety wykazywały niewłaściwe postacie zniszczenia zbiornika np. oderwanie dennicy lub głowicy od pozostałej części zbiornika. Przykład takiej postaci zniszczenia pokazano na rysunku 11. Rys. 11. Widok rozerwanego w próbie hydrostatycznej zbiornika, który nie przeszedł pozytywnie testu. Fig. 11. A view of a burst tank, which failed to pass the hydrotest

Rys. 12. Widok prototypowego zbiornika na gaz typu CNG-3 Fig. 12. A prototype CNG-3 gas pressure vessel Wyniki badań doświadczalnych umoŝliwiły dokonanie ostatecznego wyboru wariantu układu warstw i ich grubości w laminacie kompozytowym. Przyjęty został wariant, którego całkowita grubość w części walcowej wynosi 11,6 mm. 5 Podsumowanie Przeprowadzone badania o charakterze numerycznym oraz doświadczalnym pozwoliły na weryfikację załoŝeń projektowych i doprowadziły do budowy prototypowego zbiornika kompozytowego na gaz typu CNG-3, spełniającego wszystkie wymagania normowe oraz uwarunkowania związane z planowanym zastosowaniem. W trakcie badań moŝna było dostrzec korzyści wynikające z przeprowadzonej analizy numerycznej. Wyniki analizy pomogły w ograniczeniu zakresu prac doświadczalnych oraz wpłynęły na zmniejszenie kosztów. Prototypowy zbiornik zdobył Złoty Medal na III Międzynarodowej Wystawie Wynalazków i Innowacji - IWIS 2009. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2005-2008 jako projekt celowy nr 6T08 2005C/06566.

Literatura 1. PN-EN ISO 11439:2003 Butle do gazów. Wysokociśnieniowe butle do gazu ziemnego stosowane jako zbiorniki paliwa pojazdów samochodowych. 2. Ochelski S.: Metody doświadczalne mechaniki kompozytów konstrukcyjnych. WNT Warszawa 2004. 3. German J.: Podstawy mechaniki kompozytów włóknistych. Politechnika Krakowska Kraków 1996. 4. Hyla I., Śleziona J.: Kompozyty. Elementy mechaniki i projektowania. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej Gliwice 2004 5. Wilczyński A.: Polimerowe kompozyty włókniste. WNT Warszawa 1996. 6. Bathe K.J.: Finite Element Procedures. Prentice Hall Englewood Cliffs New Jersey 1996. 7. Belytschko T., Liu W.K., Moran B., Nonlinear Finite Elements for Continua and Structures. John Wiley & Sons 2000. 8. Bednarski T.: Mechanika plastycznego płynięcia w zarysie. PWN Warszawa 1995. 9. ABAQUS Analysis User s Manual. Abaqus. Inc. Pawtucket, 2007. Streszczenie W pracy zawarto opis badań doświadczalnych i numerycznych dotyczących opracowania prototypu zbiornika kompozytowego na spręŝony gaz ziemny. Projektowany zbiornik o objętości 30 dm 3, składał się z metalowego wkładu wykonanego z aluminium 6061-T651 pokrytego na całej powierzchni laminatem kompozytowym, węglowo-epoksydowym. Istotnym etapem badań było sprawdzenie, na podstawie obliczeń numerycznych Metodą Elementów Skończonych (MES), który z zakładanych wariantów laminatu powinien być zastosowany, aby zbiornik spełniał wymagania normowe. Przeprowadzone doświadczalnie próby wytrzymałościowe na wykonanej serii zbiorników wykazały prawidłowość przeprowadzonych obliczeń oraz pozwoliły na dokonanie wyboru ostatecznej konstrukcji zbiornika. Prototype composite gas pressure vessel studies Summary This paper comprises a description of experimental tests and numerical studies pertaining to development of a prototype composite gas pressure vessel. The designed pressure tank featuring the volume of 30 dm 3, consisted of a metal liner made of 6061- T651 aluminum coated on its entire surface with carbon-epoxy composite laminate. An important stage of the study was checking, based on the Finite Elements Method (FEM) numerical calculations, which of the assumed laminate variants should be employed so that the tank would comply with standard requirements. The strength tests performed experimentally on the manufactured series of tanks proved correctness of the calculations made and allowed for selection of the ultimate tank design.