Verbundvorhaben HyInnoTank - Wasserstoff: Wartungsarme mobile Hochdruckspeicher - E

Abstract

Im Projekt HyInnoTank ging es um die Entwicklung von Hochdrucktanks aus Faserverbundwerkstoff mit integrierten optischen Sensoren, wobei die Methodenentwicklung im Vordergrund stand. Ziel ist es mit Hilfe der Sensoren die Effizienz und Sicherheit der Tanks deutlich zu erhöhen. Dadurch soll die Akzeptanz dieser Tanks verbessert werden.

Zunächst wurden Werkstoffproben zur Ermittlung der nachfolgend erforderlichen Werkstoffkennwerte zusammen mit den Projektpartnern definiert. Neben Flachzugproben wurden insbesondere NOL-Ring-Proben ausgewählt. Zur Auswertung der NOL-Ring-Proben wurde eine Auswertesystematik mittels begleitender Finite Elemente Berechnungen entwickelt. Das Verhalten der Werkstoffproben mit eingebetteten Fasern sowie das Verhalten von vorgeschädigten Werkstoffproben wurde ausführlich mittels Finite Element Modellierung studiert.

Im Weiteren wurde ein Testdruckbehälter ausgelegt. Dieser Behälter besteht aus Liner, Endstücken und Umwicklung. Der Liner und das Abdichtkonzept war vor Projektbeginn vom Projektpartner ausgewählt und konnte nicht verändert werden. Um eine optimale Bewicklung sowie eine beanspruchungsgerechte Konstruktion zu gewährleisten, wurden neue Endstücke sowie Einlegeteile aus Kunststoff entwickelt. Für diese Konfiguration wurde eine Bewicklung vorgeschlagen und in Abstimmung mit den Projektpartnern finalisiert.

Für den entwickelten Testdruckbehälter wurde ein Finite Elemente Berechnungsmodell für die Berstdruckprognose entwickelt. Hierbei wurden die zuvor ermittelten Werkstoffkennwerte verwendet. Das Modell wurde weiterhin an den Ist-Zustand der hergestellten Testdruckbehälter angepasst. Beide Maßnahmen führten zusammen zu einer sehr guten Übereinstimmung von prognostiziertem und beobachtetem Berstdruck.

In den Testdruckbehälter wurden seitens der Projektpartner Sensorfasern integriert. Die damit erzielten Ergebnisse wurden ausgiebig studiert und mit Ergebnissen der Modellrechnungen verglichen. Die Charakteristiken der beobachteten Daten konnten plausibel mit Formabweichungen der Behälter erklärt werden. Weiterhin wurde ein nichtlineares Verhalten der Dehnungsmessungen identifiziert, welches voraussichtlich auf Schädigungseffekte zurückzuführen ist.

Für die Ermüdungsberechnung des Testdruckbehälters wurde ein Modell in Form eines benutzerdefinierten Materialmodells implementiert. Das Modell basiert auf einer zyklenzahlabhängigen Degradation der elastischen Materialeigenschaften. Im Projektrahmen wurden, anders als geplant, keine zyklischen Versuche durchgeführt, da an den Testdruckbehältern wiederholt Undichtigkeiten an der Abdichtung auftraten. Daher standen keine Daten zur Anpassung des Ermüdungsmodells zur Verfügung.

Die an den Testdruckbehältern erarbeiteten Ergebnisse wurden auf 700 bar Druckbehälter übertragen. Dadurch konnte die Systematik zur Auslegung von Hochdruckbehältern aus Faserverbundwerkstoff weiter verbessert werden. Zum einen steht mit den NOL-Ring-Proben eine Systematik zur Ermittlung qualitativ sehr hochwertiger Materialkennwerte zur Verfügung. Zum anderen konnte die Modellierung der Behälter mittels Finite Elemente Modellen durch die begleitenden Messungen mit eingebetteten Sensorfasern weiter validiert werden.