Composite-Druckbehälter mit integrierten faseroptischen Sensoren kurz vor einer Berstprüfung.
Quelle: BAM
Composite-Druckbehälter gewinnen an Bedeutung für eine Vielzahl an Anwendungen, wie z. B. für die Speicherung von gasförmigem Wasserstoff und Atemluft. Um das Sicherheitsniveau der Druckbehälter weiter zu steigern, muss deren strukturmechanische Verhalten holistisch untersucht werden, das heißt u.a. unter Berücksichtigung der fertigungsbedingten Einflüsse. Die Composite-Druckbehälter werden überwiegend im Nasswickelverfahren gefertigt, das durch zahlreiche Parameter charakterisiert ist und einen Einfluss auf die Performance der fertigen Komponente hat.
In der veröffentlichten Studie wurden zwei Designs von 6,8-Liter-Composite-Druckbehältern hergestellt. Die Behälter-Geometrie, der Lagenaufbau der Composite-Struktur und die verwendeten Materialien waren bei beiden Designs gleich. Der einzige Variationsparameter war der Druck im Polymer-Liner während des Wickelns: eine Variante wurde mit einem konstanten und eine andere Variante mit einem ansteigenden Innendruck gewickelt. Ziel der Innendruckregelung war es, einen gleichmäßigeren Eigenspannungszustand zu erreichen und mögliche Faserondulationen zu minimieren.
Um die Dehnungen der Composite-Struktur zu überwachen, wurden faseroptische Sensoren in die Composite-Struktur eingebettet. Insgesamt wurden 10 Druckbehälter hergestellt und langsamen Berstprüfungen unterzogen, um ihr Sicherheitsniveau zu bewerten.
Die statistische Auswertung der Berstprüfungen zeigte, dass die mit einem ansteigenden Innendruck gewickelten Behälter eine höhere Überlebenswahrscheinlichkeit der im Gebrauch befindlichen Behälter aufwiesen. Dies lag an der verringerten Streuung der Berstfestigkeiten. Da die Innendruckregelung im Wickelprozess zu einer vernachlässigbaren Steigerung der Fertigungskosten führt, kann die Maßnahme als nahezu kostenneutral angesehen werden.
Impact of internal pressure control during manufacturing on residual stresses and safety performance of type 4 pressure vessels
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Bartosz Popiela, Stephan Günzel, Marcus Schukar, Georg W. Mair, Katerina Krebber, Holger Seidlitz
Composites Part C: Open Access, 2025