مدل سازي المان محدود تخريب در مخزن تحت فشار كامپوزيتي نوع IV با استفاده از افزونه WCM در نرم افزار آباكوس

Finite element modeling of failure in IV type composite pressure vessel using WCM plug-in in ABAQUS software

امروزه هيدروژن به عنوان يك منبع انرژي سازگار با محيط زيست مورد توجه صنعت حمل و نقل قرار گرفته است. استفاده از مخازن تحت فشار كامپوزيتي نوع IV به دليل نسبت استحكام به وزن مناسب آن ها، راه حلي مطمئن براي ذخيره گاز هيدروژن متراكم به شمار مي آيد. مخازن تحت فشار كامپوزيتي نوع IV از سه بخش اصلي، لاينر پليمري، فلنج فلزي و پوسته كامپوزيتي الياف كربن/اپوكسي تشكيل شده اند. در ناحيه عدسي هاي اين مخازن به دليل كاهش شعاع و تجمع رزين، ضخامت لايه هاي كامپوزيتي و زاويه الياف افزايش مي يابد و اين امر مدل سازي اين نواحي را در اين مخازن به جدي ترين چالش تبديل كرده است. افزونه WCM به منظور شبيه سازي المان محدود متقارن محوري يا سه بعدي مخازن تحت فشار كامپوزيتي نوع III و IV، براي نرم افزار آباكوس ارائه شده است. در اين افزونه علاوه بر كميت هايي چون ضخامت لايه ها و زاويه الياف مي توان كميت هاي ساختي چون پهناي باند، زاويه انتقال و بخش پاياني را نيز تعيين كرد تا مدل سازي دقيق تري حاصل شود. در اين پژوهش، مخزن تحت فشار كامپوزيتي نوع IV با حجم داخلي دو ليتر، توسط افزونه WCM در نرم افزار آباكوس مدل شده است. مقايسه نتايج عددي حاصل از اين مدل سازي با نتايج تجربي و شبيه سازي هاي موجود در مقالات، دقت قابل قبول اين مدل سازي را نشان مي دهد. همچنين در اين پژوهش، پس از استخراج تنش هاي راستاي اصلي ماده و كدنويسي روابط حاكم بر معيارهاي شكست مواد كامپوزيتي چون تساي-هيل، تساي- وو و هشين، فشار تخريب مخزن پيش بيني شده است كه در پژوهش هاي ديگر به آن پرداخته نشده است.

Hydrogen has become an attractive source of energy for transportation industry, which is adaptable to the environment. Using composite pressure vessel type IV for storing compressed hydrogen gas seems to be a safety solution because of their ratio of strength to weight. Type IV composite pressure vessels consist of three main parts of polymeric liner, metallic boss and carbon fiber/epoxy composite shell. In the dome zones of these vessels, the thickness of composite layers and the fiber angle would increase because of accumulation of resin and reduction in radius. This issue is caused the modeling of these vessels to be a serious challenge. The WCM plug-in is presented for simulation of axisymmetric or three-dimensional composite pressure vessels type III and IV in ABAQUS software. In addition to the parameters like layer thicknesses and fiber angles, manufacturing parameters such as bandwidth, transition angle and end fraction could be also defined in this plug-in in order to achieve more accurate results. In this study, a type IV high pressure composite vessel with inner volume of two liters is modeled using the WCM plug-in in ABAQUS software. Numerical results are assessed by the available experimental results in the literature. Moreover, failure pressure of this vessel has been estimated by calculating the on-axis stresses and using failure criteria such as Tsai-Hill, Tsai-Wu and Hashin which is not done in other investigations.