آناليز واماندگي كپسول‌هاي CNG كامپوزيتي با بررسي تاثير همزمان تغيير تعداد لايه‌ها و كسر حجمي الياف تقويت كننده

Failure Analysis of Composite Compressed Natural Gas (CNG) Tanks and Evaluation of the Simultaneous Effects of Number of Layers and Fiber Volume Fractions

كپسول‌هاي CNG كامپوزيتي، مزاياي قابل توجهي نسبت به انواع فلزي خود دارند كه از آن جمله مي‌توان به قابليت ذخيره سازي گاز با فشار بالاتر، مكانيزم‌هاي واماندگي ايمن‌تر، ويژگي هاي مكانيكي بهتر، مقاومت بالاتر در برابر خوردگي و 2 تا 4 برابر وزن كمتر اشاره كرد. هدف اصلي اين پژوهش، آناليز ترمومكانيكي و ارزيابي كپسول‌هاي CNG كامپوزيتي است. براي ساخت اين كپسول‌ها، يك رزين اپوكسي با كارايي بالا به عنوان فاز زمينه كامپوزيت زمينه پليمري و الياف كربن با استحكام بالا از نوع T-700S به عنوان فاز تقويت كننده انتخاب شد. پس از تعيين ويژگي هاي گوناگون اين دو بخش اصلي، ويژگي-هاي لميناي ناشي از آن‌ها به كمك روابط ميكرو مكانيك تعيين و براي ساخت آن نيز يك دستگاه رشته‌پيچ 5 محوري ساخته شد. سپس با توجه به شرايط كاري بهينه دستگاه كه در كسر حجمي 50 تا 60 درصد از الياف تقويت كننده بدست مي‌ آمد، آناليز ترمومكانيكي سه بُعدي در كسر حجمي 50، 55 و 60 درصد با استفاده از نرم‌افزار ANSYS-12 انجام شد. با توجه به نتايج اين پژوهش، افزايش تعداد لايه‌هاي لمينت كامپوزيتي و كسر حجمي الياف تقويت كننده، تاثيري متفاوت بر رفتار واماندگي آستر فلزي و لايه‌هاي كامپوزيتي دارند. از نتايج ديگر، تاثير بسزاي تنش‌هاي حرارتي بر واماندگي لمينت است؛ در حالي كه تاثير آن‌ها بر واماندگي آستر فلزي قابل چشم‌پوشي است.

Composite CNG tanks have a number of advantages such as high gas pressure, safer failure modes, higher mechanical properties, higher corrosion resistance, as well as being 2 to 4 times lighter than steel tanks. The main aim of this work is the thermo-mechanical analysis and evaluation of Type III composite CNG tanks. A high-performance hot-cure Araldite epoxy resin system was selected and modified as the matrix. The T-700S high-strength carbon fiber was also selected as the reinforcement. After determining the various attributes of these two principal constituents, the properties of the lamina were calculated by the micromechanical approach. A 5-axis filament winder machine was constructed in this research to manufacture the CNG tank. 3D thermo-mechanical analysis was conducted by ANSYS-12 based on the micromechanical outputs for 50, 55 and 60 percent of fiber volume fractions. Results showed that increasing the number of layers and the fiber volume fraction have opposite effects on the behavior of laminate and the metal liner failure. It wasalso found the significant effects of thermal stresses on the laminate failure; while their effects were ignorable on the metal liner failure.