Beitrag zur Analyse des Eigenspannungsverhaltens von Composite-Hochdruckspeichern mit metallischem Liner

Bei der Auslegung von Hochdruckspeichern kommen, auf Grund ihrer hohen spezifischen Festigkeit, vermehrt Faserverbundwerkstoffe zum Einsatz. Durch eine hohe Streuung von Material- und Produktionsparametern sowie unterschiedlichster Belastungsszenarien in der Anwendung gestaltet sich jedoch eine Aussage über die Lebensdauer als auch eine Festlegung sinnvoller Prüffristen als schwierig. Die angefertigte Arbeit soll dazu beitragen, künftig genauere Aussagen über das Alterungs- und Beanspruchungsverhalten tätigen zu können. Im Fokus der Untersuchungen steht ein Behälterdesign, bestehend aus einem metallischen Liner und einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffverbund (Typ III), wobei die Lebensdauer maßgeblich durch die Lastwechselfestigkeit des metallischen Liners und dem darin vorherrschenden Eigenspannungszustand bestimmt wird. Durch eine alterungsbegleitende Eigenspannungsanalyse wird angestrebt, unter Einsatz eines Betriebsfestigkeitsmodells, verbesserte Aussagen zur Lebensdauerabschätzung von Typ III-Behältern geben zu können.Kernstück der Untersuchungen bildete ein Prüfprogramm zur künstlichen Alterung von Typ III Atemluftbehältern, worin Änderungen des Eigenspannungszustandes kontinuierlich erfasst und analysiert wurden. Im Rahmen von Vorversuchen und Simulationen konnten mechanische Lastspitzen ermittelt sowie das beanspruchungsbedingte Bauteilverhalten untersucht werden. Weiterhin wurden die einer Eigenspannungsmessung zu Grunde liegenden Messgrößen definiert, entsprechende Messverfahren abgeleitet und getestet. Schwerpunkt lag dabei auf der Entwicklung eines zerstörungsfreien Messverfahrens auf Grundlage einer experimentellen Modalanalyse.Bei der Analyse von Behältern im Neuzustand wurde zunächst die Höhe des initialen Eigenspannungszustandes und die fertigungsbedingte Streuung erfasst. Weiterhin wurden real gealterte Behälter untersucht, wobei im Vergleich eine deutlich geringere Eigenspannung nachgewiesen wurde. Prüfbegleitend zum Programm der künstlichen Alterung wurde das Eigenspannungs-, Material- und Verformungsverhalten einer Vielzahl von Prüfmustern untersucht. Eine Auswertung der Daten führt zu dem Schluss, dass bei den künstlich gealterten Behältern ein Anstieg der Eigenspannung zu verzeichnen ist.Das erfasste Eigenspannungsverhalten wurde im Folgenden in ein erarbeitetes Betriebsfestigkeitsmodell implementiert. Durch einen Abgleich mit experimentell ermittelten Lastwechselfestigkeiten wurde die Genauigkeit des Modells verifiziert. Die Nachstellung verschiedener Belastungsszenarien zeigt, dass durch die Berücksichtigung einer über der Lebensdauer veränderlichen Eigenspannung die Anzahl ertragbarer Lastwechsel bis zum Versagen sowie damit verbundene Überlebenswahrscheinlichkeiten mit einer erhöhten Genauigkeit abgeschätzt werden können. When designing high-pressure vessels, the use of fibre reinforced plastics becomes of increasing importance due to their high specific strength properties. However, a high variation in material properties and manufacturing parameters as well as variable load scenarios during service life; make it very difficult to give accurate lifetime predictions and to define reasonable inspection periods. The aim of this work is to get detailed information on the residual stress behaviour in the context of the presented light-weight structure aging process. The research of this work focuses on pressure vessels which consist of an inner aluminium liner surrounded by carbon fibre reinforced plastics (type III). The lifetime of the structure is limited by the load cycle sensitivity of the metal and its residual stress condition. To be able to give more accurate lifetime predictions in the future, a lifetime analysis of residual stresses is executed to deliver input data for an appropriate structural durability model.The central point of this research is an artificial aging testing program of type III pressure vessels, during which changes in residual stress conditions are measured and analysed continuously. In the beginning, mechanical peak loads as well as load-structure behaviour are obtained through preliminary tests and simulations. Next, for residual stress measurements, the underlying parameters had to be determined and tested. A focus is set on the development of a non-destructive measurement method based on an experimental modal analysis. Through experimental studies, the intensity and scatter of the initial residual stress condition of manufactured pressure vessels was obtained first. Then a significantly reduced residual stress condition was obtained when measuring 15-year-old specimen. Accompanying the artificial aging program, changes of residual stresses, altered material characteristics and strain behaviour of the tested structures were monitored. According to measurement results, an increased state of residual stresses due to artificial aging was determined. In a last step, the captured residual stress behaviour was implemented into a developed structural durability model. The used analytical model was verified by the number of load cycles until failure which have been obtained experimentally. By simulating cases of various load conditions, it is shown that the accuracy of lifetime prediction can be increased when considering variable states of residual stresses.