Design and development of the composite hydrogen storage tanks by using stochastic optimization methods

Abstract

Bu tezde beş ana amaç vardır: (i) Sadece kompozit (Tip IV ve Tip V) ve alüminyum-kompozit (Tip III) basınçlı kaplar için Klasik Laminasyon Teorisini kullanarak gerilme ve şekil değişim bileşenlerini hesaplamak (ii) Tip III ve Tip V kompozit basınçlı kapların patlama basıncını Klasik Laminasyon Teorisi ve birinci tabaka kırılma teorilerini kullanarak hesaplamak (iii) kompozit tankların silindirik kısımları için birinci tabaka kırılma teorilerine dayalı olarak hesaplanan patlama basıncı değerlerinin, literatürden alınan deneysel ve sonlu elemanlar yöntemleri sonuçları ile karşılaştırılmak (iv) interaktif, interaktif olmayan ve kısmi interaktif birinci tabaka kırılma teorilerini, amaç fonksiyonunda ve kısıtlarda eş zamanlı olarak kullanarak, patlamaya karşı 2, 2.25 ve 2.5 güvenlik faktörleri ile 70 MPa çalışma basıncına sahip Tip III ve Tip V tankları için optimum istifleme dizileri tasarımlarını önermek (v) Kompozit basınçlı kap tasarım problemleri için Diferansiyel Evrim (DE), Simüle Tavlama (SA) ve Nelder Mead (NM) optimizasyon algoritmalarının hesaplama performansını karşılaştırmak. Bu tezde, Tip III hidrojen depolama tanklarının, bir iç metalik astar ve lamine Karbon / Epoksi veya Grafit / Epoksi kompozit tabakalardan oluştuğu varsayılmaktadır. Tip V tankların sadece kompozit tabakaları içerdiği düşünülmektedir. Hidrojen depolama tanklarının patlama basıncını tahmin etmek için Hashin-Rotem, Maksimum Stres ve Tsai-Wu birinci tabaka kırılma kriterleri kullanılmıştır. DE, SA ve NM optimizasyon algoritmaları, kompozit hidrojen depolama tankları problemleri için uygulanabilir sonuçlar vermiştir. Kompozitlerin simetrik ve tamsayı özellikleri nedeniyle, imal edilebilir tabaka sarım açıları tasarımı gerçekleştirilmiştir.

In this thesis, there are five main objectives: (i) To calculate stress and strain components based on CLPT for only composite (Type IV and Type V) and aluminum-composite (Type III) pressure vessels (ii) To determine the burst pressure based on Classical Laminated Plate Theory and first ply failure theories for the cylindrical part of the Type III and Type V composite pressure vessels (iii) to compare the analytically calculated burst pressure values with the experimental and Finite Element Methods results in the literature (iv) to propose optimum stacking sequences designs for Type III and Type V tanks having 70 MPa working pressure with 2, 2.25 and 2.5 safety factors against burst by using interactive, non-interactive and partial interactive first ply failure theories as for the objective functions and constraint, simultaneously (v) to compare the computational performance of the optimization algorithms; Differential Evolution (DE), Simulated Annealing (SA) and Nelder Mead (NM) for composite pressure vessel design problems. In the thesis, the Type III hydrogen storage tanks are assumed as consist of an inner metallic liner and laminated Carbon/Epoxy or Graphite/Epoxy composite layers. Type V tanks are also considered as including only composite layers. In order to predict the failure indexes and burst pressure of the tank, Hashin-Rotem, Maximum Stress and Tsai-Wu first ply failure criteria have been employed. The optimization algorithms DE, SA and NM have given the applicable results for composite hydrogen storage tanks designs problems. Due to be symetric balanced and integer features of the composites, manufacturable stacking sequences design have been achieved.