Dikişsiz metal astarlı ve kompozit sargılı basınç tankı tasarımı

Abstract

Bu çalışmada ülkemizde hali hazırda üretilemeyen ve ISO 11439:2000 tarafından Tip III olarak isimlendirilen dikişsiz metal astarlı ve kompozit sargılı basınç tankının tasarımı yapılmıştır. Tasarımı yapılan basınç tankının endüstriyel ihtiyaca yönelik olarak 3 Litrelik sıvı hacminde, 6061-T6 Alüminyum malzemeden üretilmiş metal astar ve Kevlar®-49/Epoksi (Vf=%60) kompozit sargı için 500 Bar ve üzeri bir iç basınca dayanabilmesi sağlanmıştır. İlgili standarda göre servis çalışma basıncı en az 220 Bar'dır. Tank tasarımında ağ analizi ve katman teorisi yardımıyla tankın ön tasarım parametreleri belirlenmiş ve bu veriler ışığında geometrideki karmaşıklıkları da hesaba katabilen Ansys® Sonlu Eleman Programında kompozit basınç tankı sayısal olarak modellenmiştir. Modellemede kompozit katmanın elyaf sarım açılarını doğru şekilde tanımlayabilmek için eleman koordinat sisteminin uygun şekilde yönlendirilmesi sağlanmıştır. Basınç tankının hasar analizinde elyaf hasar dayanımı dikkate alınmış ve Tsai Wu hasar Kriteri'nden yararlanılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, ISO 14439:2000 standardının şartlarının sağlanması için, basınç tankının 4.5 mm cidar kalınlığında metal astar ile 0.9 mm helisel ve 1.8 mm teğetsel olmak üzere toplam 2.6 mm kompozit cidar kalınlığında ve [90 ? , ±20 ? , ±15 ? , 90 ? ] elyaf açı düzenine sahip olması gerektiği belirlenmiştir.

In this study, a metal-lined and fully-wrapped composite pressure vessel, which could not be manufactured in Turkey at present and named as Type III composite pressure vessel by ISO 11439:2000 was designed. The pressure vessel in question was designed to have 3 liters water volume. The material of the metal liner is assumed as 6061 T6 Aluminum. To withstand an internal burst pressure of 500 or more Bars, the metal liner is filament wound by Kevlar® 49-Epoxy (Vf=60%) composite. According to the related standards, the required service pressure should be at least 220 Bars. This vessel design, with the help of the netting analysis and lamination theory, pre-parameters of the vessel was determined and in the light of the obtained data, the vessel was modeled numerically with Ansys® Finite Element Program which can also account for complexities in geometry and material modeling. In order to define the fiber winding angle accurately, convenient orientation of the elements coordinates was provided. In the failure analysis of the pressure vessel both the last ply and Tsai Wu failure criteria was used. In the light of the analysis, it is determined that in order to meet the standards of ISO 14439:2000, the pressure vessel should have a metal liner with 4.5 mm wall thickness; and a total composite wall thickness of 2.6 mm consisting of 0.9 mm helical and 1.8 mm tangential windings, and winding angles of [90 ? , ±20 ? , ±15 ? , 90 ? ].