Gewichtsoptimalisatie van de waterstofwagen van de toekomst
Het minimaliseren van de menselijke, ecologische voetafdruk en het behouden van een comfortabele en betaalbare levenswijze is waarschijnlijk een van de grootste uitdagingen van de 21e eeuw.
Een van de terreinen waar op dit moment veel innovatie plaatsvindt in deze context is de auto-industrie, waar wordt gezocht naar alternatieven voor auto’s op fossiele brandstof. Een belangrijk voorbeeld van deze alternatieven zijn brandstofcel-elektrische voertuigen. Ze combineren een lage uitstoot met een gebruikspatroon dat vergelijkbaar is met dat van auto’s op fossiele brandstof. Vooral voor zwaar transport lijken ze interessant.
Hoewel het fysieke concept aantrekkelijk lijkt, moet er nog veel technologische ontwikkeling en optimalisatie plaatsvinden. Dit proefschrift richt zich op een essentieel onderdeel van het aandrijfsysteem in een brandstofcel elektrisch voertuig: het drukvat waar de waterstof (en dus de energie) wordt opgeslagen. Het is verreweg het zwaarste onderdeel van het aandrijfsysteem en verhoogt dus de vermogensbehoefte van het voertuig aanzienlijk. Als oplossing om het gewicht van de constructie te beperken, wordt gezocht naar alternatieve materialen ter vervanging van staal. Een materiaalgroep met een zeer hoge specifieke sterkte en stijfheid zijn de vezelcomposieten. Hoewel ze technisch beter presteren, blijven er enkele problemen.
Vezelcomposieten zijn minder matuur en hun mechanisch gedrag is inherent moeilijker te modelleren. Hierdoor hebben bedrijven tegenwoordig de keuze tussen twee onaantrekkelijke opties: grote tijdrovende en dure experimentcampagnes uitvoeren of een zeer grote veiligheidsfactor gebruiken. De industriestandaard voor de veiligheidsfactoren van composiet drukvaten ligt nu rond de 2,25.
Dit proefschrift behandelt een alternatieve benadering om de structurele betrouwbaarheid van een composiet drukvat te beoordelen, een zogenaamde ringtest. Hier wordt de hydraulische druk van de waterstof nagebootst door een radiaal contactmechanisme jegens een ringmonster. Op deze manier kan veel materiaal worden bespaard.
De ambitie is om een template te ontwikkelen waarin de ringtest wordt gecombineerd met een uitgebreide virtuele testcampagne (= eindige elementenmodel). Deze combinatie zou de kosten van de testcampagne kunnen beperken, terwijl de veiligheidsfactor redelijk laag blijft.
In dit proefschrift worden modellen voor de ringtest ontwikkeld en geverifieerd. Relaties tussen de ontwerpvariabelen, andere gegevens en de barstdruk worden bestudeerd. Op deze manier wordt een objectieve en cijfermatige inschatting gemaakt van de (na)delen van de ring test.
Bibliografie
[1] Sandy Thomas (2009) Fuel Cell and Battery Electric Vehicles Compared. Subsection 2.1 [2] M. Kuhn, N. Himmel, M. Maier (2000) Design and analysis of full composite pressure vessels. Page 65, Table 1. [3] Justin Hale (2006) Boeing 787 from the Ground Up, qtr04 06, a quarterly publication (boeing.com/commercial/aeromagazine). Page 18. [4] Fabio Malgioglio (2020) Material variability across the scales in unidirectional composites Virtual material characterisation under longitudinal tension. Selection of Table 1.1, page 5. [5] BMW (25-04-2022) How hydrogen fuel cell cars work (https://www.bmw.com/en/innovation/how-hydrogen-fuel-cell-carswork.html). [6] Sandy Thomas (2009) Fuel Cell and Battery Electric Vehicles Compared. Subsection 3. [7] P. Nimdum, B. Patamaprohm, J. Renard, S. Villalonga (2015) Experimental method and numerical simulation demonstrate non-linear axial behaviour in composite filament wound pressure vessel due to thermal expansion effect. Figure 1, page 2. [8] Maxime Bertin, Damien Halm, B. Magneville, Jacques Renard, Philippe Sare, Stephane Villalonga (2015) One year OSIRHYS IV project synthesis: mechanical behaviour of 700 bar type iv high pressure vessel code qualification. Section 1. [9] Woe Tae Kim, Seong Su Kim (2020) Design of a segment-type ring burst test device to evaluate the pressure resistance performance of composite pressure vessels. Paper on the use of a ring test. [10] Fabio Malgioglio (2020) Material variability across the scales in unidirectional composites Virtual material characterisation under longitudinal tension. Figure 5.10, page 135. [11] P. Mallick (2007) Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design. Section 5,5. 62 Bibliography [12] P. Mallick (2007) Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design. Figure 5.24, page 427 [13] Maxime Bertin, Damien Halm, B. Magneville, Jacques Renard, Philippe Saffr´e, St´ephane Villalonga (2012) One year OSIRHYS IV project synthesis: mechanical behaviour of 700 bar type iv high pressure vessel code qualification. Figure 3.b on page 3; introductory subsection. [14] Garvin Tam (2004) Coefficients of Friction for Teflon, https://hypertextbook.com/facts/2004/GarvinTam.shtmlc (09-05-2022). [15] Woe Tae Kim, Seong Su Kim (2020) Design of a segment-type ring burst test device to evaluate the pressure resistance performance of composite pressure vessels. Figure 2 on page 3. [16] Woe Tae Kim, Seong Su Kim (2019) Evaluation of mechanical properties of composite pressure vessels using a segment-type ting burst test device. Subsection 3,2. [17] Mohammad Halawa and Naser Al-Huniti (2019) Optimum Design of Carbon/Epoxy Composite Pressure Vessels Including Moisture Effects. Subsection 2,1. [18] Bill Webster (2021), https://www.fidelisfea.com/post/first-order-vs-secondorder-elements-in-fea (26-04-2022) [19] L.C.S. Nunes, F.W.R. Dias, H.S. da Costa Mattos (2011) Mechanical behavior of polytetrafluoroethylene in tensile loading under different strain rates. Fig. 4 on page 793. [20] Woe Tae Kim, Seong Su Kim (2020) Design of a segment-type ring burst test device to evaluate the pressure resistance performance of composite pressure vessels. Table 1 and 2, page 3. [21] Woe Tae Kim, Seong Su Kim (2020) Design of a segment-type ring burst test device to evaluate the pressure. Figure 10 on page 6. [22] B. Gentilleau, S. Villalonga, F. Nony, H. Galiano (2014) A probabilistic damage behavior law for composite material dedicated to composite pressure vessel. Figure 6 on page 4. [23] P.F. Liu, L.J. Xing, J.Y. Zheng (2013) Failure analysis of carbon fiber/epoxy composite cylindrical laminates using explicit finite element method. Table 3, page 55. [24] Yosuke Ueki, Hans Lilholt, Bo Madsen (2020) Experimental evaluation of stiffness predictions of multiaxial flax fibre composites by classical laminate theory. Figure 10, page 14. 63 Bibliography [25] Robert Jones (1999) Mechanics of Composites. Figure 6-17. [26] Michel Tosin, Adriano Cˆortes, Americo Cunha Jr (2020) A Tutorial on Sobol’ Global Sensitivity Analysis Applied to Biological Models. Chapter 1. [27] Eric W. Weisstein (1999) https://archive.lib.msu.edu/crcmath/math/math/l/l175.htm (26/04/2022) [28] Mei Li, Jubayer Nirjhor, Sandeep Bhardwaj, https://brilliant.org/wiki/integerequations-star-and-bars/ (26/04/2022)
