Optimum design of composite hydrogen pressure vessels by stochastic search methods

Abstract

Fiber-reinforced composite materials are extensively used in many engineering applications such as aircraft wings and frames, vehicle drive shafts, sport equipment, and pressure storage vessels. One of the reasons for the extensive use of laminated composite materials is their tailorable nature, which allows them to satisfy specific design objectives in an application. As an application, hydrogen-powered fuel cell vehicles require high amount of hydrogen to increase distance range. Hence, hydrogen is pressurized at elevated rates. Since, it is hard to satisfy safety and weight regulations for high pressure gas, composite storage vessels offering high strength with low weight are preferred. Optimization techniques are applied to the design of composite pressure vessels to maximize strength with comprising weight restrictions. In the thesis, first-ply failure optimizations of stacking sequence design of cylindrical composite pressure vessels with metal liner having 700-bar working pressure and safety factor of 2.0, have been performed using stochastic search algorithms which are Differential Evolution and Nelder Mead. Three separately categorized failure theories; Tsai-Wu, Maximum Stress and Hashin-Rotem criteria have been incorporated to failure analysis of the vessel designs. In addition, the effects of volume on the stacking sequence design have been investigated. Hence, four volumetrically separated pressure vessel designs have been considered. Change in volume has been provided by inner radius. Single objective optimization has been set to minimize failure criteria index which incorporates into classical lamination theory. Fiber orientation angles and number of plies are design variables. CPU time has been calculated to compare the workloads of algorithms. In conclusion, optimized pressure vessels have provided design targets and the difference in volume has caused variable fiber angle orientations, number of plies and CPU time.

Günümüzde fiber takviyeli polimerik kompozit malzemeler uzay ve uçak sanayii, savunma sanayi, spor ekipmanları ve ulaşım endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tez çalışmasının konusu filament sarım ile üretilen silindirik kompozit hidrojen depolama tanklarıdır. Hidrojen depolama tanklarının yakıt hücresi ile çalışan araçlarda olduğu gibi hareket halinde kullanılacağı uygulamalarda, özel güvenlik prosedürlerini ve ağırlık limitlerini sağlaması gerekmektedir. Bu sebeple hidrojen depolama tankları, yüksek mukavemetli ve düşük ağırlığa sahip karbon fiber takviyeli polimerik kompozit malzemelerden imal edilmektedir. Bu tezde, “Differential Evolution” ve “Nelder-Mead” stokastik optimizasyon algoritmaları kullanılarak, metal astarlı silindirik kompozit hidrojen depolama tanklarının dizayn ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Dizaynların mekanik analizi, klasik laminasyon teorisi ve ince cidarlı basınçlı kap teorisine dayanmaktadır. Çalışmanın amacı, ilk tabaka kırılmasını baz alan 700 bar çalışma basıncı ile 2.0 güvenlik faktörünü sağlayan tank dizaynları geliştirmektir. Bir diğer amaç ise hacim değişiminin fiber oryantasyon açısı ve tabaka sayısına etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, 4 farklı hacme sahip silindirik kompozit depolama tank dizaynı optimize edilmiştir. Hacimdeki değişim iç yarıçap ile sağlanmıştır. Farklı olarak kategorize edilmiş Tsai-Wu, Maksimum Stres ve Hashin- Rotem kırılma kriterleri hasar analizi için kullanılmıştır. Optimizasyon işlemlerinde kırılma kriter indeksi minimize edilirken, fiber açı oryantasyonu ve tabaka sayısı değişken bırakılmıştır. Algoritmaların CPU yükünü tespit etmek için işlem zamanları hesaplanmıştır. Güvenlik katsayısını sağlayan basınçlı tankların optimizasyonu gerçekleştirilmiştir ve depolama hacmindeki değişimin fiber açı oryantasyonu, tabaka sayısı ve işlem zamanlarında değişime sebep olduğu görülmüştür.