Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.9
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pp.845-851
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2017
Fatigue failure of an autofrettaged pressure vessel with a groove at the outside surface occurs owing to the fatigue crack initiation and propagation at the groove root. In order to predict the fatigue life of the autofrettaged pressure vessel, residual stresses in the autofrettaged pressure vessel were evaluated using the finite element method, and the fatigue properties of the pressure vessel steel were obtained from the fatigue tests. Fatigue life of a pressure vessel obtained through summation of the crack initiation and propagation lives was calculated to be 2,598 cycles for an 80% autofrettaged pressure vessel subjected to a pulsating internal pressure of 424 MPa.
In this study, effects of curing temperature and autofrettage pressure on a Type 3 cryogenic propellant tank, which is composed of composite hoop/helical layers and a metal liner, were investigated by thermo elastic analysis and composite/aluminum ring specimen tests. Temperature field of a Type 3 tank was obtained from solving the heat transfer problem and, in turn, was used as nodal temperature boundary conditions during the elastic analyses for curing temperature and autofrettage pressure effects. As a result, it was shown that the higher curing temperature was, the more residual compressive stress and tensile stress were induced in composites and metal liner, respectively. On the contrary, autofrettage pressure brought the reduction of these residual thermal stresses caused by cryogenic environments to the tank structure. This tradeoff for curing temperature and autofrettage pressure must be considered in the design and manufacturing stages for a Type 3 cryogenic tank.
선형 탄성 유한요소 응력해석과 평균응력 효과를 고려한 저주기 피로실험으로부터 결정된 피로 특성, 그리고 국부변형률 방법을 종합하여 외경에 흠이 존재하는 자긴가공된 두꺼운 압력 용기의 피로수명이 평가되었다. 직사각형의 매우 날카로운 흠에서의 응력집중계수는 타원형 홈에서의 응력집중계수의 약 두배의 값이 얻어졌으며, 고강도 압력용기강인 ASTM A723의 저주기 피 로거동에 대한 평균응력 영향은 Morrow 및 SWT 파라메타를 이용하여 충분히 고려되었다. 균열발생이 예상되는 위험한 부분인 홈의 뿌리부분에서의 국부적인 응력, 변형률이 계산되었으며 예측된 피로수명은 실험적으로 얻어진 수명과 비교했을 때 2에서 4배의 오차를 보이면서 일치 하는 결과를 얻었다.
Kim, Jae-Hoon;Shim, Woo-Sung;Yoon, Young-Kwen;Lee, Young-Shin;Cha, Ki-Up;Hong, Suck-Kyun
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.14
no.4
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pp.39-45
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2010
Thick-walled cylinders, such as a cannon or nuclear reactor, are autofrettaged to induce advantageous residual stresses into pressure vessels and to increase operating pressure and the fatigue lifetimes. As the autofrettage level increases, the magnitude of compressive residual stress at the bore also increases. The purpose of the present paper is to predict the accurate residual stress of SCM440 high strength steel using the Kendall model which was adopted by ASME Code. Hydraulic pressure process was applied in the inner part and thick-walled cylinders were autofrettaged up to 30% overstrain levels. Electro polishing on the surface of autofrettage specimen was performed to get more accurate residual stress. Residual stresses were measured by X-ray diffraction method. The autofrettage surface which was plastically deformed analyzed using a scanning electron microscope(SEM). Although there were some differences in measured residual stress and numerical results, it has a tendency to agree comparatively with each other.
Composite cylinder is used by hydrogen fuel cell vehicles and natural gas vehicles because of high specific modulus, specific strength and fatigue resistance. composite cylinder has a seamless integrated liner and it is fully overwrapped with structural fibers of high strength carbon fibers in an epoxy matrix. In this study, filament winding pattern and autofrettage pressure design technique are presented considering structural weakness of knuckle and compressive residual stress. Presented methodology is verified by pressure cycling test of composite cylinders.
Kim, Kwang Seok;Lee, Kyomin;Lee, Jaehun;Cho, Seongmin
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.19
no.3
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pp.53-56
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2016
In this study, experiments and finite element method analysis were used to determine the autofrettage pressure that is optimal and then maximizes the cycling life of Type3 composite cylinders used in self-contained breathing apparatus. For both approaches, the cylinders were pressurized at 100, 110, ${\ldots}$, 290 % of the test pressure, respectively. The stresses were computed by the FEM analysis; while the strains of cylinders were recorded and the failure modes were monitored during the cycling test. As a result, from the good agreements between the simulations and experiments, it was concluded that at least 70 % of the test pressure should be applied as the autofrettage pressure in order to takes visible effect on the cycling life, and 160 % of the test pressure induces the maximum cycling life and the desired failure mode.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.34
no.9
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pp.25-32
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2006
In this study, the characteristics of filament wound composite/aluminum ring specimens were investigated at cryogenic temperature. The ring specimens were manufactured using carbon fibre and Type B epoxy resin which had been developed for cryogenic use. As a result of measuring thermal strains at -150℃, it was found that compressive thermal stress was induced in composite part on the contrary, tensile thermal stress in aluminum part which was about 32% of yield stress and in turn, caused aluminum to be yielded at lower load level. In addition, Thermal strains which resulted from finite element analysis showed good agreement with those of the experiment. After 6 mechanical loading cycles had been applied to the ring specimen at -150℃, tensile tests were performed at -150℃ using a split disk fixture. As a result, it was shown that composite strength in a liner-composite tank structure which is for the use of cryogenic propellant tank would be decreased by auto-frettage pressure which is applied to it.
In manufacturing process of composite cylinders with metal liner, the autofrettage process which induces compressive residual stress on the liner to improve cycling life can be applied. In this study, a finite element analysis technique is presented, which can predict accurately the compressive residual stress on the liner induced by autofrettage and stress behavior after. Material and geometrical non-linearity is considered in the finite element analysis, and the Von-Mises stress of a liner is introduced as a key parameter that determines pressure cycling life of composite cylinders. Presented methodology is verified through fatigue test of liner material and pressure cycling test of composite cylinders.
Type3 cylinder is a composite pressure vessel fully over-wrapped with carbon/epoxy composite layers over an aluminum liner, which is the most ideal and safe high pressure gas container for CNG vehicles due to the lightweight and the leakage-before-burst characteristics. During service in CNG vehicle, if a fiber cut damage occurs in outer composite layers, it can degrade structural performance, reducing cycling life from the original design life. In this study, finite element modeling and analysis technique for the composite cylinder with fiber-cut crack damage is presented. Because FE analysis of type3 cylinder is path dependant due to plastic deformation of aluminum liner in autofrettage process, method to introduce a crack into FE model affect analysis result. A crack should be introduced after autofrettage in analysis step considering real circumstances where crack occurs during usage in service. For realistic simulation of this situation, FE modeling and analysis technique introducing a crack in the middle of analysis step is presented and the results are compared with usual FE analysis which has initial crack in the model from the beginning of analysis. Proposed analysis technique can be used effectively in the evaluation of influence of damage on composite layers of type3 cylinder and establish inspection criteria of composite cylinder in service.
To improve the durability of a hydrogen pressure vessel which is applied high-pressure, it needs the autofrettage process which induces compressive residual stress in the Aluminum liner. This study presents the elasto-plastic analysis to predict the behavior of structure accurately, and the Tsai-Wu failure criterion is applied to predict failure of pressure vessel of Aluminum liner and composite materials. Generally, plastic analysis is more complex than elastic analysis and has much time to predict. To complement its weakness, the AxicomPro(EXCEL program), applied radial return algorithm and nonlinear classical laminate theory (CLT), is developed for predicting results with more simple and accurate than the existing finite element analysis programs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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