Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2000.04a
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pp.49-52
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2000
A new composite manufacturing technique which combines winding and curing together is studied and analyzed. This method is especially suited to the manufacture of thick composite materials in which thermal spiking is a common problem. An experimental apparatus was designed and built for use with a filament winder to continuously cure a thick composite cylinder. A hoop-wound composite cylinder with 152 mm wall thickness was manufactured and embedded thermocouples and strain gages were monitored throughout the cure process. The experimental data were compared with analytical results.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.21
no.1
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pp.1-6
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2012
This paper presents a stress safety of a composite pressure cylinder for a hydrogen gas vehicle. The composite pressure cylinder in which is composed of an aluminum liner and carbon fiber wound layers contains 104 liter hydrogen gas, and is compressed by a filling pressure of 70 MPa. The FEM computed results are analyzed based on the US DOT-CFFC basic requirement for a hydrogen gas cylinder and KS B ISO specification. The FEM results indicate that the stress, 255.2 MPa of an aluminum liner is sufficiently low compared with that of 272 MPa, which is 95% level of a yield stress for aluminum. Also, the composite layers in which are wound on the surface of an aluminum cylinder are safe because the stress ratios from 3.46 to 3.57 in hoop and helical directions are above 2.4 for a minimum safety level. The proposed composite pressure cylinder wound by carbon fibers is useful for 70 MPa hydrogen gas vehicles.
Hu, J.;Sundararaman, S.;Menta, V.G.K.;Chandrashekhara, K.;Chernicoff, William
Advanced Composite Materials
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v.18
no.3
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pp.233-249
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2009
Safe installation and operation of high-pressure composite cylinders for hydrogen storage are of primary concern. It is unavoidable for the cylinders to experience temperature variation and significant thermal input during service. The maximum failure pressure that the cylinder can sustain is affected due to the dependence of composite material properties on temperature and complexity of cylinder design. Most of the analysis reported for high-pressure composite cylinders is based on simplifying assumptions and does not account for complexities like thermo-mechanical behavior and temperature dependent material properties. In the present work, a comprehensive finite element simulation tool for the design of hydrogen storage cylinder system is developed. The structural response of the cylinder is analyzed using laminated shell theory accounting for transverse shear deformation and geometric nonlinearity. A composite failure model is used to evaluate the failure pressure under various thermo-mechanical loadings. A back-propagation neural network (NNk) model is developed to predict the maximum failure pressure using the analysis results. The failure pressures predicted from NNk model are compared with those from test cases. The developed NNk model is capable of predicting the failure pressure for any given loading condition.
It is useful to have a quick analysis program in early design process for feasibility studies of composite cylinder because it takes long time and is not cost effective by commercial programs. In this paper, a GUI program is developed to calculate the stress distribution in a fast manner with the properties, the orientation angle and the stacking sequence of composite material using LabVIEW. The stress distributions of an autofrettaged cylinder and a composite cylinder with internal pressure are compared with the results by MSC Nastran/patran. The stress distribution of steel/composite cylinder is compared with the values of existing studies, and is proved. Furthermore, by calculating the stress distribution of an autofrettaged steel/composite cylinder, the stress distribution is estimated, and the program will be useful in an early design phase for feasibility studies.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.203-206
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2005
The objective of study on composite cylinder for alternative fuel vehicle is to develop safe, efficient, and commercially viable, on-board fuel storage system for the fuel cell vehicle or natural gas vehicle that use highly compressed gaseous fuel such as hydrogen or natural gas. This study presents the whole procedure of development and certification of a type 3 composite cylinder of 207bar service pressure and 70 liter water capacity, which includes design/analysis, processing of filament winding, and validation through various testing and evaluation. Design methods of liner configuration and winding patterns are presented. Three dimensional, nonlinear finite element analysis techniques are used to predict burst pressure and failure mode. Design and analysis techniques are verified through burst and cycling tests. The full qualification test methods and results for validation and certification are presented.
The performance of the Type3 hydrogen composite cylinder whose pressure is 70 MPa using hydrostatic cycling test equipment was evaluted in this study. It also includes the finite element method analysis on the performance of the cylinder when the pressure is applied. As a result, cylinder body parts of the Type3 hydrogen composite cylinder, which draws attention with its safe status and the lightness, was ruptured first and the same result has been found out through the finite element method. The dome knuckle and the cylinder body were proved as the weakest parts since the cylinder body parts was expanded under the pressure.
The studies on the non-destructive testing methods of the composite materials are very important for improving their reliability and safety. AE(Acoustic Emission) can evaluate the defects by detecting the emitting strain energy when elastic waves are generated by the generation and growth of a crack, plastic deformation, fiber breakage, matrix cleavage or delamination. In this paper, the AE signals of the filament wound composite cylinder and sandwich cylinder during the pressure test were measured and analyzed. The signal characteristics of PVDF sensors were measured, and an AE signal analyzer which had the band-pass filter and L-C resonance filter were designed and fabricated. Also, the crack detection capability of the fabricated AE signal analyzer wes evaluated during the pressure tests of the filament wound composite cylinder and the sandwich cylinder.
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.
One of the most significant problems in the processing of composite materials is residual stress. The high residual stress may cause cracking in the matrix without external loads and degrade the integrity of composite structures. In this study, thermo-viscoelastic residual stresses occurred in an aluminum liner-inserted polymer composite cylinder are investigated. This type of the structure is used for rocket fuselage due to the convenience to attach payloads and equipment to the metal liner by machining. The time and degree of cure dependent thermo-viscoelastic constitutive equations are developed and coupled with a thermo-chemical process model. These equations are solved with the finite element method to predict the residual stresses in the composite cylinder and also in the interface between the liner and the composite during cure.
When a layer of cylindrical composite component containing an axisymmetric residual stress state is removed from the inner or outer surface, the dimension of the remaining material changes to balance internal forces. Therefore, in order to machine cylindrical composite components within tolerances, it is important to know dimensional changes caused by residual stress redistribution in the body. In this study, analytical solutions for dimensional changes and the redistribution of residual stresses due to the layer removal from a residually stressed cylindrically orthotropic cylinder were developed. The cylinder was assumed to have axisymmetric radial, tangential and axial residual stresses. The result of this study is useful in cases where the initial residual stress distribution in the component has been measured by a non-destructive technique such as neutron diffraction with no information on the effect of layer removal operation on the dimensional changes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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