Kostenoptimierter 700 bar H 2 -Tank
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- Klaudia Meyer
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1 Hessische Forschungskompetenzen im Bereich Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie Kostenoptimierter 700 bar H 2 -Tank Wiesbaden, den Dipl.-Ing. N. Meyer Professor Dr.-Ing. H. Schürmann 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 1
2 Motivation Motivation Ziele - Reichweite vergrößern (> 5 kg H 2 ) - Masse minimieren - Kosten minimieren Ansatz - Arbeitsdruck 700 bar - Faser-Kunststoff-Verbund (Kohlefaser) - computergestützte Optimierung Entwicklung eines 700 bar CFK-Leichtbau-Drucktanks 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 2
3 Kostenoptimierter 700 bar H 2 - Tank Projektpartner Computergestützte Entwicklung eines kostenoptimierten 700 bar FKV-Tanks Universität Hersteller OEM 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 3
4 Werkstoff Faser-Kunststoff-Verbunde Vorteile - extrem hohe Festigkeit - sehr niedrige Dichte - sehr gutes Langzeitverhalten - hohe Temperaturbeständigkeit - konstruktive Werkstoffgestaltung möglich Nachteile - Kosten!! - komplexes Werkstoff- und Bruchverhalten + σ,zul 1 ρ Leichtbaugüte = 3 p Werkstoff R Zugfestigkeit R m Dichte Reißlänge m g 2 3 in N/mm in g /cm in km St ,85 4,8 50CrV ,85 19,5 AlZnMgCu1, ,80 18,2 Glasfaser-UD ( ); 0, ,00 61 Aramid-UD ( ); 0, , HT-Kohlenstoffaser-UD ( ); 0, , i Faktor August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 4
5 Werkstoff Faser-Kunststoff-Verbunde Vorteile - extrem hohe Festigkeit - sehr niedrige Dichte - sehr gutes Langzeitverhalten - hohe Temperaturbeständigkeit - konstruktive Werkstoffgestaltung möglich N/mm² N/mm² N/mm² 2000 Nachteile Bruchzigarre - Kosten!! - komplexes Werkstoff- und Bruchverhalten 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 5
6 Tankforschung TU Darmstadt-Opel-Xperion Umfassender Ansatz 1. Bestimmung Werkstoffkennwerte 2. Verbesserung der Faserausnutzung 3. Fertigungssimulation 4. numerische Dimensionierung 5. experimentelle Absicherung Wickelsimulation Simulation Faservolumenanteil φ = 60% Messwerte (pro Fasertyp 40 Proben) 1 + Normierte Festigkeit R Ringprobe 0 Faser A Faser B Material- Faser C Charakterisierung Finite-Elemente Experiment Prototypenfertigung 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 6
7 Tankforschung TU Darmstadt-Opel-Xperion Umfassender Ansatz 1. Bestimmung Werkstoffkennwerte 2. Verbesserung der Faserausnutzung 3. Fertigungssimulation 4. numerische Dimensionierung 5. experimentelle Absicherung Wickel- Parameter- Update Auswertung Tankdesign GUI (Graphical User Interface) Modellerstellung Geometrieerzeugung Simulation FE-Solver Subroutinen FE-Modell 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 7
8 Behälterfertigung Wickelverfahren - vollständig automatisierbar - sehr hohe Fertigungsqualität - preiswerteste Ausgangmaterialien (Roving + Harz) - schwierig: komplexe Fadenablage im Dombereich 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 8
9 Wickelsimulation MATWIND (OPEL) 1.) Aufstellen des DGL-Systems der Bandablage auf beliebiger rotationssymmetrischer Oberfläche 2.) Lösen Bandablage in MATLAB 3.) schichtweise Berechnung der Laminatdicken und Ablagewinkel 4.) Erzeugen der Daten für Finite-Element- Dimensionierung 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 9
10 Finite-Elemente-Simulation Kommerzielle Lösung 3D-Volumenmodell (Wound Composite Modeler - SIMULIA) Eigenentwicklung Schalenmodell Vorteile Vorteile - Produktsupport - vollständige Erfassung der Spannungen - Schnittstelle zu Wickelsimulation vorhanden - kurze Rechenzeiten - einfache Modellierung Nachteile - hohe Rechenzeiten - Weiterentwicklung / Automatisierung nicht möglich Nachteile - 3D-Spannungszustand nicht vollständig abgebildet 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 10
11 Numerische Dimensionierung Parameter - Schichtanzahl - Schichtreihenfolge - Schichtwinkel - Faservolumenanteil - Linerkontur - Werkstoffkombination Zielfunktion der Optimierung - Minimale Fasermasse Nebenbedingung: - Fertigungsverfahren - Versagen im Zylinder Stellt hohe Anforderungen an numerisches Optimierungsprogramm!! 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 11
12 700 bar H 2 -Tank Ergebnisse - Reduktion der Fasermasse um 20% (bezogen auf Startwert) - deutliche Kostenreduktion! (Kohlenstofffasern Hauptkostenanteil) - wesentliche sicherheitsrelevante Zulassungstests bestanden Tankdaten - Durchmesser: 442 mm - Masse ohne Ventil: 106 kg - Speichervolumen (H 2 O): 143 l - H 2 Speichermenge: 5.7 kg - grav. Speicherdichte: 5.5% 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 12
13 700 bar H 2 -Tank Ergebnisse Reduktion der Fasermasse um 20% - deutliche Kostenreduktion! - Zulassungstests bestanden kg 130 Start KostOptH2Tank Tankdaten - Durchmesser: 442 mm - Masse ohne Ventil: 106 kg - Speichervolumen (H 2 O): 143 l - H 2 Speichermenge: 5.7 kg - grav. Speicherdichte: 5.5% Tankmasse Ergebnis KostOptH2Tank kg H2 6.2 Wasserstoffmasse 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 13
14 Weiterer Forschungsbedarf Ziel: Entwicklung Simulationstool 3DSIMH2Tank - Basis der Wickelsimulation: MATWIND - Berücksichtigung der Erfahrungen aus KostOptH2Tank - zukünftig Programmiersprache PYTHON - detailliertere Berechnungen im Dombereich - Berücksichtigung von zusätzlichen Fertigungsparametern (Bandbreite, Faservolumenanteil ) - vollautomatisierte Finite-Elemente-Modellerstellung (3D) - Einsatz neuer Optimierungsverfahren 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 14
15 Fragen? Vielen Dank 23. August 2012 Fachbereich MB Konstruktiver Leichtbau und Bauweisen Prof. Schürmann 15
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