Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

Все выпуски

Все выпуски
 
2024 Выпуск 6
(в работе)
 
2024 Выпуск 5
 
2024 Выпуск 4
 
2024 Выпуск 3
 
2024 Выпуск 2
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

A. E. Burov

PROBABILISTIC MODELING OF THE LOAD-BEARING CAPACITY OF A COMPOSITE PRESSURE VESSEL

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.097-106

Modeling possible limit states and predicting load-bearing capacity, accounting for the scatter of mechanical properties, is an integral part of ensuring the strength and reliability requirements for structures. In this study, based on a probabilistic approach, we analyze the influence of variations in the parameters of the composite shell on the load-bearing capacity of a high-pressure metal-composite tank manufactured by continuous composite tape winding on a thin liner. Winding angle, fiber volume content, and ultimate fiber strength are taken as the variable parameters. Numerical modeling based on a model taking into account the processes of damage accumulation and degradation in the mechanical properties of the material is used to predict the mechanical behavior of the structure. Based on the calculation results, the burst pressure distribution function is obtained, which gives an idea of the influence of manufacturing process variability on the load-bearing capacity of the tank.

Keywords: high-pressure metal-composite tank, numerical analysis, stress-strain state, progressive failure, probabilistic approach, burst pressure

References:

  1. Vasiliev, V.V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. Ridge Publishing, Blacksburg, VA, 2009, 690 p.
  2. Nesushchaya sposobnost i bezopasnost metallokompozitnykh bakov kosmicheskikh apparatov [Load-Bearing Capacity and Safety of Metal-Composite Tanks in Spacecraft, eds., V.V. Moskvichev and N.A. Testoedov]. Nauka Publ., Novosibirsk, 2021, 439 p. (In Russian).
  3. Azeem, M., Ya, H.H., Alam, M.A., Kumar, M., et al. Application of filament winding technology in composite pressure vessels and challenges: a review. Journal of Energy Storage, 2022, 49, 103468. DOI: 10.1016/j.est.2021.103468.
  4. Kam, T.Y., Liu, Y.W., and Lee, F.T. First-ply failure strength of laminated composite pressure vessels. Composite Structures, 1997, 38, 65–70. DOI: 10.1016/S0263-8223(97)00042-1.
  5. Garnich, M.R. and Akula, M.K. Review of degradation models for progressive failure analysis of fiber reinforced polymer composites. Applied Mechanics Reviews, 2009, 62 (1), 010801. DOI: 10.1115/1.3013822.
  6. Ganesan, R. and Nair, A.S. Reliability-based first-ply failure envelopes of composite tubes subjected to combined axial and torsional loadings. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2024, 52 (7), 4470–4502. DOI: 10.1080/15397734.2023.2229415.
  7. De Luca, A. and Caputo, F. A review on analytical failure criteria for composite materials. AIMS Materials Science, 2017, 4 (5), 1165–1185. DOI: 10.3934/matersci.2017.5.1165.
  8. Rabotnov, Yu.N. Problemy mekhaniki deformiruemogo tverdogo tela: izbrannye trudy [The Problems of Solid Mechanics: Selected Works]. Nauka Publ., Moscow, 1991, 194 p. (In Russian).
  9. Srilakshmi, Ch., Sambasivarao, G., and Kumar, J.S. A review on progressive failure analysis of composites. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2021, 1185, 012020. DOI: 10.1088/1757-899X/1185/1/012020.
  10. Regassa, Y., Gari, J. and Lemu, H.G. Composite overwrapped pressure vessel design optimization using numerical method. Journal of Composites Science, 2022, 6 (8), 229. DOI: 10.3390/jcs6080229.
  11. Ge, L. Zhao, J., Li, H., Dong, J., Geng, H., Zu, L., Lin, S., Jia, X., and Yang, X. A three-dimensional progressive failure analysis of filament-wound composite pressure vessels with void defects. Thin-Walled Structures, 2024, 199, 111858. DOI: 10.1016/j.tws.2024.111858.
  12. Ozaslan, E., Yurdakul, K., and Talebi, C. Investigation of effects of manufacturing defects on bursting behavior of composite pressure vessels with various stress ratios. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2022, 199, 104689. DOI: 10.1016/j.ijpvp.2022.104689.
  13. Vallmajo, O., Arteiro, A., Guerrero, J.M., Melro, A.R., Pupurs, A., and Turon, A. Micromechanical analysis of composite materials considering material variability and microvoids. International Journal of Mechanical Sciences, 2024, 263, 108781. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108781.
  14. Burov, A.E. Burst pressure estimations of a composite pressure vessel accounting for the composite shell imperfections. Journal of Physics: Conference Series, 2019, 1260, 112007. DOI: 10.1088/1742-6596/1260/11/112007.
  15. Lepikhin, A.M., Makhutov, N.A., Moskvichev, V.V., and Chernyaev, A.P. Veroyatnostnyi risk-analiz konstruktsyi tekhnicheskikh sistem [Probabilistic Risk, Analysis of Technical Systems]. Nauka Publ., Novosibirsk, 2003, 173 p. (In Russian).
  16. Zu, L., Koussios, S., and Beukers, A. Design of filament-wound isotensoid pressure vessels with unequal polar openings. Composite Structures, 2010, 92 (9), 2307–2313. DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.07.013.
  17. Hashin, Z. Failure criteria for unidirectional fiber composites. Journal of Applied Mechanics, 1980, 47, 329–334. DOI: 10.1115/1.3153664.
  18. Kaplun, A.B., Morozov, E.M., and Shamraeva, M.A. Ansys v rukakh inzhenera [Ansys in the Hands of an Engineer: Guidance Manual]. Lenand Publ., Moscow, 2021, 272 p.
  19. Halpin Affdl, J.C. and Kardos, J.L. The Halpin-Tsai equations: a review. Polymer Engineering and Science, 1976, 16 (5), 344–352. DOI: 10.1002/pen.760160512.
  20. Alam, S., Yandek, G.R., Lee, R.C., and Mabry, J.M. Design and development of a filament wound composite overwrapped pressure vessel. Composites. Part C: Open Access, 2020, 2, 100045. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100045.

А. Е. Буров

ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО БАКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Моделирование возможных предельных состояний и прогнозирование несущей способности с учетом рассеяния механических свойств является неотъемлемой частью обеспечения требований прочности и надежности конструкций. В данной работе на основе вероятностного подхода выполнен анализ влияния вариации характеристик силовой оболочки на несущую способность металлокомпозитного бака высокого давления, изготовленного по технологии непрерывной намотки композитной ленты на тонкий лейнер. В качестве переменных параметров приняты угол намотки, объемное содержание волокна и предел его прочности. Численное моделирование на основе модели, учитывающей процессы накопления повреждений и деградацию механических свойств материала, используется для прогнозирования механического поведения конструкции бака. По результатам вычислений получена функция распределения значений разрушающего давления, дающая представление о влиянии вариативности процесса изготовления на несущую способность бака.

Ключевые слова: металлокомпозитный бак высокого давления, численный анализ, напряженно-деформированное состояние, прогрессирующее разрушение, вероятностный подход, предельное давление

Библиография:

  1. Vasiliev V. V. Composite Pressure Vessels: Analysis, Design, and Manufacturing. – Blacksburg, VA : Ridge Publishing, 2009. – 690 p.
  2. Несущая способность и безопасность металлокомпозитных баков космических аппаратов / под ред. В. В. Москвичева, Н. А. Тестоедова. – Новосибирск : Наука, 2021. – 440 с.
  3. Application of filament winding technology in composite pressure vessels and challenges: a review / M. Azeem, H. H. Ya, M. A. Alam, M. Kumar, P. Stabla, M. Smolnicki, L. Gemi, R. Khan, T. Ahmed, Q. Ma, M. R. Sadique, A. A. Mokhtar, M. Mustapha// Journal of Energy Storage. – 2022. – Vol. 49. – Art. 103468. – DOI: 10.1016/j.est.2021.103468.
  4. Kam T. Y., Liu Y. W., Lee F. T. First-ply failure strength of laminated composite pressure vessels // Composite Structures. – 1997. – Vol. 38. – P. 65–70. – DOI: 10.1016/S0263-8223(97)00042-1.
  5. Garnich M. R., Akula M. K. Review of degradation models for progressive failure analysis of fiber reinforced polymer composites // Applied Mechanics Reviews. – 2009. – Vol. 62 (1). – P. 010801. – DOI: 10.1115/1.3013822.
  6. Ganesan R., Nair A. S. Reliability-based first-ply failure envelopes of composite tubes subjected to combined axial and torsional loadings // Mechanics Based Design of Structures and Machines. – 2024. – Vol. 52. – P. 4470–4502. – DOI: 10.1080/15397734.2023.2229415.
  7. De Luca A., Caputo F. A review on analytical failure criteria for composite materials // AIMS Materials Science. – 2017. – Vol. 4. – P. 1165–1185. – DOI: 10.3934/matersci.2017.5.1165.
  8. Работнов Ю. Н. Проблемы механики деформируемого твердого тела : избранные труды.  Москва : Наука, 1991. – 194 с.
  9. Srilakshmi Ch., Sambasivarao G., Suresh Kumar J. A review on progressive failure analysis of composites // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – Vol. 1185. – Art. 012020. – DOI: 10.1088/1757-899X/1185/1/012020.
  10. Regassa Y., Gari J., Lemu H. G. Composite overwrapped pressure vessel design optimization using numerical method // Journal of Composites Science. – 2022. – Vol. 6. – P. 229. – DOI: 10.3390/jcs6080229.
  11. A three-dimensional progressive failure analysis of filament-wound composite pressure vessels with void defects / L. Ge, J. Zhao, H. Li, J. Dong, H. Geng, L. Zu, S. Lin, X. Jia, X. Yang // Thin-Walled Structures. – 2024. – Vol. 199. – Art. 111858. – DOI: 10.1016/j.tws.2024.111858.
  12. Ozaslan E., Yurdakul K., Talebi C. Investigation of effects of manufacturing defects on bursting behavior of composite pressure vessels with various stress ratios // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2022. – Vol. 199. – Art.104689. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2022.104689.
  13. Micromechanical analysis of composite materials considering material variability and microvoids / O. Vallmajo, A. Arteiro, J. M. Guerrero, A. R. Melro, A. Pupurs, A. Turon. // International Journal of Mechanical Sciences. – 2024. – Vol. 263. – Art. 108781. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108781.
  14. Burov A. E. Burst pressure estimations of a composite pressure vessel accounting for the composite shell imperfections // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1260, iss. 11. – Art. 112007. – DOI: 10.1088/1742-6596/1260/11/112007.
  15. Вероятностный риск-анализ конструкций технических систем / А. М. Лепихин, Н. А. Махутов, В. В. Москвичев, А. П. Черняев. – Новосибирск : Наука, 2003. – 173 с.
  16. Zu L., Koussios S., Beukers A. Design of filament-wound isotensoid pressure vessels with unequal polar openings // Composite Structures. – 2010. – Vol. 92. – P. 2307–2313. – DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.07.013.
  17. Hashin Z. Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites // Journal of Applied Mechanics. – 1980. – Vol. 47. – Р. 329–334. – DOI: 10.1115/1.3153664.
  18. Каплун А. Б., Морозов Е. М., Шамраева М. А. ANSYS в руках инженера : практическое руководство. – Москва : Ленанд, 2021. – 272 с.
  19. Halpin J. C., Kardos J. L. The Halpin-Tsai equations: a review // Polymer Engineering and Science. – 1976. – Vol. 16. – P. 344–352. – DOI: 10.1002/pen.760160512.
  20. Design and development of a filament wound composite overwrapped pressure vessel / S. Alam, G. R. Yandek, R. C. Lee, J. M. Mabry // Composites. Part C: Open Access. – 2020. – Vol. 2. – Art. 100045. – DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100045.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

Burov A. E. Probabilistic Modeling of the Load-Bearing Capacity of a Composite Pressure Vessel // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 5. - P. 97-106. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.097-106. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_478.html
(accessed: 21.12.2024).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2024, www.imach.uran.ru