Zur Kryo-Druckspeicherung von Wasserstoff bei -240°C und 350 bar sind CFK-Druckbehälter hervorragend geeignet. Für deren sichere und gewichtsoptimierte Auslegung stehen neuartige Berechnungsmethoden zur Verfügung, die Temperaturzyklen in diesem kryogenen Temperaturbereich berücksichtigen. Bei derartigen thermischen Lasten entstehen durch mikro- und makroskopische Effekte nicht unerhebliche mechanische Spannungen, die auf Dauer zur Ermüdung des Materials führen. Doch dank neu entwickelter Materialmodelle sind nun Vorhersagen der Lebensdauer unter Berücksichtigung dieser Effekte auf Materialebene möglich. Eingebettet in numerisch effiziente Algorithmen erlauben diese Materialmodelle eine verlässliche Lebensdauerbewertung für CFK-Druckbehälter.
Effekte auf zwei Ebenen …
Die Materialeigenschaften der Konstituenten von CFK sind sehr verschieden. Bei einer Abkühlung zieht sich die polymere Matrix zusammen, während sich die Kohlenstofffasern geringfügig ausdehnen. Die Verbindung der Komponenten zu einem Komposit behindert die gegenteiligen thermischen Dehnungen und erzeugt dadurch mechanische Spannungen (Mikro-Effekt). Zudem verhält sich der unidirektionale Verbund, bestehend aus gleich gerichteten Faserlagen, in und quer zur Faserrichtung unterschiedlich. Im multidirektionalen Laminat eines Drucktanks sorgt diese Anisotropie der Einzellagen ebenfalls für eine Behinderung der thermischen Dehnung der Lagen und ruft dadurch mechanische Spannungen in den Einzellagen hervor (Makro-Effekt).
… erfordern eine mehrskalige Modellierung …
Mikro- und Makroeffekt können das Material schädigen. Die Berücksichtigung beider Effekte in der Lebensdauerberechnung ist daher unabdingbar. Neu entwickelte Berechnungsmodelle erlauben nun eine separierte Betrachtung der Ermüdungsmechanismen auf Mikro- und Makroebene. Der Vergleich mit Validierungsexperimenten zeigt: Die Modelle bilden die Ermüdungsphänomene im Material auf beiden Skalen gut ab und liefern eine sehr gute Lebensdauervorhersage für den Makroeffekt. Sie bieten zudem einen weiteren sehr wichtigen Vorteil: Die einzelnen Beiträge des Mikro- und des Makroeffekts zur Materialermüdung lassen sich nun getrennt quantifizieren. Das war mit bisherigen Test- und Berechnungsmethoden nicht möglich.
… und eine effiziente Kopplung der Skalen
Sobald die Modelle beide Skalen berücksichtigen und die Effekte von der Mikro- auf die Makroebene übertragen, steigt der Rechenaufwand. Für die neuen Berechnungsmodelle sind daher numerisch effiziente Algorithmen vorgesehen, die auch die gewichtsoptimierte Auslegung von Wasserstoffbehältern erlauben. Der Grundstein für die ganzheitliche Lebensdauerbewertung von CFK-Druckbehältern im Sinne eines übergeordneten Simulationsrahmens ist bereits gelegt (s. Innovationsbericht 2016). In diesen integriert, ermöglicht das neuartige Berechnungsmodell eine verlässliche Lebensdauervorhersage für die CFK-Armierung der Tankstruktur.
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