Um die Betriebsdauer von Faserverbundbehältern zu verlängern, forscht das Institut für Systemleichtbau an neuen Auslegungsmethoden, die die Tragfähigkeit des Behälters zuverlässigerer voraussagen. Zusätzlich detektieren die entwickelten Strukturüberwachsungsmethoden (SHM) Schäden im Betrieb, bewerten sie strukturmechanisch und passen die verbleibende Betriebsdauer des Behälters individuell an. Ergebnis: Wenn noch Tragreserven vorhanden sind, verbleiben die Behälter länger im Einsatz. Die ForscherInnen verifizieren nun die entwickelte Auslegungsmethodik und das aufgebaute SHM-System im Berstdruckversuch.
Reale Basis für eine optimale Tankauslegung
Das entwickelte Optimierungstool tankoh2 legt den Tank entsprechend des geforderten Berstdrucks aus. Dafür nutzt es eine Wickelsimulation, die Faserverbundlagen virtuell auf dem Kunststoffliner ablegt, bis der Tank dem geforderten Berstdruck von 200 bar standhält. Durch Optimierung von Wickelwinkel und Position jeder Lage minimiert tankoh2 den erforderlichen Materialeinsatz. Die Optimierung nutzt die gemessene Ist-Kontur des gefertigten Kunststoffliners als Grundlage und berücksichtigt so mögliche Fertigungsabweichungen. Das Auslegungsergebnis ist dadurch zuverlässiger.
Structural Health Monitoring
Das SHM-System besteht aus einem Netzwerk von piezokeramischen Wandlern sowie aus Hard- und Softwarekomponenten zur Signalanregung, -verarbeitung und -analyse. Das SHM-System regt geführte Ultraschallwellen (Lambwellen) in der Tankstruktur an. Die Wellen breiten sich großflächig in der Struktur aus und interagieren mit Schäden. Verschiedene Interaktionsmechanismen erlauben Rückschlüsse auf Schadensort, -art und -größe. Die Herausforderungen eines SHM-Systems für Tankstrukturen bestehen in einer zuverlässigen Schadensdetektion unter stark schwankenden Betriebsbedingungen, wie Innendruck, Füllstand und Temperatur. Mit Algorithmen zur Mustererkennung lassen sich charakteristische Schadensmerkmale in den Sensorsignalen identifizieren, die möglichst unabhängig von den Betriebsbedingungen sind.
Auf dem Prüfstand
Ein mit den neuen Methoden ausgelegter und mit dem SHM-System ausgestatteter Tank kommt auf den Prüfstand: Hier erzeugt eine Hochdruckpumpe Innendruck im wassergefüllten Tank. Bei verschiedenen Druck-Haltestufen regt das SHM-System den Tank mit Lambwellen an und wertet die zurückkommenden Signale aus. Die Amplituden und Laufzeiten der Sensorsignale variieren stark aufgrund des unterschiedlichen Druckniveaus. Diese Daten bilden die Grundlage für die zukünftige Entwicklung robuster Algorithmen zur Schadensdetektion für Drucktanks. Erst bei Erreichen von 253 bar Innendruck birst der Tank. Er verifiziert damit die neue Auslegungsmethodik.
