A new design method of winding tension considering thick-wall effect for composite overwrapped pressure vessel
Cet article propose et valide une nouvelle méthode de conception analytique pour la tension de bobinage dans les enceintes sous pression à enroulement composite qui neutralise l'effet de paroi épaisse en créant un profil de contrainte résiduelle augmentant progressivement, atteignant ainsi une distribution uniforme de la contrainte totale et améliorant l'utilisation de la résistance des fibres.
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Dans la course pour s'éloigner des combustibles fossiles, l'hydrogène est apparu comme une alternative propre et puissante, capable d'alimenter des véhicules sans rejeter de carbone dans l'atmosphère. Cependant, le stockage de ce gaz représente un défi de taille car il est si léger et sujet aux fuites qu'il nécessite une pression immense pour maintenir une quantité utile dans un espace restreint. Pour supporter cette pression, les ingénieurs utilisent des réservoirs à pression à enveloppe composite, qui sont essentiellement de solides réservoirs métalliques entourés de couches serrées de fibre de carbone. À mesure que la demande pour des autonomies de conduite plus longues augmente, ces réservoirs doivent supporter des pressions plus élevées, forçant les couches de fibres à devenir plus épaisses. Cette épaisseur crée un problème caché : les couches les plus proches du noyau métallique finissent par supporter la majeure partie de la charge, tandis que les couches extérieures restent relativement lâches. C'est un peu comme une équipe de coureurs où la personne en tête sprinte à pleine vitesse tandis que les autres derrière ne font que trottiner ; la vitesse globale de l'équipe est limitée par le fait que les coureurs extérieurs ne sont pas utilisés à leur plein potentiel.
Des chercheurs de l'Université de Chaohu et de l'Université de technologie de Zhejiang ont développé une nouvelle façon de concevoir ces réservoirs pour corriger ce déséquilibre. Ils se sont concentrés sur l'« effet de paroi épaisse », un phénomène où la contrainte diminue naturellement à mesure que l'on passe de l'intérieur vers l'extérieur du réservoir. Dans leur étude, ils ont analysé un réservoir conçu pour contenir de l'hydrogène à 70 mégapascals, une pression typique pour les véhicules à pile à combustible modernes. En utilisant des modèles informatiques détaillés, ils ont confirmé que dans une conception standard, les couches de fibres les plus internes subissent une contrainte de 203 mégapascals, tandis que les couches les plus externes n'en ressentent que 136 mégapascals. Cela signifie que lorsque les couches internes sont sur le point de rompre, les couches extérieures ne retiennent encore que les deux tiers de leur résistance, gaspillant une quantité significative de matériau et limitant la pression que le réservoir peut supporter en toute sécurité.
Pour résoudre cela, l'équipe a dérivé une nouvelle approche mathématique pour calculer la tension exacte nécessaire pour chaque couche de fibre lors de son enroulement sur le réservoir. Traditionnellement, les ingénieurs appliquent souvent une tension uniforme ou une tension décroissante progressivement aux couches, ce qui ne corrige pas le déséquilibre de contrainte. La nouvelle méthode, cependant, travaille à rebours à partir du résultat souhaité. Les chercheurs ont d'abord déterminé la contrainte que chaque couche ressentirait de la seule pression interne. Ensuite, ils ont calculé une quantité spécifique et variable de tension résiduelle, appelée contrainte résiduelle, que le processus d'enroulement elle-même devrait laisser derrière elle. En ajustant soigneusement la tension appliquée lors de la fabrication de chaque couche, ils ont conçu le réservoir de sorte que la tension résiduelle s'ajoute à la pression interne de manière à ce que la contrainte totale soit égale sur toutes les couches. Dans leur conception, chaque couche, de la plus interne à la plus externe, finit par supporter une contrainte totale de 214 mégapascals.
L'équipe a testé cette nouvelle méthode de conception à l'aide d'une simulation informatique sophistiquée qui imite le processus physique d'enroulement des fibres. Ils ont simulé la tension en réduisant virtuellement la taille des couches, ce qui tire sur les couches internes tout comme le ferait une tension réelle. Les résultats ont montré que, tandis que la méthode traditionnelle laissait un écart net entre la contrainte sur les couches internes et les couches externes, la nouvelle méthode lissait cela presque parfaitement. La simulation a révélé que la nouvelle conception élimine l'effet de paroi épaisse, garantissant que toutes les couches de fibres atteignent leur point de rupture en même temps. Cela permet au réservoir d'utiliser toute la force de chaque couche de fibre de carbone, plutôt que seulement celles proches du centre. En rendant la distribution de la contrainte uniforme, les chercheurs ont démontré un moyen de construire des réservoirs à pression qui sont non seulement plus sûrs, mais aussi plus efficaces, permettant potentiellement des réservoirs plus légers ou un stockage à pression plus élevée sans risque de défaillance prématurée.
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