A new design method of winding tension considering thick-wall effect for composite overwrapped pressure vessel
本論文は、厚肉効果を相殺するために徐々に増加する残留応力プロファイルを作成することで、全応力の均一な分布を実現し、繊維強度の利用率を向上させる、複合材オーバーラップ圧力容器における巻線張力の新しい解析的設計手法を提案し、検証するものである。
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化石燃料からの脱却に向けた競争の中で、水素は、大気中に炭素を排出することなく車両に動力を供給できる、クリーンで強力な代替手段として浮上してきました。しかし、このガスを貯蔵することは非常に困難な課題です。なぜなら、水素は非常に軽く、漏れやすいため、狭いスペースに有用な量を保持するには膨大な圧力が必要となるからです。この圧力を保持するために、エンジニアは複合材巻線圧力容器を使用しています。これは、本質的には、炭素繊維の層をきつく巻き付けた強固な金属製のタンクです。走行距離の延長に対する需要が高まるにつれ、これらの容器はより高い圧力に耐えなければならず、その結果、繊維の層をより厚くする必要があります。この厚みが隠れた問題を生み出します。すなわち、金属のコアに近い層が負荷の大部分を担う一方で、外側の層は比較的緩んだ状態になってしまうのです。これは、先頭の走者が全力疾走している一方で、後方の走者はほとんどジョギングすらしていないようなチームの走りに似ています。チーム全体の速度は、外側の走者がその潜在能力を十分に活用できていないという事実によって制限されてしまうのです。
巣湖大学と浙江工業大学の研究者たちは、この不均衡を解消するために、これらの容器を設計する新しい手法を開発しました。彼らは、容器の内側から外側に向かってストレス（応力）が自然に減少するという現象である「厚肉効果」に着目しました。彼らの研究では、現代の燃料電池車両に典型的な圧力である70メガパスカルで水素を保持するように設計された容器を分析しました。詳細なコンピュータモデルを用いた結果、標準的な設計では、最も内側の繊維層が203メガパスカルのストレスを受ける一方で、最も外側の層は136メガパスカルしか感じていないことが確認されました。これは、内側の層が破断しそうになるとき、外側の層はまだ強度の3分の2程度しか発揮していないことを意味しており、材料を大幅に無駄にし、タンクが安全に保持できる圧力の限界を制限してしまいます。
これを解決するために、チームは、タンクに繊維が巻き付けられる際の各層に必要な正確な張力を算出するための、新しい数学的アプローチを導き出しました。従来、エンジニアはしばしば一様な張力、あるいは徐々に減少する張力を適用しますが、これではストレスの不均衡を修正できません。しかし、この新しい手法は、望ましい結果から逆算して機能します。研究者たちはまず、内部圧力のみによって各層が感じるストレスを特定しました。次に、巻き付けのプロセス自体が残すべき、特定の変化する量の余剰張力、すなわち残留応力を計算しました。製造時の各層への張力を注意深く調整することで、巻き付けによる残留応力が内部圧力に加わることで、全層の総ストレスが均一になるように容器を設計しました。彼らの設計では、最も内側の層から最も外側の層まで、すべての層が214メガパスカルの総ストレスを負担することになります。
チームは、繊維を巻き付ける物理的なプロセスを模倣した高度なコンピュータシミュレーションを用いて、この新しい設計手法をテストしました。彼らは、層を仮想的に収縮させることで張力をシミュレートしましたが、これは実際の張力が内側の層を引っ張るのと同様の効果をもたらします。その結果、従来の手法では内層と外層のストレスの間に明確な差が生じたのに対し、新手法はこれをほぼ完璧に平滑化したことが示されました。シミュレーションによれば、新設計は厚肉効果を排除し、すべての繊維層が同時に破断点に達することを保証しています。これにより、容器は中心に近い層だけでなく、すべての炭素繊維層の全強度を活用できるようになります。ストレス分布を均一にすることで、研究者たちは、より安全であるだけでなく、より効率的な圧力容器を構築する方法を示しました。これにより、早期故障のリスクを負うことなく、より軽量なタンクや、より高圧での貯蔵が可能になる可能性があります。
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