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Untersuchung von Höchstdruckbehältern aus Faserverbundwerkstoff unter Vorspannung

Examination of composite material pressure vessels under pretension

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Forschung im Ingenieurwesen Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Die Simulation des Wickelvorgangs eines Druckbehälters aus Faserverbundwerkstoff kann durch die Vorspannung der Fäden deutlich erschwert werden. Das Phänomen läßt sich allerdings modellieren, indem man das Verfahren schichtweise betrachtet. Wichtig ist es darauf zu achten, daß eine Starrkörperbewegung durch den Zug der Wickelmaschine stattfindet. Aus der Gleichgewichtsbedingung können die Differentialgleichungen hergeleitet werden, welche verschiedene Lösungen für die zu wickelnde Schicht und die übrige Struktur liefern. Diese Lösungen enthalten Unbekannte, die unter Berücksichtigung der Randbedingungen mit dem Gauss-Algorithmus bestimmt werden können.

Abstract

The simulation of the winding process of a composite material pressure vessel becomes very complicated with the use of pretension on the filament strands. Nevertheless it is possible to model this phenomenon if the process is considered in a layerwise way. It is very important to observe that a rigid motion occurs, caused by the winding machine pullforce. From the equilibruim condition it is possible to derive the differential equations from which one can find different solutions for the winding layer and the rest of the structure.

These solutions contain some unknowns which can be determined by using the Gauss-Algorithm involving the boundary conditions.

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Abbreviations

\(a_{r_L } \) :

Außenradius des Liners

\(i_{r_F } \) :

Innenradius der Faser

ω :

Wickelwinkel

T F :

Fadenschnittkraft

\((T_F )_Z \) :

Komponente der Fadenschnittkraft in Axial-Richtung

\((T_F )_{_0 } \) :

Komponente der Fadenschnittkraft in Umfangs-Richtung

p w :

Wickeldruck

u :

Verschiebung

\(L_{u_t } \) :

Verschiebung des Liners nach Umwicklung aller Schichten

\(L_{_{u_i } } \) :

Verschiebung des Liners nach Umwicklung der Schicht i

\(i_{u_t } \) :

Verschiebung der Schicht i nach Umwicklung aller Schichten

\(i_{u_j } \) :

Verschiebung der Schicht i nach Umwicklung der Schicht j

w :

Bandbreite des Fasergarns

\(n_{\sigma _r } \) :

Normalspannung in Radial-Richtung der Schicht n

ε i :

Normalverzerrung in r-, z- und θ-Richtung

σ i :

Normalspannung in r-, z- und θ-Richtung

a. b. c. d, ez :

Lösungskonstanten der Eulerschen DGL für die Verschiebung

C ij :

Steifigkeitsmatrix eines orthotropen Werkstoffes nach der Drehung um den Radialstrahl

A :

Matrix aus allen geometrischen und elastischen Konstanten, die aus den Rand-bzw Gleichgewichtsbedingungen stammen

x :

Lösungsvektor

f :

Vektor der äußeren Einflüsse

r i :

Innen- bzw. Außenradius einer Schicht

Literatur

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Authors and Affiliations

  1. RWTH Aachen, Mathematische Modelle in der Werkstoffkunde, Augustinerbach 4, D-52056, Aachen, Deutschland

    Josef Betten

  2. Ruhr-Universität Bochum, Deutschland

    Hans Zeilinger

  3. Instituto de Aeronáutica e Espaço, MAC, S. José dos Campos (SP), CEP 12200, Brasilien

    Luís Eduardo Loures da Costa

Authors
  1. Josef Betten
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  2. Hans Zeilinger
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  3. Luís Eduardo Loures da Costa
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Additional information

Diese Arbeit wurde von der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR) unterstüzt, wofür an dieser Stelle gedankt sei.

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Betten, J., Zeilinger, H. & Loures da Costa, L.E. Untersuchung von Höchstdruckbehältern aus Faserverbundwerkstoff unter Vorspannung. Forsch Ing-Wes 63, 285–291 (1997). https://doi.org/10.1007/PL00010813

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/PL00010813

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