Проектирование безлейнерных баллонов давления типа V

Авторы

Мухай М. А.^*, Склезнев А. А.^**, Колениченко Г. ^***

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: maxmukhay@hotmail.com
**e-mail: SkleznevAA@mai.ru
***e-mail: kolenichenkog@mai.ru

Аннотация

Рассматривается задача проектирования композитного безлейнерного баллона давления типа V, предназначенного для перспективных применений в авиационной технике. Актуальность исследования обусловлена необходимостью снижения массы бортовых систем хранения рабочих сред при одновременном обеспечении требуемой прочности, герметичности и безопасного характера разрушения конструкции. Выполнен проектировочный расчет баллона, в рамках которого определены основные геометрические параметры оболочки, меридиональный профиль днища, параметры зон намотки и характеристики армирования. Интегральные зависимости, используемые для описания геометрии профиля, реализованы численно, что позволило сформировать расчетную модель конструкции. Для проверки полученных аналитических результатов выполнено конечно-элементное моделирование напряженно-деформированного состояния баллона. Установлено, что в регулярной зоне оболочки уровень напряжений соответствует значениям, полученным на этапе проектировочного расчета, и не превышает допустимых пределов. При этом численное моделирование позволило выявить локальные концентраторы напряжений в зонах сбегов траекторий укладки, которые не учитываются в полной мере аналитической методикой. Показано, что при эксплуатационном давлении влияние данных концентраторов не является критическим, а возможное разрушение при превышении давления имеет локализованный характер, что соответствует безопасному механизму отказа с контролируемым сбросом давления. Полученные результаты подтверждают применимость предложенного расчетного подхода для предварительного проектирования композитных безлейнерных баллонов давления типа V.

Ключевые слова:

композитный баллон давления, безлейнерный бак, баллон типа V, хранение сжатых газов.

Список источников

1. Cheng Q, Zhang R, Shi Z, et al. Review of common hydrogen storage tanks and current manufacturing methods for aluminium alloy tank liners. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture. 2024;7(2):269–284. DOI: 10.1016/j.ijlmm.2023.08.002

2. Bouhala L, Karatrantos A, Reinhardt H, et al. Advancement in the Modeling and Design of Composite Pressure Vessels for Hydrogen Storage: A Comprehensive Review. Journal of Composites Science. 2024;8(9):339. DOI: 10.3390/jcs8090339

3. Air A, Shamsuddoha M, Prusty BG. A review of Type V composite pressure vessels and automated fibre placement based manufacturing. Composites Part B: Engineering. 2023; 253(12):110573. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.110573

4. Азаров А.В., Бабичев А.А., Васильев В.В. и др. К проблеме герметичности композитных баллонов давления // Композиты и наноструктуры. 2023. Т. 15. № 1(57). С. 1-12. DOI: 10.36236/1999-7590-2023-15-1-1-12

5. Jones BH, Li MC. Liner-less tanks for space application — design and manufacturing considerations. 5th Conference on Aerospace Materials, Processes, and Environmental Technology (September 16—18, 2002; Von Braun Center, Huntsville, Alabama). Document ID 20040084010.

6. Pati S, Deshmane A, Korff M, et al. Overview of the Challenges in High-Pressure Type V Hydrogen Tanks for Automotive Applications. In: Holder D., Wulle F, Lind J. (eds). Advances in Automotive Production Technology — Digital Product Development and Manufacturing. Cham: Springer; 2025. p. 402–414. DOI: 10.1007/978-3-031-88831-1_31

7. Yan Y, Zhang J, Li G, et al. Review on linerless type V cryo-compressed hydrogen storage vessels: Resin toughening and hydrogen-barrier properties control. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2024;189(10):114009. DOI: 10.1016/j.rser.2023.114009

8. Gentilleau B, Touchard F, Grandidier JC. Numerical study of influence of temperature and matrix cracking on type IV hydrogen high pressure storage vessel behavior. Composite Structures. 2014;111(1):98–110. DOI: 10.1016/j.compstruct.2013.12.034

9. Berro Ramirez JP, Halm D, Grandidier JC, et al. 700 bar type IV high pressure hydrogen storage vessel burst — Simulation and experimental validation. International Journal of Hydrogen Energy. 2015; 40(38):13183–13192. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.05.126

10. Magneville B, Gentilleau B, Villalonga S, et al. Modeling, parameters identification and experimental validation of composite materials behavior law used in 700 bar type IV hydrogen high pressure storage vessel. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(38):13193-13205. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2015.06.121

11. Alam S, Yandek GR, Lee RC, et al. Design and development of a filament wound composite overwrapped pressure vessel. Composites Part C: Open Access. 2020;2:100045. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100045

12. Zhang Q, Xu H, Jia X, et al. Design of a 70 MPa type IV hydrogen storage vessel using accurate modeling techniques for dome thickness prediction. Composite Structures. 2020;236(3):111915. DOI: 10.1016/j.compstruct.2020.111915

13. Jois KC, Welsh M, Gries T, et al. Numerical Analysis of Filament Wound Cylindrical Composite Pressure Vessels Accounting for Variable Dome Contour. Journal of Composites Science. 2021;5(2):56. DOI: 10.3390/jcs5020056

14. Azeem M, Ya HH, Alam MA, et al. Application of Filament Winding Technology in Composite Pressure Vessels and Challenges: A Review. Journal of Energy Storage. 2022;49:103468. DOI: 10.1016/j.est.2021.103468

15. Błachut A, Wollmann T, Panek M, et al. Influence of fiber tension during filament winding on the mechanical properties of composite pressure vessels. Composite Structures. 2023;304:116337. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.116337

16. Wang X, Tian M, Chen X, et al. Advances on materials design and manufacture technology of plastic liner of type IV hydrogen storage vessel. International Journal of Hydrogen Energy. 2022;47(13):8382–8408. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.12.198

17. Mikroni M, Koutsoukis G, Vlachos D, et al. Design, Analysis, and Testing of a Type V Composite Pressure Vessel for Hydrogen Storage. Polymers. 2024; 16(24):3576. DOI: 10.3390/polym16243576

18. Air A, Oromiehie E, Prusty BG. Design and manufacture of a Type V composite pressure vessel using automated fibre placement. Composites Part B: Engineering. 2023;266(12):111027. DOI: 10.1016/j.compositesb.2023.111027

19. Smith RP, Qureshi Z, Scaife RJ, et al. Limitations of processing carbon fibre reinforced plastic/polymer material using automated fibre placement technology. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2016;35(21):1527-1542. DOI: 10.1177/0731684416659544

20. Wehbe R, Sacco C, Radwan AB, et al. Influence of process parameters in AFP fiber steering on cylinders: Constant curvature paths. Composites Part C: Open Access. 2020;2(2):100036. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100036

21. Oromiehie E, Prusty BG, Compston P, et al. Automated fibre placement based composite structures: Review on the defects, impacts and inspections techniques. Composite Structures. 2019;224:110987. DOI: 10.1016/j.compstruct.2019.110987

22. Васильев В.В., Мороз Н.Г. Композитные баллоны давления. Проектирование, расчет, изготовление и испытание. М.: Инновационное машиностроение, 2015. 373 с.