-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Diese
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Berechnen von multidirektionalen
Verbundstoffen in Simulationen der Methode der finiten Elemente
(FEM) und insbesondere ein Verfahren zum Berechnen von multidirektionalen
Verbundstoffen in FEM-Simulationen, das das Umwandeln von komplexen
Faserstrukturen, die simuliert werden, in vereinfachte Einzelschichtelemente
und das Ermitteln der Beanspruchung an den Elementen umfasst, um
die Berechnungen zu verringern, die zum Simulieren der Beanspruchung
an jeder einzelnen Faser in den Strukturen erforderlich sind.
-
2. Beschreibung des Stands
der Technik
-
Wasserstoff
ist ein sehr interessanter Treibstoff, da er sauber ist und verwendet
werden kann, um in einer Brennstoffzelle effizient elektrischen Strom
zu erzeugen. Die Automobilindustrie wendet bei der Entwicklung von
Wasserstoff-Brennstoffzellensystemen als Antriebsquelle für Fahrzeuge
erhebliche Mittel auf. Solche Fahrzeuge wären effizienter und würden weniger
Emissionen als die heutigen Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren nutzen,
erzeugen.
-
Typischerweise
wird Wasserstoff in Tanks für verdichtetes
Gas, die unter hohem Druck stehen, an dem Fahrzeug gespeichert,
um den für
das Brennstoffzellensystem erforderlichen Wasserstoff bereitzustellen.
Der Druck in dem verdichteten Tank kann bei über 700 bar liegen. Bei einer
bekannten Auslegung umfasst der verdichtete Tank eine innere Kunststoffauskleidung,
die eine gasdichte Abdichtung für den
Wasserstoff vorsieht, und eine äußere Kohlefaserverbundschicht,
die die bauliche Unversehrtheit des Tanks vorsieht. Da Wasserstoff
ein sehr leichtes und diffusives Gas ist, müssen die innere Auskleidung
und die Tankanschlusskomponenten, beispielsweise O-Ringe, sorgfältig konstruiert
werden, um Lecken zu vermeiden. Der Wasserstoff wird durch ein Rohr
aus dem Tank entnommen. Typischerweise ist mindestens ein Druckregler
vorgesehen, der den Druck des Wasserstoffs in dem Tank auf einen
Druck reduziert, der für
das Brennstoffzellensystem geeignet ist.
-
Das
Material, das für
die äußere Schicht
der Hochdrucktanks und Behälter
der Art verwendet wird, die für
Wasserstoffspeichertanks verwendet werden, ist typischerweise ein
Verbundstoff, der eine Kombination aus Faser- und Matrixmaterialien
umfasst, wobei die Fasern in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet
sind. Eine Faserausrichtung wird als Lage oder Schicht bezeichnet.
Die Stapelung unterschiedlicher Faserausrichtungen wird als Schichtzusammenstellung
bezeichnet. Die Fasern werden auf einen Dorn unter Verwenden eines
vorbestimmten Faserwicklungsprozesses gewickelt, um die Außenschicht
des Behälters
zu bilden.
-
Bei
Auslegen eines Behälters
dieser Art wird typischerweise ein Algorithmus der Methode der Finiten
Elemente (FEM) verwendet, der simuliert, wie die Verbundfasern mit
den unterschiedlichen Faserausrichtungen gewickelt werden können, um
die erwünschte
bauliche Unversehrtheit des Tanks zu erfüllen. FEM sind gut bekannte
Verfahren für
bauliche Konstruktion und Analyse, die die Beanspruchungen simulieren
können,
die an dem Tank auftreten können.
Die Algorithmen nutzen verschiedene Eingaben, einschließlich der
Verbundstoffeigenschaften, Faserausrichtungen, Ort des Behälters in
dem Fahrzeug, etc. Bei einem Wasserstoffspeichertank für ein Brennstoffzellenfahrzeug
ist es erforderlich, die Beanspruchungsstellen an dem Tank zu ermitteln,
die infolge eines Fahrzeugaufpralls auftreten können. Diesbezüglich ist
die Position des Tanks aufgrund der baulichen Fahrzeugelemente,
die sich um den Tank herum befinden und die den Tank bei einem Aufprallereignis
durchschlagen können,
wichtig. Somit berücksichtigt
der Algorithmus während
der Simulation Beanspruchungen an dem Tank, um zu ermitteln, ob der
Behälter
den Beanspruchungen zufriedenstellend standhalten wird. Aufgrund
der Natur der Simulation und der Berechnungen, die in das Ermitteln
der Beanspruchungen an jeder Faser bei den verschiedenen Situationen
einfließen,
ist aber der Betrag an Berechnungskosten und Berechnungszeit für solche FEM-Simulationen
erheblich.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Berechnen von
multidirektionalen Verbundstoffen in FEM-Simulationen für das Konstruieren
eines Hochdrucktanks offenbart. Das Verfahren beginnt durch Lesen
von Daten für
die Simulation, einschließlich
Faserausrichtung und Verbundstoffeigenschaften. Dann berechnet das
Verfahren für
jedes FEM-Element die Steifigkeit von direktionalen Lagen und wandelt
die berechnete Steifigkeit für
jede Lage in ein lokales Koordinatensystem um. Dann berechnet das
Verfahren die Steifigkeit von Paketen von Faserausrichtungen als
Schichtzusammenstellung. Dann berechnet das Verfahren Konstruktionskonstanten
für die
Schichtzusammenstellung und die Entsprechungen für den Beanspruchungsgrenzwert
für die
Schichtzusammenstellung. Dann verwendet das Verfahren die Konstruktionskonstanten,
um die Beanspruchungen an den FEM-Elementen zu berechnen, und ermittelt,
ob die berechnete Beanspruchung für jedes Element über einem
vorbestimmten Beanspruchungsgrenzwert liegt. Wenn die berechnete
Beanspruchung über
dem Beanspruchungsgrenzwert liegt, dann wechselt der Algorithmus
zu einer komplexen Berechnung von Beanspruchung, die die Beanspruchung
für jede
Lage berechnet. Dann beurteilt das Verfahren den Beanspruchungsgrenzwert
für jede
Lage für
jedes Element, und wenn eine einzelne Lage über dem Beanspruchungsgrenzwert
liegt, ergreift es geeignete Schritte, stellt beispielsweise einen
Defekt von Materialeigenschaften fest.
-
Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
und den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Hochdrucktanks, der an einen
Dorn gewickelte Fasern umfasst;
-
2 ist
eine Darstellung eines Stapels von Fasern mit unterschiedlichen
Ausrichtungen und deren Umwandlung zu einer vereinfachten Einzelschicht
unter Verwenden klassischer Laminattheorie; und
-
3 ist
ein Flussdiagramm, das einen Prozess für eine effiziente Berechnung
von multidirektionalen Verbundstoffen in einer FEM-Simulation zum Konstruieren
eines Hochdrucktanks zeigt.
-
Eingehende Beschreibung der
Ausführungsformen
-
Die
folgende Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein Verfahren zum Berechnen von multidirektionalen
Verbundstoffen in FEM-Simulationen gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter
Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre
Anwendungen oder Nutzungen zu beschränken. Zum Beispiel hat die vorliegende
Erfindung besondere Anwendung beim Simulieren der Konstruktion von
Hochdrucktanks zum Speichern von Wasserstoffgas an einem Brennstoffzellenfahrzeug.
Es versteht sich aber für
den Fachmann, dass die vorliegende Erfindung beim Simulieren eines
beliebigen Behälters
Anwendung findet, das aus Verbundstoffwicklungen gefertigt wird.
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Tanks oder Behälters 10,
der mehrere Verbundlagen oder -fasern 12 mit unterschiedlichen
Faserausrichtungen, die an einem Dorn 14 gewickelt sind,
umfasst. Der Behälter 10 ist
dazu gedacht, die verschiedenen Ausrichtungen, die die Fasern 12 einnehmen können, die
einen Hochdruckbehälter
dieser Art bilden, sowie die Komplexität, die in den Wicklungsprozess
zum Wickeln der Fasern 12 auf den Dorn 14 fließt, darzustellen.
Wie nachstehend näher
beschrieben wird, schlägt
die vorliegende Erfindung einen FEM-Simulationsalgorithmus und ein
zugehöriges
Verfahren zum Ermitteln, ob die Beanspruchungen an den verschiedenen
Faserausrichtungen die erwünschten
Anforderungen erfüllen,
in vereinfachter Form vor, das Berechnungszeit und – kosten
durch Nutzen von Konstruktionskonstanten und klassischer Laminattheorie
verringert.
-
2 ist
eine Darstellung 20, die einen Verbundfaserschichtaufbau 22 mit
mehreren Faserschichten 24 zeigt, wobei jede der Faserschichten 24 eine
unterschiedliche Faserausrichtung und eine unterschiedliche lokale
Steifigkeit aufweist. Der Aufbau 22 soll eine Schichtzusammenstellung
für einen Hochdrucktank
darstellen. Die Faserschichten 24 legen verschiedene Ausrichtungen
und Schichten fest, einschließlich
spiralförmiger
Schichten 26, Reifenschichten 28 und Reihenschichten 30.
Konstruktionskonstanten und klassische Laminattheorie können verwendet
werden, um den komplexen Faserschichtaufbau 22 unter Verwenden
bekannter Methoden in ein vereinfachtes Schichtelement 32 umzuwandeln,
wobei die mehreren Faserausrichtungen in dem Aufbau 22 als
Einzelschichtelement modelliert werden.
-
Wie
nachstehend beschrieben wird, wandelt die vorliegende Erfindung
einen komplexen Faseraufbau, der für einen vorgeschlagenen Hochdrucktankt
simuliert wird, in ein vereinfachtes Einzelschichtelement um, wie
es in 2 gezeigt ist, und ermittelt dann, ob das Einzelschichtelement
die Beanspruchungsanforderungen für den bestimmten Tank erfüllt. Durch
Verringern der Komplexität
des Faseraufbaus zu dem Einzelschichtelement wird die Berechnungszeit
verringert, die für
die Simulation erforderlich ist, um zu ermitteln, ob der Tank die
Beanspruchungsanforderungen erfüllt.
Wenn das Einzelschichtelement die Beanspruchungsanforderungen nicht
erfüllt,
dann wird an dem ursprünglichen
Faseraufbau eine lagenweise Beanspruchungsanalyse durchgeführt, um
zu ermitteln, ob die Simulation der tatsächlichen Lagen des Aufbaus
die Beanspruchungsanforderungen erfüllt.
-
3 ist
ein Flussdiagramm 34, das einen Prozess für eine effiziente
Berechnung von multidirektionalen Verbundstoffen in einer FEM-Simulation für das Konstruieren
eines Hochdrucktanks zeigt. Bei Feld 36 liest der Algorithmus
Daten, einschließlich der
Faserausrichtung und der Materialeigenschaften der in den Fasern
für einen
simulierten bestimmten Behälter
verwendeten Verbundstoffe. Die Materialeigenschaften umfassen das
Material des Verbundstoffs selbst und dessen Steifigkeit und Festigkeit. Abhängig von
der ausgeführten
jeweiligen ähnlich können auch
andere Daten gelesen werden.
-
Bei
Feld 38 werden eine Reihe von Berechnungen ausgeführt, um
eine Kombination von Fasern in ein Einzelschichtelement umzuwandeln
und Beanspruchungen für
jedes Element in dem Tank zu berechnen. Der Tank besteht mit anderen
Worten aus mehreren Elementen, wobei jedes Element mehrere geschichtete
Fasern oder Lagen umfasst. Die geschichteten Fasern können mit
Hilfe klassischer Laminattheorie zu dem einzelnen Element umgewandelt
werden, wie es in 2 gezeigt ist. Ein Hochdrucktank
für ein
Brennstoffzellensystem kann mehrere hundert Elemente umfassen.
-
Der
Algorithmus berechnet die Steifigkeit für jede unidirektionale Lage
in dem Element unter Verwenden bekannter Rechenmethoden, was das
Berechnen der Steifigkeit der Lage in drei senkrechten Richtungen
umfasst. Der Algorithmus wandelt auch die Berechnungen von Steifigkeiten
für jede
Lage zu einem lokalen Koordinatensystem um. Sobald der Algorithmus
die Steifigkeiten aller Lagen in dem Element berechnet hat, summiert
der Algorithmus dann die Steifigkeiten der Lagen in jeder der drei
Richtungen als Pakete von Faserausrichtungen. Der Algorithmus sieht
mit anderen Worten eine kombinierte Steifigkeit für alle Fasern
in dem Element in jeder der drei Richtungen vor. Dann berechnet
der Algorithmus Konstruktionskonstanten, was die summierte Steifigkeit
der Pakete in den drei Richtungen für die verschiedenen Faserausrichtungen
für das
Element darstellt. Die Konstruktionskonstanten sehen die Steifigkeit
der Pakete der Fasern vor, ohne die Steifigkeit der einzelnen Fasern
selbst kennen zu müssen.
Somit ergeben die Konstruktionskonstanten eine verschmierte Steifigkeit
des Elements über
all den Lagen. Der Algorithmus berechnet bei Feld 38 auch eine
Entsprechung des Beanspruchungsgrenzwerts für die Schichtzusammenstellung
für das
Element, was den Beanspruchungsgrenzwert des Materials des Elements
ergibt.
-
Dann
verwendet der Algorithmus die Konstruktionskonstanten, um bei Feld 40 die
Beanspruchung an jedem Element für
die Eingabeparameter zu berechnen, und ermittelt dann bei Entscheidungsraute 42,
ob die Beanspruchung für
das betrachtete bestimmte Element über einem vorbestimmten Grenzschwellenwert
liegt. Wenn bei Entscheidungsraute 42 die Beanspruchung
für das
Element nicht über
dem Schwellenwert liegt, dann kehrt der Algorithmus zu dem Feld 40 zurück, um die
Beanspruchung für
das nächste
Element zu berechnen. Wenn kein Element in dem Tank den Beanspruchungsgrenzschwellenwert
für die
bestimmte Faserausrichtung für
die Materialeigenschaften unter Verwenden der vereinfachten Schicht übersteigt,
dann weiß der Konstrukteur
des Tanks, dass keine weiteren Berechnungen und Simulationen erforderlich
sind, um zu ermitteln, ob der Tank die Beanspruchungsgrenzwerttests
bestehen wird, und somit kann für
die Analyse eine verringerte Berechnungszeit genutzt werden. Komplexe
Berechnungen der Beanspruchungen an Fasern, einschließlich lagenweiser
Berechnung der Beanspruchungen, sind nur erforderlich, wenn bei
einem oder mehreren der Elemente bei Entscheidungsraute 42 ermittelt
wird, dass sie eine Beanspruchung aufweisen, die größer als
der Beanspruchungsgrenzschwellenwert ist.
-
Wenn
bei der Entscheidungsraute 42 die Beanspruchung bei einem
bestimmten Element über dem
Schwellenwert liegt, dann wechselt der Algorithmus bei Feld 44 zu
einer lagenweisen Berechnung von Beanspruchung an jeder Lage oder
Faser. Die lagenweise Berechnung von Beanspruchung berechnet die
Beanspruchung jeder Lage in dem Element und ist die Berechnung,
die erhebliche Berechnungszeit erfordert, die die vorliegende Erfindung
zu vermeiden versucht, indem sie zuerst unter Verwenden der vereinfachten
Schicht ermittelt, ob das Element den Beanspruchungsgrenzwerttest
erfüllt,
wie vorstehend beschrieben ist. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene
Algorithmen zum Vorsehen von lagenweisen Berechnungen von Beanspruchung
bekannt.
-
Bei
Entscheidungsraute 46 ermittelt der Algorithmus, ob die
lagenweise Berechnung von Beanspruchung für jede Lage einen vorbestimmten Schwellenwert überschritten
hat. Wenn jede Lage in dem Element bei Entscheidungsraute 46 unter
dem Beanspruchungsgrenzschwellenwert liegt, kann kehrt der Algorithmus
zu Feld 40 zurück,
um die Beanspruchung für
das nächste
Element zu berechnen, denn selbst wenn das vereinfachte Schichtelement des
vorherigen Elements bei der Entscheidungsraute 42 den Beanspruchungsgrenzwerttest
nicht erfüllte, bestand
jede Lage in dem Element bei der Entscheidungsraute 46 in
der ausführlicheren
Analyse den Beanspruchungsgrenzwerttest, was bedeutet, dass das
Element Simulationsanforderungen erfüllt. Wenn aber eine der Lagen
in dem Element den Schwellenwert bei der Entscheidungsraute 46 übersteigt,
wie bei Feld 48 durch Liegen einer einzigen Lage über dem
Beanspruchungsgrenzwert festgestellt wird, dann kann bei Feld 50 eine
geeignete Maßnahme
ergriffen werden, beispielsweise Stoppen der Simulation, Vorsehen
von Analyse Verschlechterung von Materialeigenschaften aufgrund
von Defekt, etc.
-
Die
vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird mühelos anhand der Beschreibung
und der Begleitzeichnungen und Ansprüche erkennen, dass daran verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Veränderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Wesen und Schutzumfang der in den folgenden Ansprüchen dargelegten
Erfindung abzuweichen.
