OFDR Distributed Strain Measurements for SHM of Hydrostatic Stressed Structures: An Application to High Pressure Hydrogen Storage Type IV Composite Vessels - H2E Project

International audienceThis paper deals with SHM of Composite Overwrapped Pressure Vessels (COPV) for high pressure hydrogen storage, based on embedded optical fibres and Rayleigh OFDR. Fibre Bragg Gratings in situ strain measurements on flat samples are first presented to assess the mechanical state of such anisotropic structures, and define a preliminary SHM criterion. Comparative fatigue tests were also performed on NOL rings to evaluate optical fibres mechanical impact, but their analysis in terms of energy revealed the difficulty to provide reliable results if the first cycles energy is not accurately controlled. Therefore, with no detrimental effect of the optical fibre embedment within the composite architecture, several instrumented pressure vessels were manufactured and tested. Accordingly, a mechanical criterion based on OFDR differential strain profiles analysis was defined to bring out internal defects, demonstrating the ability to early detect and locate internal flaws without requirements to inflate vessels at high pressures. Additionally, their sensitivity vs. pressure, analysed during a first burst test, provided additional valuable data about structure integrity. Finally, we define four complementary criteria based on in situ strain measurements to control pressure vessels for damage assessment, or any hydrostatic stressed structure since the underlying principles rely on strains proportionality vs. uniformly applied stresses

Endommagement de structures composites à matrice thermoplastique : application au stockage d'hydrogène gazeux sous haute pression

International audienceA l'heure actuelle, le dimensionnement des réservoirs de stockage de gaz sous haute pression de type IV est effectué en considérant les propriétés mécaniques initiales du matériau et en se basant sur des coefficients de sécurité empiriques. Les aspects durabilité et résistance à l'endommagement ne sont pas directement intégrés dans l'étape de conception des structures. Cette étude vise à développer les connaissances sur les mécanismes d'endommagement de structures composites fibres de carbone / matrice polyamide et à identifier les paramètres matériaux et procédés susceptibles d'influencer la structure et les propriétés de ces composites. Dans un premier temps, les propriétés initiales des deux matériaux d'étude sont déterminées. Ensuite, les trois principaux modes d'endommagement rencontrés (rupture de fibres, délaminage et fissuration matricielle) sont étudiés. Enfin, la dernière partie de l'étude est consacrée au développement d'un procédé de mise en oeuvre par enroulement filamentaire et à l'étude de l'influence des paramètres clefs sur la structure et les propriétés des matériaux. L'objectif final de ces travaux est de proposer des concepts visant à améliorer le dimensionnement et la fabrication de la couche composite structurante des réservoirs

One year OSIRHYS IV project synthesis: mechanical behaviour of 700 bar type iv high pressure vessel code qualification.

International audienceIn this paper we present results of the OSIRHYS IV French project which aims to develop andvalidate models and methods for composite high pressure design and optimization withbehavior uncertainties knowledge. Models of the five partners of this project are presentedand burst simulation results are compared for three test temperatures (-40°C, 15°C and85°C)

Etude de l'endommagement de structures composites à matrice thermoplastique : application aux réservoirs de stockage hyperbare de l'hydrogène = Study of damages on thermoplastic composite structures: application for hydrogen storage vessels under high pressure

National audienceLe stockage de l'hydrogène est un verrou technologique et scientifique majeur à son utilisation comme vecteur énergétique, en remplacement des sources d'énergie traditionnelles. En effet, aujourd'hui encore, aucune solution « Haute pression » ne satisfait pleinement l'ensemble des spécifications techniques et économiques des industriels. Des progrès sont donc encore nécessaires pour améliorer les performances et la durabilité des réservoirs. Depuis 1998, le CEA travaille sur le développement de réservoirs de stockage haute pression de type IV (liner polymère renforcé d'une structuration composite). L'identification des paramètres matériaux et procédé influents ainsi que des sollicitations susceptibles de modifier les performances et la durabilité des réservoirs doit être prise en compte. En ce sens, les composites à matrice thermoplastique apparaissent comme de bons candidats en terme de durabilité et sécurité (Projet Français HYPE). Cet article présente les premiers résultats de travaux visant à développer les connaissances sur les mécanismes d'endommagement de structures composites à matrice thermoplastique (polyamide) liés à leur procédé de mise en forme (enroulement filamentaire) et leur utilisation pour le stockage hyperbare. Cette étude vise notamment à optimiser les étapes de conception numérique et de fabrication grâce à la connaissance des lois de comportement et de la durabilité du matériau. Dans un premier temps, on s'intéresse à des endommagements sous sollicitations statiques avant de s'intéresser à des sollicitations dynamiques comme l'impact

OSIRHYS IV - Qualification des codes pour la prédiction du comportement mécanique des structures composites des réservoirs embarqués de stockage à 700 bars de l'hydrogène

International audienceLe stockage de l'hydrogène reste un point clé pour le déploiement à grande échelle des applications piles à combustible. Pour le moment, le stockage d'hydrogène gazeux à haute pression dans des réservoirs de type IV reste la meilleure technologie. Mais il est nécessaire d'atteindre une réduction significative des coûts de ces systèmes de stockage. Une optimisation de la structure composite par des simulations numériques est nécessaire. Le but du projet OSIRHYS IV est de développer et valider des méthodes et modèles pour l'optimisation et le design de réservoir haute pression avec connaissance de niveaux d'incertitudes. Les premières simulations d'éclatement ont été effectuées et les résultats de calculs en statique linéaire ont été comparés aux données expérimentales. Les comparaisons portent sur les masses des composants, la pression et le mode d'éclatement et des déplacements locaux. Les résultats montrent que l'analyse en statique linéaire utilisant des modèles 3D et axisymétriques peut déjà prédire avec une précision raisonnable le comportement radial du réservoir dans le cas d'un éclatement sain. Néanmoins, l'amélioration des modèles est nécessaire pour atteindre de meilleures performances. Cela passe par la connaissance des matériaux, de la géométrie du réservoir et des lois de comportements

Optical fibre distributed strain measurement for H2_2 COPV damage assessment

International audienceThis presentation deals with SHM of Composite Overwrapped Pressure Vessels (COPV) for high pressure hydrogen storage, based on embedded optical fibres and Rayleigh OFDR. Fibre Bragg Gratings in situ strain measurements on flat samples are first presented to assess the mechanical state of such anisotropic structures, and define a preliminary SHM criterion. Comparative fatigue tests were also performed on NOL rings to evaluate optical fibres mechanical impact, but their analysis in terms of energy revealed the difficulty to provide reliable results if the first cycles energy is not accurately controlled. Therefore, with no detrimental effect of the optical fibre embedment within the composite architecture, several instrumented pressure vessels were manufactured and tested. Accordingly, a mechanical criterion based on OFDR differential strain profiles analysis was defined to bring out internal defects, demonstrating the ability to early detect and locate internal flaws without requirements to inflate vessels at high pressures. Additionally, their sensitivity vs. pressure, analysed during a first burst test, provided additional valuable data about structure integrity. Finally, we define four complementary criteria based on in situ strain measurements to control pressure vessels for damage assessment, or any hydrostatic stressed structure since the underlying principles rely on strains proportionality vs. uniformly applied stresses

Damage in thermoplastic composite structures : application to high pressure hydrogen storage vessels

International audienc

Experimental method and numerical simulation demonstrate non-linear axial behaviour in composite filament wound pressure vessel due to thermal expansion effect

International audienceThe aim of this study is to understand the non-linear axial behaviour at the beginning of pressurisation in composite pressure vessel made by filament winding technique. X-ray method was used in order to investigate the presence of gap around dome area. This gap induced by debonding between composite shell and metallic boss during cooling stage of curing process due to different thermal expansion of pressure vessel components. Then, gap effect on mechanical behaviour was investigated by digital image correlation (DIC) and 3D finite element method (3D-FEM). We found that this effect induces local bending on dome area and induce a nonlinear behaviour response in axial direction at the beginning of internal pressure loading. In addition, a degree of nonlinearity depends on debonding length.Acoustic emission (AE) activity confirm this assumption since typical recording of AE signal represented a high duration, rise time and absolute energy but low frequency content which is correspond to the friction of contact surfaces

Optimisation des réservoirs composites de stockage hyperbare de l’hydrogène : bilan du projet Osirhys IV

National audienceThe minimization of the cost of an on-board hydrogen tank in a fuel cell vehicle requires the mass reduction of the carbon fiber composite while keeping a high safety level. To this end, the Osirhys IVANR project has developed a specific optimization methodology, based on an accurate modelling of damage mechanisms, first validated by comparison with experimental results obtained on wound samples and structures. This approach leads to forecast the mean burst pressure with an error less than 2% and to propose a design with a mass decrease of about 40% and a cost reduction ranging from 15% to 30%.La minimisation du coût d’un réservoir à hydrogène embarqué dans un véhicule à pile à combustible requiert de réduire sa masse en composite à fibre de carbone tout en maintenant un haut niveau de sécurité. Dans cette perspective, le projet ANR Osirhys IV a développé une méthodologie d’optimisation dédiée, reposant sur une modélisation fine des mécanismes d’endommagement préalablement validée par comparaison avec les résultats d’essais menés sur échantillons et structures bobinés. Cette démarche a permis d’aboutir à une estimation de la pression moyenne d’éclatement ne s’éloignant pas de plus de 2% du résultat expérimental et une proposition de réduction de la masse de 40% et du coût de 15% à 30%