Non-Linear Mechanical Analysis of the Composite Overwrapped Cylinder for Hydraulic Applications

Abstract

S u m m a r yThis paper provides a new method for an elasto-plastic analysis of stress and deformation fields in the composite overwrapped cylinder under the pressure load. The cylinder structure consisting of steel liner and composite shell was examined. The non-linear properties of the steel tube, and orthotropic properties of the composite were assumed in this analysis. The compound cylinder was checked against internal working pressure and external axial forces. The optimal design parameters of the pressurized vessel were found by analytical as well as numerical methods, and later validated in experimental measurements. It was generally found, that composite reinforcement does not contribute very much to the mechanical performance of the cylinder when the steel liner works in elastic range, but, in contrast, it provides a big support when the metal tube approaches plastic deformation. This phenomenon allows to increase the power-to-weight ratio of the pressurized vessel, what is especially important for demanding hydraulic applications Keywords: pressure vessels, composite-reinforced metal cylinders, elasto-plastic analysis Nieliniowa analiza wytężenia cylindrów hydraulicznych wzmacnianych kompozytem polimerowym S t r e s z c z e n i e W pracy przedstawiono metodę analizy mechanicznej cylindra hydraulicznego wzmocnionego płaszczem kompozytowym. Cylinder poddano obciążeniu roboczemu wywołującemu odkształcenie sprężysto-plastyczne. W analizie uwzględniono nieliniową zależność naprężenie-odkształcenie dla tulei metalowej, natomiast dla kompozytu polimerowego założono ortotropię jego właściwości. Obciążenie robocze powoduje zarówno ciśnienie działające na wewnętrze ścianki cylindra, jak i zewnętrzna siła osiowa. Zaproponowano nową, analityczną metodę obliczeniową. Stanowi ona podstawę do opty-malizowania konstrukcji cylindra: doboru materiału kompozytowego, orientacji poszczególnych warstw oraz ich grubości. Prowadzono zarówno weryfikację numeryczną metodą elementów skończonych, jak i laboratoryjną poprzez realizację opracowanego programu badań. Analiza uzyskanych wyników pozwala stwierdzić, że wzmocnienie kompozytowe nie jest znacznie obciążone, dopóki stalowa tuleja pracuje w zakresie sprężystym odkształcenia. Zwiększenie obciążenia roboczego powoduje, że naprężenie jest większe od granicy sprężystości metalu. Zwiększa się również odkształcenie plastyczne. Wówczas znaczną część obciążenia przejmuje płaszcz kompozytowy. Zjawisko to jest korzystne -umożliwia lepsze wykorzystanie materiału cylindra i jednocześnie zabezpiecza tuleję stalową przed nadmiernym obciążeniem.Słowa kluczowe: zbiorniki ciśnieniowe, tuleje wzmocnione powłoką kompozytową, analiza.

Experimental Stress Analysis for Woven Carbon, Glass, and Kevlar Laminate Shells

“…A stress analysis of stiffened cylindrical composite shell under transverse end load has been analyzed [3]. A new method for an elastic-plastic analysis of stress and deformation fields in composite overwrapped cylinder under the pressure load has been provided [4]. Experimental and numerical analysis of grid composite cylindrical shell subjected to transverse loading [5] and various end loading [6] have been made.…”