Skip to main content
SUPERVISOR
MohammadReza Forouzan,Mahmoud Farzin,Mohammad Mashayekhi
محمدرضا فروزان (استاد راهنما) محمود فرزین (استاد راهنما) محمد مشایخی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Aliakbar Taghipour Lahijani
علی اکبر تقی پورلاهیجانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1386

TITLE

Leak-Before-Break Assessment and Allowable Crack Size Determination of All-Steel CNG Cylinders
CNG cylinders are under high cyclic pressure as a result of refueling process. Surface cracks of the cylinder can grow with corrosion-fatigue mechanism during the service life. Hence, these cylinders are designed for a limited service life and the initial cracks should not exceed an allowable size. An excessive number of pressure cycles will eventually cause fatigue cracks to grow in the cylinder wall. The cylinder standards require that the failure mode of designs that suffer the through-wall growth of a fatigue crack is by leakage, and not by rupture. In this research, two analytical methods has been developed for the determination of the allowable crack sizes and the evaluation of leak-before-break (LBB) performance of the all-steel CNG cylinders, by using fracture and damage mechanics. A simple method for allowable crack sizes determination and a new model for the evaluation of LBB performance are presented. These methods are used in the analysis of a 60 liter cylinder made by Faber Company of Italy. Backward crack growth approach has been taken in the allowable crack sizes determination. Backward growth of the critical surface cracks for a fatigue life equal to the service life of the cylinder will result in a span of initial cracks that ensure the life requirement. The K I stress intensity factors of the axial semi-elliptical surface cracks have been calculated using Newman and Raju solutions. The growth is also simulated with the cycle by cycle integration of the crack growth relation. Stability analysis of the ductile growth of the critical surface crack in popping through the thickness event is recommended for the LBB performance evaluation. The remaining ligament in the front of the critical crack will break in the ductile mode and a through the thickness crack will appear. Stability of the resulting crack can be evaluated as the LBB performance. The ductile crack growth is simulated using the well known micro-mechanically based damage model of Gurson-Tevergard-Needlman (GTN). The GTN model is already implemented in ABAQUS\Explicit software. In this research, the GTN damage model has successfully shown it’s capability in the simulation of popping through and the prediction of the canoe-shaped surface crack front in ductile growth. The initial and critical void volume fraction parameters (f 0 ,f c ) of the model are also determined by the simulation of the expremental three-point-bending test and finite element calibration of the J-R curve. Finally, simulation of the ductile crack growth of a simplified one-eight model of the cracked cylinder has demonstrated the LBB performance. Keywords: All-steel CNG cylinder, Corrosion-fatigue, Allowable crack size, Leak-Before-Break, Damage model
مخازن CNG به دلیل پر و خالی شدن های متوالی، به طور متناوب تحت فشارهای بسیار بالا قرار می گیرند. ترک های سطحی مخزن می توانند با مکانیزم خستگی-خوردگی رشد کنند. بنابراین، این مخازن برای یک عمر کاری محدود طراحی شده و ترک های اولیه آن ها نباید از یک حد مجاز بزرگ تر باشد. بارگذاری مخزن پس از عمر کاری، باعث رشد ترک های سطحی و عبور آن ها از ضخامت می گردد. استانداردهای مخازن CNG عملکرد نشت قبل از شکست برای این محصول الزامی می دانند. در این تحقیق، با استفاده از مکانیک شکست و آسیب، روش هایی تحلیلی برای ارزیابی عملکرد نشت قبل از شکست و تعیین اندازه مجاز ترک های اولیه مخازن CNG فولادی پیشنهاد شده است. در این تحقیق، یک روش ساده و کاربردی برای تعیین اندازه مجاز ترک های اولیه و یک مدل تحلیلی نوین برای ارزیابی عملکرد نشت قبل از شکست ارایه شده اند. این روش ها در تحلیل یک مخزن 60 لیتری ساخت شرکت فابر ایتالیا ، به کار گیری می شوند. برای تعیین اندازه مجاز ترک های اولیه، از رهیافت رشد معکوس ترک های بحرانی استفاده شده است. رشد معکوس ترک های سطحی بحرانی برای بازه زمانی به اندازه عمر کاری مخزن، گستره ای از اندازه ترک های اولیه با عمر مجاز را به دست خواهد داد. ضرایب شدت تنش K I ترک های سطحی نیم بیضی با استفاده از حل های شناخته شده نیومن و راجو محاسبه شده اند. رشد ترک نیز با انتگرال گیری چرخه به چرخه از روابط رشد خستگی، محاسبه گردیده است. برای ارزیابی عملکرد نشت قبل از شکست، تحلیل پایداری رشد نرم ترک سطحی بحرانی در هنگام عبور از ضخامت، پیشنهاد شده است. ضخامت باقیمانده در پیشانی این ترک سطحی، تحت فشار بیشینه به صورت نرم شکسته شده و یک ترک تمام عمق به وجود می آید. پایداری ترک حاصل، به معنی وقوع عملکرد نشت قبل از شکست ارزیابی می گردد. شبیه سازی رشد نرم با به کارگیری یکی از شناخته شده ترین مدل های میکرومکانیکی آسیب یعنی مدل گرسن (GTN)، انجام می شود. این مدل آسیب، در نرم افزار ABAQUS\Explicit پیاده سازی شده است. در این تحقیق، مدل آسیب گرسن به طور موفقیت آمیزی توانایی خود را در تحلیل رشد نرم ترک های سطحی، شبیه سازی پدیده عبور از ضخامت و پیش بینی پدیده قایقی شدن پیشانی ترک در حین رشد نرم نشان داده است. تعدادی از پارامترهای مدل با استفاده از روابط موجود به دست آمده اند. پارامتر های کسر حجمی حفره اولیه (f 0 ) و بحرانی (f c ) نیز با شبیه سازی آزمون خمش سه نقطه ای تجربی و کالیبراسیون اجزای محدود نمودار J-?a تعیین شده اند. در نهایت، شبیه سازی رشد ترک مدل یک هشتم ساده مخزن، پایداری رشد و عملکرد نشت مخزن مورد بررسی را نشان داده است. کلمات کلیدی: مخزن CNG فولادی، خستگی-خوردگی، اندازه مجاز ترک اولیه، عملکرد نشت قبل از شکست، مدل آسیب گرسن

ارتقاء امنیت وب با وف بومی