SUPERVISOR
Mohammad Mashayekhi,Saeed ZeiaeiRad
محمد مشایخی (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد مشاور)
STUDENT
Mohammad Yazdani Ariatapeh
محمد یزدانی آریاتپه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Pridiction of All-Steel Cylinder Fracture in Impact by Damage Mechanic Approach
From economical view, natural gas is frugal fuel by low cost and with abundant resources, on the other hand this combustion pollution are lower than other common fossil fuels such as gasoline and diesel. A major issue of natural gas fuel using in cars, is the storing problem. Compressed natural gas (CNG) cylinders are used for storage of fuel in high pressure in cars with CNG. These cylinders is divided into four categories according to the manufacturer's material that including: all-metal, metal liner hoop wrapped, metal liner fully wrapped and all-composite. All–steel cylinders with 91.7 percent usage are the most common type of cylinders and history of these cylinders goes back to 1974. There are three known methods to produce this type of cylinders so that their difference is in the raw material. Safety is one of the important issues in design and manufacturing of such cylinders. All–metal cylinders are using more well-known technology with respect to the other types of cylinders and therefore have more capability to safe performance. According to the importance of safety and decrease concern of gaslight car’s passengers, because of incident due to CNG cylinders impact with barriers especially in car accidents, it is necessary to investigate cylinder impact conditions before use. High cost and risk of empirical tests make the use of numerical methods inevitable. In this thesis damage mechanics approach is used to investigate the effect of crash and damage caused by impact in CNG under pressure steel cylinder. The CSA standard in CNG cylinders is used as a damage detection criterion and cylinders ability to reuse. Simulation of cylinder failures caused by car accident and drop is done by using Johnson-Cook damage model which is one of the efficient models in impact problems. Accomplished simulations are carried out in different impact directions, and effect of cylinder internal pressure, collision velocity and fall height are analyzed. Also failures due to collision for various situations are discussed. These investigations for different cases including crash and drop tests show that the maximum damage created in case of vertical impact and by changing direction from vertical to horizontal resultant damage will be decreased. Also by eliminating failed elements and comparing damage depth caused by collision with CSA standard, it is observed that in most cases of vertical accident and drop tests, cylinders have been damaged and lose its ability to use, while in horizontal impact cases cylinder is intact or can be reused after repairing. The results show that in collision process the cylinder’s rear wall and the front hemisphere of cylinder have more damaged and are the critical areas in the horizontal and vertical collisions, respectively. For a specific impact direction in lower cylinder internal pressure, higher collision velocity and altitude of fall damage will be more. The resulted diagrams indicate that damaged area of the cylinders predominately are under compression and endure large plastic deformation. The low difference between the results by various meshes shows that this solution does not depend on the mesh size. Therefore, this damage model is insensitive to meshing in the various impact cases. Keywords: All-steel CNG cylinder, Damage Mechanics, fracture, Impact, Jahnson-Cook model
گاز طبیعی از نظر اقتصادی، سوختی با صرفه و کم هزینه با منابعی فراوان است و از طرف دیگر آلودگی های احتراق آن نسبت به سایر سوخت های فسیلی رایج کمتر است. یک مسئله اساسی هنگام استفاده از سوخت گاز طبیعی در خودرو، ذخیرهسازی آن است. مخازن CNG جهت ذخیره سازی سوخت در فشار بالا و در خودروهایی با سوخت گاز طبیعی فشرده مورد استفاده قرار می گیرد. مخازن CNG با توجه به جنس به کار رفته در آن به چهار دسته تفکیک می شوندکه مخازن فولادی، پر کاربردترین نوع در میان این مخازن هستند. سه روش شناخته شده برای تولید مخازن فولادی وجود دارد به طوری که تفاوت آن ها در شکل ماده خام اولیه است. ایمنی، از مهمترین مباحث در طراحی و تولید این مخازن است. مخازن تمام فلزی نسبت به دیگر مخازن تکنولوژی به مراتب شناخته شده تری داشته و بنابراین از قابلیت های عملکرد ایمن بیشتری برخوردار هستند. باتوجه به اهمیت حفظ ایمنی و کاهش نگرانی سرنشینان خودروهای گازسوز به دلیل حوادث ناشی از برخورد مخزن CNGبا موانع به ویژه در اثر تصادفات، لازم است شرایط برخورد مخازن قبل از بهکارگیری مورد بررسی قرارگیرد. هزینه ی بالا و پرخطر بودن آزمایش های تجربی، استفاده از روش های عددی را اجتناب ناپذیر ساخته است. درتحقیق حاضر با رویکرد مکانیک آسیب به بررسی اثر تصادم و آسیب ناشی از برخورد مخزن CNG فولادی تحت فشاردر نرم افزار ABAQUS پرداخته شده است. معیار شناسایی آسیب و قابلیت به کارگیری مجدد مخزن پس از برخورد مطابق استاندارد CSA در مخازن CNG انتخاب شده است. شبیه سازی صدمات وارد بر مخزن در تصادف و سقوط خودرو با به کارگیری مدل آسیب جانسون وکوک که از مدل های کارآمد در زمینه برخورد است، انجام شده است. شبیه سازی ها در جهت های مختلف برخورد انجامشده و تاثیر فشار داخل مخزن، سرعت تصادم و ارتفاع سقوط مورد تحلیل قرار گرفته و آسیب ناشی از برخورد برای حالت های مختلف بررسی شده است. بررسی های صورت گرفته برای حالت های مختلف برخورد شامل سقوط و تصادف نشان می دهد بیشترین آسیب در حالت برخورد عمودی ایجاد می شود و با تغییر زاویه برخورد از امتداد عمودی به افقی، صدمه وارده به مخزن کمتر خواهد بود. با حذف المان های آسیب دیده و با مقایسه عمق آسیب دیدگی ناشی از برخورد، با استاندارد CSA مشاهده می شود که در بیشتر حالتهای تصادف و سقوط عمودی، مخزن دچار آسیب شده و قابلیت استفاده خود را از دست می دهد در صورتی که در حالت های برخورد افقی، مخزن بدون عیب باقی مانده و یا با تعمیر قابلیت به کارگیری مجدد را داراست. نتایج حاصل از تحقیق نشان می دهد، در تصادم افقی به دیواره پشتی مخزن و در تصادم عمودی به عدسی مقابل مخزن آسیب بیشتری وارد شده و ناحیه بحرانی برخورد محسوب می شوند. برای یک جهت خاص هنگام برخورد در فشار داخلی کمتر، سرعت برخورد و ارتفاع سقوط بالاتر صدمه واردشده بیشتر خواهد بود. همچنین نمودارهای بدست آمده نشان میدهد، نواحی آسیب دیده مخزن در اثر برخورد به طور غالب تحت فشار هستند و کرنش پلاستیک بالایی را متحمل شده اند. نزدیکی نتایج حاصل از حل مساله مورد نظر با شبکه بندیهای مختلف، نشان دهنده عدم وابستگی و حساسیت روش حل به نحوه شبکه بندی است. کلمات کلیدی: مکانیک آسیب، مدل جانسون و کوک، مخازن CNG فولادی، برخورد، شکست.