スライド 1

Size: px

Start display at page:

Download "スライド 1"

はすなちづ
5 years ago
Views:

1 FRP 複合容器の設計クライテリア平成 22 年 2 月 19 日高圧ガス保安協会竹花立美 1

2 容器軽量化の要望 GAS 最も軽量化が可能 FRP 複合容器充てん出来るガス酸素 10kg 4.5 倍メタン 5kg 9 倍水素 0.625kg 72 倍 (0.5kg) 90 倍鋼製容器質量 45kg 内容積 46.7 L 最高充てん圧力 14.7MPa 海外高張力鋼 1400MPa アルミ合金

FRP 複合容器 Fiber Reinforced Plastics Composite Cylinder 金属製またはプラスチック製のライナーと呼ばれる薄肉容器の外側に樹脂を含浸させた長繊維 ( 連続繊維 ) を巻付けて強化させた容器 Filament Winding 成形により製作繊維の強度を最大に生かせる FRP フープラップ容器フルラップ容器

3 FRP 複合容器 Fiber Reinforced Plastics Composite Cylinder 金属製またはプラスチック製のライナーと呼ばれる薄肉容器の外側に樹脂を含浸させた長繊維 ( 連続繊維 ) を巻付けて強化させた容器 Filament Winding 成形により製作繊維の強度を最大に生かせる FRP フープラップ容器フルラップ容器金属製ライナーの円筒胴部分の周方向を強化円筒胴部分周方向応力は軸方向の2 倍フープラップ容器軸方向応力を基準に設計周方向をFWで補強質量アルミ / ガラスマンガン鋼製容器の半分程度子午線方向と周方向を強化ライナーの子午線方向及び鏡部分を補強するヘリカル巻き又はインプレン巻きに周方向を補強するフープ巻を加えた容器質量アルミ / ガラス Cr-Mo 鋼製容器の1/2 程度アルミ / カーボン Cr-Mo 鋼製容器の1/3 程度 3

4 研究開発の民生利用主に軍事及び宇宙開発のため研究報告を公表していなかった 1964 年 Aerojet General 社多数のロケットチャンバーの研究報告を公表 1966 年 NASA CR コンピュータコード金属製ライナーを有するフィラメント強化圧力容器の解析のためのコンピュータプログラム 1970 年 NASA 民生利用へ技術を応用消防用の空気呼吸器用 FRP 複合容器の開発が開始アルミ合金製ライナー /S- ガラス繊維最高充てん圧力 4000psig(281kg/cm 2 ) 内容量 6 リットル強クロモリ製容器に対して 50% の軽量化米国運輸省 (DOT) E-6747( 特別な認可 ) ニューヨークロサンゼルスヒューストンの市消防によりフィールドテスト NASA 型容器とも呼ばれている 4

5 技術基準 ( 米国 ) 認可のためのガイドライン空気呼吸器等の移動式容器米国 CGA (COMPRESSED GAS ASSOCIATION) の要請で特別な認可のためのガイドラインを作成ガラス繊維 / アルミ合金容器 1981 年 DOT FRP-1 Standard Fully Wrap 1982 年 DOT FRP-2 Standard Hoop Wrap カーボン繊維 / アルミ合金容器 1997 年 DOT CFFC Fully Wrap 1997 年移動式容器に関して米国では現在でも特別な認可が必要 CNG 移動車用容器 ( 燃料タンク ) 1992 年米国規格協会 (American National Standards Institute)/ 米国ガス協会 (American Gas Association) ANSI/AGA NGV2 規格が発行 1998 年 2000 年及び 2007 年に改正規格制定機関 AGA から CSA(Canadian Standards Association) America へ自らの燃料とするための CNG 用容器に関しては特別な認可の必要なし ( 米国 ) 5

6 日本の FRP 複合容器の開発と基準化 1965 年航空宇宙用に本格的に利用固体ロケットのモータケース気蓄器等 1982 年民生用に研究が開始消防用 5L 1985 年高圧ガス保安協会において軽量容器の開発研究 1997 年特別認可から一般基準化別添 6 ガラス繊維 / アルミ合金一般用別添 8 ガラス繊維 / アルミ合金 CNG 車用別添 9 CNG 車両搭載用ガラス繊維カーボン繊維シームレス容器 Hoop Wrap Fully Wrap アルミライナープラスチックライナー 2000 年 KHK S 0121 カーボン / アルミ合金 Fully Wrap 一般用 2005 年 JARI S001 圧縮水素車両搭載用最高充てん圧力 35MPa カーボン繊維 Fully Wrap アルミライナープラスチックライナー 2005 年 JIGA-T-S/12/04 圧縮水素輸送自動車用 ( 内容はJARI S001とほぼ同じ ) 2006 年 JGA 指 -NGV07-05 CNG 車両搭載用 ( 別添 9のバージョンアップ ) 70MPa 容器 ( 予定 ) 6

7 ライナー製造工程 ( カッピング方式の例 ) プレートカッピング延伸製品頭部成形 7

8 FW マシンの制御の軸数 2 軸 -A 3 軸 2 軸ー B 4 軸 8

9 規定規格と性能規格規定規格圧力容器の構造設計基準の基本思想は公式による設計 (Design by Rule) と解析による設計 (Design by Analysis) に大別される公式による設計 (Design by Rule) は構造と材料と計算式が規格で与えられ単純な計算式によって応力が許容応力以下であることを確認する起こり得る全ての破損モードを考慮していない分だけ安全率は高く見積もられている解析による設計 (Design by Analysis) は起こり得る全ての破損モードを考慮しこれらに対して応力制限温度制限などを設定し詳細解析によって制限を満足することを確認する詳細な解析が要求される反面設計に自由度があるまた詳細な試験検査も別に設定されているしたがって合理的かつ高い水準の構造健全性が確保できる公式による設計は内圧に対して十分な肉厚を持つのに対して解析による設計は贅肉を落としてスリムになり熱応力等が軽減できる性能規格性能 (Performance based Standards) 規格一般に使用方法使用環境使用条件等が明確な場合に達成目標と目的を満たしていることを証明するための方法とともに示している証明する方法は例えば試験と検査 9

10 FRP 複合容器の設計と構造の特徴シームレス容器最高充てん圧力で80,000 回または耐圧試験圧力で12,000 回使用期限の制限なし FRP 複合容器容器に充てんする回数 ( 内圧荷重の繰返し回数 ) 使用期限を制限 < 例 > 使用形態充てん回数 750 回 / 年 15 年間使用 1) 容器最高充てん圧力までの繰返し荷重 ( 約 11,250 回 ) 15 年間保持される充てん圧力に耐える 2) ライナー繰返し荷重に対して十分な安全率 3) フィラメントライナー以上の繰返し回数 15 年間の保持された内圧荷重 ( 応力レベルを設定 ) 応力レベルと疲労寿命の2 点を同時に満足使用中の傷に対して考慮 10

11 保持される圧力に耐える特性ストレスラプチャー特性金属材料のクリープとよく似た現象常温で起こる現象であり変形 ( 歪 ) が時間とともに明確に増す現象ではないためストレスラプチャーと呼ばれているガラス繊維は負荷状態で長期間置かれると環境中の酸及びアルカリ等により劣化し破断する炭素繊維はその化学的成分から環境による劣化はないと考えられているが実証するデータは極めて少ないストレスラプチャーに関する研究 1970 年頃米国 LLNL ガラス繊維 : 破断応力の 30% を負荷した場合 15 年後の破壊確率は 1/1,000,000 となる 11

12 フィラメント材料の応力レベル一般産業用容器 CNG 自動車燃料装置用容器ガラス繊維 30% 28.57%(1/3.5) アラミド繊維 30% 33.33%(1/3) カーボン繊維 30% 44.44%(1/2.25) 最高充てん圧力時の繊維の応力応力レベル= 容器が破裂するときの繊維の応力ガラス繊維 : 容器保安規則例示基準別添 6 及び米国 DOT FRP-1 Standard アラミド繊維 : 米国 DOT FRP-1 Standard カーボン繊維 : 米国 CGA CFFC 容器保安規則例示基準別添 9 及び米国 ANCI/AGA NGV2(1998) 一般産業用 FRP 複合容器では使用中に生じる傷を考慮して応力レベルは全て 30% 重要な項目のため容器の型式毎に設計確認試験及び組試験における破裂試験で確認 12

13 引張強さ (%) CNG 容器の安全率の根拠となったストレスラプチャー特性 (1984 年 ) 炭素繊維約 44.44% S-Glass/Epoxy S-Glass/Epoxy 100 万分の1の破断確率 Carbon/Epoxy Carbon/Epoxy 100 万分の1の破断確率 25years 破断時間 ( 時間 ) ガラス繊維約 28.57% 25 年 13

14 ストレスラプチャー試験片と試験装置 φ2.5 試験片寸法図 φ0.9 φ2.5 試験片断面の SEM 写真ストレスラプチャー試験機直径 0.9mm 単繊維数 12,000 本 (T700SC) 18,000 本 (M30) 14

15 荷重 ( 引張強さの平均値 %) 荷重 ( 引張強さの平均値 %) ストレスラプチャー試験結果現在数多く使用されている炭素繊維の例 CFRP tested Graphite (Thornel 50S) T.T.Chiao % 下限線破断時間 ( 時間 ) 110 変動係数 105 3σ 最小二乗法による近似曲線破断時間 ( 時間 ) 引張強さの 3σ 2σ 1σ 1σ 2σ 3σ 15

16 ストレスラプチャー試験破断時の高速写真 0/500 1/500 2/500 3/500 最初の破断は試験片の外表面から開始する ( 矢印 ) 試験片外表面側の応力が高い 17/500 18/500 19/500 20/500 21/500 16

標点間の伸び (mm) 標点間の伸び (mm) 伸び計による歪の経時変化測定 0.03 0.02 歪の時間変化破断時間 3 分 0.01 伸び計 0 0.1 0.08 0.06 0.04 0.

17 標点間の伸び (mm) 標点間の伸び (mm) 伸び計による歪の経時変化測定歪の時間変化破断時間 3 分 0.01 伸び計歪の時間変化破断時間 619 時間経過時間 ( 時間 ) 破断は外面の繊維から開始している歪は経時的に増加している同じ荷重範囲で 1 時間未満で破断するものと40,000 時間を超える試験片が存在時間依存性のない現象ストレスラプチャー試験による強度低下は樹脂材料の常温クリープによるものと推定 17

18 Stress Amplitude (MPa) 疲労特性ライナーと FRP の疲労特性と LBB ライナーの寿命 N 1 より FRP の寿命 N 2 を十分長く設計する荷重の繰返しにより容器全体が破裂する前に漏洩が開始 Ð 2 Aluminum E Glass Composite m 1 m Q 破裂前漏洩 (LBB:Leak Before Burst) が成立 100 し容器破裂による災害を最小限に食い止める Ð 1 m 1 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 Number of Cycles LBB 成立のためのライナーと FRP の疲労特性 ( 模式図 ) m 2

19 FRP 材料の疲労特性 (1984: Menges, Polymer Composites) この時代 CFRPは疲労特性が極めて良いと紹介されているが現在主流となっている炭素繊維とは異なる設計に使用できる公表されたデータはない高強度材料であるため試験自体が難しい 19

20 試験片の問題点と対応問題点グリップ内部で応力集中を起こすため正確なデータが得られない対応ガラス製タブをアルミ製に変更し塑性変形によりグリップ荷重を分散させるテーパ形状によりグリップ力を低減 20

21 ピーク応力 (MPa) CFRP(T700SC) 疲労試験結果 R= 繰返し回数炭素繊維本来の疲労特性繊維と樹脂の割れや剥離に起因するCFRPとしての疲労特性エポキシ樹脂の疲労特性に影響される高強度 CFRPではさらに顕著となる繊維と樹脂の割れを詳細に観察することで寿命推定の可能性がある 21

22 Compressive Tensile 自緊処理 Composite Over Wrap フィラメントの破断伸び Stress カーボン繊維 1.5% 程度金属ライナーの 0.2% 耐力における歪の数倍 A6061 Aluminum Liner 自緊処理ライナー圧縮応力フィラメント引張応力疲労寿命を延ばす適切な安全率を確保 Autofrettage Pressure Test Pressure Strain Filling Pressure Zero Pressure WP BP Burst Pressure 22

23 Compressive Compressive Tensile Tensile A7075 自緊処理時に破裂の可能性大 SUS316L 安全率過大 8 程度 Composite Over Wrap Composite Over Wrap Stress 7075 Aluminum Liner Stress SUS316L Stainless Liner Autofrettage Pressure Test Pressure Strain Autofrettage Pressure Test Pressure Strain Filling Pressure Filling Pressure Zero Pressure Burst Pressure Zero Pressure Burst Pressure 材料の種類弾性率 (GPa) 0.2% 耐力 (MPa) 自緊処理後の弾性範囲 (%) 最高充てん圧力までの歪 (%) 自緊処理ひずみの 1/1.5 充てん圧力と破裂圧力との関係繊維破断歪を 1.4% とした例 6061-T T SUS316L HS-T

24 FRP 複合容器の設計方法網目理論による概略設計と FEM による詳細設計網目理論例 :NASA CR (1966) 力の釣合い式歪適合式弾塑性解析ドーム形状 : 等張力測地線ドームの全ての部分で張力が等しい繊維の張力のみでせん断力はかからない網目設計ではドーム部の内圧による変形を計算できない FEMによる詳細設計 2 次元軸対称ソリッド要素で可能弾塑性解析 FRP 直行異方性弾性アルミライナー等方性弾塑性 24

25 周方向等張力測地線に基づく形状 k: ライナーの荷重分担比ボス / 直径 = k=1 k=0.75 k=0.5 k=0.25 k= 軸方向 25

26 有限要素法による容器の解析一般的な FEM による詳細設計 2 次元軸対称ソリッド要素による弾塑性解析 FRP 直行異方性弾性アルミライナー等方性弾塑性 26

27 変位図ライナー荷重分担率 0% 変位図ライナー荷重分担率 30% 変位図ライナー荷重分担率 60% 変位図ライナー荷重分担率 100% 変形は FRP 材料の材料異方性により異なる現在は最適解なし 27

28 FRP 材料の強度評価 A P P B 強度のほとんどは繊維が受持つ繊維本数は同じ荷重 Pも同じ応力で表現 σ (A) =P/A (A) > σ (B)) =P/A (B) 歪で表現 P P ε (A) ε (B) 28

29 Filament Strain (%) FRP 複合容器の強度評価の方法 MPa 12 MPa 9 MPa 6 MPa 3 MPa 0 Pa Distance from Hoop Winding End (mm) 横軸容器の位置 - 側胴部 + 側ドーム部縦軸フィラメント ( 複合材料 ) の歪胴部フープ巻ドーム部ヘリカル巻フィラメントの歪の大きい個所で破裂開始 29

Filament Strain (%) 歪分布と破裂位置ヘリカル強化 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.

30 Filament Strain (%) 歪分布と破裂位置ヘリカル強化 MPa 12 MPa 9 MPa 6 MPa 3 MPa 0 Pa Distance from Hoop Winding End (mm) 30

Filament Strain (%) 歪分布と破裂位置フープ強化 3 2.5 2 1.5 1 0.

31 Filament Strain (%) 歪分布と破裂位置フープ強化 MPa 12 MPa 9 MPa 6 MPa 3 MPa 0 Pa Distance from Hoop Winding End (mm) 31

32 Diameter :300mm Filling Pressure :20MPa CNG Cylinder Tangent Line Model A Model B Model C Model D Model E Model F Model G Model H Model Position of the end of hoop layer Percentage to diameter A To dome side, +6mm +2% B To dome side, +3mm +1% C Tangent line 0% D To cylinder side, -3mm -1% E To cylinder side, -6mm -2% F To cylinder side, -9mm -3% G To cylinder side, -12mm -4% H To cylinder side, -15mm -5% Distance from Tangent Line (mm) 32

33 Displacement Model A +2% 6mm Displacement Model C ±0% 0mm Displacement Model E -2% -6mm Displacement Model G -4% -12mm 33

34 Detailed displacement Model A +2% 6mm Detailed displacement Model C ±0% 0mm Detailed displacement Model E -2% -6mm Detailed displacement Model G -4% -12mm 34

35 Filament Strain (%) Cylinder Part (Hoop Layer) 60MPa 40MPa Dome (Helical Layer) 20MPa Pa Distance from Tangent line (mm) Distribution of Filament Strain +2% from Original Hoop Layer End (A) 35

36 Filament Strain (%) Cylinder Part (Hoop Layer) 60MPa 40MPa Dome (Helical Layer) MPa 0 Pa Distance from Tangent line (mm) Distribution of Filament Strain -2% from Original Hoop Layer End (E) 36

37 Pressure (MPa) Cylinder Part Dome Part Hoop Layer End Part Position of Hoop Layre End (%) フープ巻端部の位置と繊維の破断歪が 1.5% と仮定したときの破裂圧力の関係 (CNG 容器の例 ) 37

38 推定破裂圧力 (at 1.5% Strain of FRP) Cylinder Model Estimated Burst Pressure (MPa) (%) A B C D E F D H

39 供用中の損傷 FRPの損傷は定期的な非破壊検査では判断できない使用中に生じる外部損傷は擦傷切傷衝撃傷及び熱損傷等傷の拡大金属材料とは異なるマトリックスの割れ層間剥離が生じる繊維材料を切断して進行しない切傷 ( 深くて短い傷 ) 傷近傍の他の傷がどのように強度に影響するか不明確幾つの傷がどのような分布で発生するとどのように影響するかが不明確広い面積で比較的浅い傷の値を許容傷深さとして採用規則 ( 現在 ) 損傷補修による強度回復は不可能残存するFRP 層の応力が規定値 ( 応力レベル ) を下回らない傷を許容圧力の繰返し回数と使用期間を制限今後の研究に期待 39

40 軽量水素で劣化しない構造 + 軽量燃料電池等水素用容器 35MPa 70MPa 180L 35MPa 4kg 300km 160L 70MPa 6kg 500~700km 更なる軽量化技術が必要貯槽も FRP 複合構造へ 105MPaの貯槽 KHK ASME ISO 等圧力の繰返し回数使用期限が増加移動式容器とは異なる設計技術が必要 CFRP 容器にはストレスラプチャー基準に代わる新たな設計基準が必要 40

PowerPoint Presentation

PowerPoint Presentation H8 年度有限要素法 1 構造強度設計 1. 塑性崩壊 1.3 疲労設計 ( 一部修正版 ) H8-1/6 早川 (R : 夏学期の復習部分 ) 1. 塑性崩壊とその評価法 ( 極限解析 ) R 塑性崩壊 : 構造物として使用に耐えないほどの過度の塑性変形全断面降伏前提 : 弾完全塑性材モデル E ひずみ硬化ありひずみ硬化なし : 降伏強さ E : ヤング率 ε 図 1.3 弾完全塑性材モデルの応力