The aim of this study is to investigate the mechanical properties of continuous fiber reinforced composite tubes, produced by filament winding technique. For this purpose, tensile and split-disk tests were performed with specimens produced with five different fiber materials and two different resin systems. Longitudinal tensile and hoop tensile properties of the selected specimens were determined and the effect of reinforcement direction on the mechanical performance of these composites was investigated. In addition, the effect of a filament-winding processing variable (fiber tension) on longitudinal and hoop tensile properties of the selected composites was obtained. A slight increase in hoop/longitudinal tensile properties of specimens was observed for specimens wounded with tension and with winding angles greater than 60o. The tests were performed according to American Society for Testing and Materials (ASTM) standards. The split-disk tests of selected composite specimens were simulated by the finite element method. For this purpose, a commercial finite element package program was used. Experimental results were used both as input in terms of material data for the finite element study and for comparison purposes. A good agreement was obtained between the simulation results and the experimental data.

Ce travail a pour but de proposer une nouvelle approche du dimensionnement optimisé des réservoirs de stockage d’hydrogène de type IV visant à mieux répondre aux enjeux industriels. Les objectifs scientifiques et techniques consistent à disposer de modèles qualifiés pour la simulation du comportement de ces réservoirs, associés à des méthodologies de dimensionnement et d’optimisation fiables. La démarche s’appuie sur trois axes principaux :– proposer une démarche de conception prédictive en intégrant (i) un premier aspect lié à la ruine de la structure qui est la conséquence de mécanismes complexes et multiples d’endommagement s’initiant, s’accumulant et se développant dans un milieu anisotrope et (ii) des modèles de simulation de la structuration composite spécifique au procédé d’enroulement filamentaire, technologie employée largement dans la fabrication des réservoirs de stockage à haute pression. Leurs implémentations constituent une première avancée face à l’existant ;– choisir et évaluer les paramètres structuraux par une démarche d’optimisation où nous sommes amenés à utiliser (i) des méthodes de métamodélisation permettant de répondre aux contraintes de coûts, (ii) des méthodes spécifiques de tri et (iii) des méthodes à spectres larges qui recherchent des solutions sur une large population telles que des méthodes génétiques ;– qualifier la démarche dans sa globalité par une comparaison entre calculs et essais. Ainsi, la finalité de ce travail est de développer et valider des modèles et méthodes pour permettre de mieux concevoir, tester et fabriquer à moindre coût un réservoir avec une structure calculée optimisée. / The purpose of this study is to suggest a new way to design type IV high pressure hydrogen composite vessels to better fulfil industrial requirements. Developing suitable models for the comportment’s simulation of these vessels in relation with a reliable design method is the main scientific and technical aim. This approach relies on the three following lines :– perform a predictive design method using the most recent theoretical and numerical works investigated on composite materials and more specifically in taking into account (i) an essential aspect linked to the structural failure which is the consequence of the initiation, accumulation and propagation of complex damage mechanisms and (ii) the use of specific composite lay-up models related to the filament winding process, used for pressure vessels manufacturing. These approaches are significant breakthroughs compared with previous studies ;– choose and assess structural parameters with an optimisation approach where we use (i) surrogate methods to meet economic requirements, (ii) specific sorting methods and (iii) broad-spectrum methods such as genetic algorithm methods ;– approve of the whole approach by theoretical and experimental comparisons.The goal of the project will be to develop, provide and approve models to enable a better conception and industrialisation of an optimal high pressure vessel in relations with costs.

The aim of this diploma thesis is the proposal of solution of three-axial winding machine for winding technology of rotary profile. Winding materials are continual springs of carbon, aramid or glass fibre impregnated by resin. The main construction change of the machine compared to commercial available solutions is the use of linear motor as a frame element instead of roller screws or toothed chain. Linear motors have higher dynamics of the movement and they can reach higher speed compared to other solutions, which guarantee increase of the machine productivity. The main importance is put not only on the functionality but also on the low price of this solution. The 3D model of the mechanism is created in the program Inventor 2009.

In den letzten 20 Jahren näherte sich der einst nur für die Luft- und Raumfahrt entwickelte kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) mehr und mehr der industriellen Umsetzung in anderen Bereichen an. Die CFK-Halbzeuge und -Bauteile sind nun auch preislich in der Lage, unter Anwendung angepasster Fertigungsverfahren breiter eingesetzt zu werden. Der Fokus dieser Arbeit richtet sich exemplarisch auf die kosten- und energieeffiziente Herstellung von schnell laufenden CFK-Verbundwalzen und soll aufzeigen, dass Kostenersparnisse über Leane Fertigungsmethoden auch in der FKV-Industrie von großem Vorteil sind. Somit liefert diese Dissertationsschrift einen beispielgebenden Beitrag für den Durchbruch von Faserverbund-werkstoffen im industriellen Bereich. Darüber hinaus werden durch Prozessoptimierung Alternativen aufgezeigt, qualitativ hochwertigere und gleichsam kosteneffiziente Bauteile herzustellen.:1 Einleitung 6 2 Motivation und Zielsetzung 7 3 Entwicklung der Rohstoffkosten 12 3.1 Abhängigkeit vom Rohöl 13 3.2 Preisentwicklung von Stahl 13 3.3 Preisentwicklung von Kohlenstofffaser im Vergleich zu Stahl 14 3.4 Automatisierung 15 4 Selektion des Untersuchungsgegenstandes 17 4.1 Typenauswahl für die Untersuchung 17 4.2 Belastung und Geometrie 19 4.3 Verwendete Rohstoffe 22 4.3.1 Fasern 22 4.3.2 Matrix-System 24 4.4 Hygrothermische Eigenspannungen 29 4.5 Berechnung der Laminatstruktur 32 4.6 Wettbewerbsvorteil und Routine 34 4.7 Das schlanke Produktionskonzept „Lean“ 37 5 Allgemeine Anforderungen an den Prozess 40 5.1 Kernkompetenz und Fertigungstiefe 40 5.2 Prozessbeschreibung 40 5.2.1 Sektionen 41 5.2.2 Auswuchten 74 5.3 Qualität 75 5.3.1 Total Quality Management 75 5.3.2 Prozessintegrierte Qualitätssicherungsverfahren 78 5.4 Der konventionelle Prozess 80 5.4.1 Untersuchte Fertigungsart 80 5.4.2 Materialfluss 81 5.5 Analyse des konventionellen Prozesses 82 5.5.1 Herstellkosten 82 5.5.2 Lernkurve 86 6 Der Leane Ansatz in der Composite-Fertigung 88 6.1 Zielstellung 88 6.2 Lean Prozess in der Umsetzung der Sektionen 88 6.2.1 Störfunktion „Doppelwickeln“ 89 6.2.2 Sektionen 91 6.3 Kostenanalyse 101 7 Zusammenfassung und Ausblick 102 8 Verzeichnisse 104 8.1 Literatur- und Quellenverzeichnis 104 8.2 Abbildungsverzeichnis 113 8.3 Tabellenverzeichnis 116 8.4 Zitierte Patente 116 9 Anhang 117

It was found that a significant improvement of mechanical properties of CFRPs can be achieved by the adjustment of the matrix properties such as toughness and CF/matrix adhesion via the chemical modification, as well as the physical modification by a small amount of cheap and environment-friendly nano fibers. Based on investigation of fracture mechanisms at macro/micro scale, the effects of matrix properties and nano fiber on the mechanical properties of CFRP have been discussed. Subsequently, the relationship has been characterized by a numerical model to show how to modulate the parameters of the matrix properties to achieve excellent fatigue properties of CFRP. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University