JP2010116980A - Design method of high pressure tank - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば圧縮水素ガスや圧縮天然ガスを貯蔵するのに用いられる高圧タンクの設計方法に関する。本発明に係る高圧タンクは、例えば、燃料電池自動車用の水素燃料タンクに好適に用いることができる。 The present invention relates to a method for designing a high-pressure tank used for storing, for example, compressed hydrogen gas or compressed natural gas. The high-pressure tank according to the present invention can be suitably used, for example, as a hydrogen fuel tank for a fuel cell vehicle.
高圧タンクには、例えば、燃料電池自動車用の水素燃料タンクや天然ガス自動車用の圧縮天然ガスタンクがある。近年、特に車両用の高圧タンクにおいて、軽量化・高強度化のために、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が用いられるようになってきている。 Examples of the high-pressure tank include a hydrogen fuel tank for a fuel cell vehicle and a compressed natural gas tank for a natural gas vehicle. In recent years, fiber reinforced plastics (FRP) have come to be used to reduce weight and increase strength, particularly in high-pressure tanks for vehicles.
繊維強化プラスチックを用いた高圧タンクとして、金属製又はプラスチック製ライナの外側を繊維強化樹脂層で補強したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この高圧タンクでは、車両搭載性を考慮して、ライナの胴部が扁平形状とされている。また、この高圧タンクにおける繊維強化樹脂層は、繊維がフープ巻きされたフープ巻き層と、繊維がヘリカル巻き及び／又はインプレーン巻きされたヘリカル巻き層及び／又はインプレーン層と、からなる。そして、フープ巻き層の厚さが、繊維強化樹脂層全体の厚さの５０〜７５％とされている。これにより、周方向応力に対する十分な強度と、軸方向応力に対する十分な強度とを確保している。
ところで、外部からタンクに衝撃力が作用すると、タンク内部に応力が発生する。このときの応力の発生には方向性があり、一の方向に高応力が発生する。そして、その応力分布はタンク形状に依存する。また、繊維強化樹脂層のフープ巻き層とヘリカル巻き層とにおいてもヤング率の方向依存性があり、繊維が延びる方向のヤング率は他の方向のヤング率よりも高い。このため、外力の作用によりタンクに発生した応力を低減させることについて、タンク形状に応じて有効なフープ巻き層とヘリカル巻き層の積層構造がある。 By the way, when an impact force acts on the tank from the outside, a stress is generated inside the tank. The generation of stress at this time has directionality, and high stress is generated in one direction. The stress distribution depends on the tank shape. Further, the hoop winding layer and the helical winding layer of the fiber reinforced resin layer also have a direction dependency of Young's modulus, and the Young's modulus in the direction in which the fiber extends is higher than the Young's modulus in the other direction. For this reason, there is a laminated structure of a hoop winding layer and a helical winding layer that is effective for reducing the stress generated in the tank by the action of an external force depending on the tank shape.
しかし、従来、そのようなタンク形状に応じた有効なフープ巻き層とヘリカル巻き層の積層構造について、十分な解析が行われていなかった。このため、従来の高圧タンクでは、外力の作用によりタンクに発生した応力を必ずしも確実に低減させることができなかった。 However, in the past, sufficient analysis has not been performed on the laminated structure of an effective hoop winding layer and a helical winding layer according to such a tank shape. For this reason, in the conventional high-pressure tank, the stress generated in the tank due to the action of external force cannot always be reliably reduced.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、タンク形状に応じた適切なフープ巻き層とヘリカル巻き層の積層構造として、外力の作用によりタンクに発生した応力をより確実に低減させることのできる高圧タンクを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and as a laminated structure of an appropriate hoop winding layer and a helical winding layer according to the tank shape, the stress generated in the tank by the action of external force can be more reliably reduced. An object is to provide a high-pressure tank that can be used.
上記課題を解決する本発明の高圧タンクの設計方法は、ガスバリア性を有するライナと、該ライナの外周面に積層された複数のフープ巻き層及び複数のヘリカル巻き層よりなる繊維強化樹脂層群と、を備え、筒状胴部を有する高圧タンクの設計方法であって、設計ライナの形状及び大きさと設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴとを決定する設計タンク決定工程と、前記設計ライナに外部から衝撃力が作用したときに、該設計ライナに発生する歪の方向及び歪みの分布を解析して、該設計ライナの軸方向ａに発生する軸方向歪みεａの大きさと、該設計ライナの周方向ｂに発生する周方向歪みεｂの大きさとを比較する歪み解析工程と、前記設計ライナを備えた前記高圧タンクがタンク形状を保持しうるフープ巻き層の全体厚さの下限値たるＴｆ下限値と、前記設計ライナを備えた前記高圧タンクがタンク形状を保持しうるヘリカル巻き層の全体厚さの下限値たるＴｈ下限値とのいずれか一方を算出するフープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程と、前記設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴと、前記歪み解析工程の結果と、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程の結果とに基づいて、該設計繊維強化樹脂層群におけるフープ巻き層の全体厚さＴｆとヘリカル巻き層の全体厚さＴｈとの比であるＴｆ／Ｔｈ設計値を求めるフープ／ヘリカル比算出工程と、を備え、前記歪み解析工程で前記周方向歪みεｂより前記軸方向歪みεａの方が大きいという解析結果が得られた場合は、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程で前記Ｔｈ下限値を算出し、かつ前記フープ／ヘリカル比算出工程で前記フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｈを前記Ｔｈ下限値とし、前記歪み解析工程で前記軸方向歪みεａより前記周方向歪みεｂの方が大きいという解析結果が得られた場合は、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程で前記Ｔｆ下限値を算出し、かつ前記フープ／ヘリカル比算出工程で前記フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｆを前記Ｔｆ下限値とすることを特徴とする。 The high-pressure tank design method of the present invention that solves the above problems includes a liner having a gas barrier property, a fiber reinforced resin layer group including a plurality of hoop winding layers and a plurality of helical winding layers laminated on the outer peripheral surface of the liner. A design tank determination step for determining the shape and size of the design liner and the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group, and the design liner. When an impact force is applied to the design liner, the direction and strain distribution of the strain generated in the design liner are analyzed, and the magnitude of the axial strain εa generated in the axial direction a of the design liner and the design liner are analyzed. A strain analysis step for comparing the magnitude of the circumferential strain εb generated in the circumferential direction b, and Tf which is the lower limit value of the total thickness of the hoop winding layer in which the high-pressure tank provided with the design liner can maintain the tank shape. Hoop thickness / helical thickness lower limit calculation that calculates either the lower limit value or the Th lower limit value that is the lower limit value of the total thickness of the helical wound layer in which the high-pressure tank equipped with the design liner can maintain the tank shape. Based on the process, the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group, the result of the strain analysis process, and the result of the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation process, A hoop / helical ratio calculation step for obtaining a Tf / Th design value that is a ratio of the total thickness Tf of the hoop winding layer and the total thickness Th of the helical winding layer, and the circumferential strain εb in the strain analysis step If the analysis result that the axial strain εa is larger is obtained, the Th lower limit value is calculated in the hoop thickness / helical thickness lower limit value calculating step, and the hoop / helical ratio calculating step When the Th in the design value Tf / Th that is the hoop / helical ratio is set to the lower limit value of Th, and the analysis result that the circumferential strain εb is larger than the axial strain εa in the strain analysis step, The Tf lower limit value is calculated in the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step, and Tf in the Tf / Th design value that is the hoop / helical ratio is set as the Tf lower limit value in the hoop / helical ratio calculation step. Features.
本発明の高圧タンクの設計方法では、歪み解析工程で、設計ライナの軸方向ａに発生する軸方向歪みεａの大きさと、設計ライナの周方向ｂに発生する周方向歪みεｂの大きさとを比較する。これにより、衝撃を受けた設計ライナに歪みが発生したとき、軸方向歪みεａの方が大きいのか、周方向歪みεｂの方が大きいのかが判明する。また、フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程で、高圧タンクが設計ライナのタンク形状を保持しうるＴｆ下限値又はＴｈ下限値を算出する。これにより、設計ライナのタンク形状を保持するのに最低限必要な、フープ巻き層の全体厚さの下限値たるＴｆ下限値又はヘリカル巻き層の全体厚さの下限値たるＴｈ下限値が判明する。そして、これらの結果と設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴとに基づいて、フープ／ヘリカル比算出工程で、設計繊維強化樹脂層群におけるフープ巻き層の全体厚さＴｆとヘリカル巻き層の全体厚さＴｈとの比であるフープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値を求める。 In the high pressure tank design method of the present invention, in the strain analysis step, the magnitude of the axial strain εa generated in the axial direction a of the design liner is compared with the size of the circumferential strain εb generated in the circumferential direction b of the design liner. To do. As a result, when a strain occurs in the impacted design liner, it is determined whether the axial strain εa is larger or the circumferential strain εb is larger. In the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step, a Tf lower limit value or a Th lower limit value at which the high pressure tank can maintain the tank shape of the design liner is calculated. As a result, the minimum Tf lower limit value, which is the lower limit value of the total thickness of the hoop winding layer, or the lower limit value of Th, which is the lower limit value of the overall thickness of the helical winding layer, which is the minimum necessary to maintain the tank shape of the design liner is found. . And based on these results and the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group, in the hoop / helical ratio calculation step, the total thickness Tf of the hoop wound layer in the design fiber reinforced resin layer group and the helical wound layer A design value of Tf / Th, which is a hoop / helical ratio, which is a ratio to the total thickness Th is obtained.
すなわち、周方向歪みεｂより軸方向歪みεａの方が大きいという解析結果が得られた場合は、フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｈをＴｈ下限値とする。一方、軸方向歪みεａより周方向歪みεｂの方が大きいという解析結果が得られた場合は、フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｆをＴｆ下限値とする。これにより、タンク形状を保持しうるヘリカル巻き層の全体厚さ又はフープ巻き層の全体厚さを確保しつつ、この高圧タンクに発生する応力をより効果的に低減させることができる。したがって、タンク形状を保持しつつ、衝撃を受けた高圧タンクに発生する応力を、フープ巻き層及びヘリカル巻き層でより確実に低減させることができる。 That is, when the analysis result that the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb is obtained, Th in the Tf / Th design value that is the hoop / helical ratio is set as the Th lower limit value. On the other hand, when an analysis result that the circumferential strain εb is larger than the axial strain εa is obtained, Tf in the Tf / Th design value that is the hoop / helical ratio is set as the Tf lower limit value. Thereby, the stress which generate | occur | produces in this high pressure tank can be reduced more effectively, ensuring the whole thickness of the helical winding layer which can hold | maintain a tank shape, or the whole thickness of a hoop winding layer. Therefore, the stress generated in the high-pressure tank that has received an impact can be more reliably reduced in the hoop winding layer and the helical winding layer while maintaining the tank shape.
以上のように本発明で設計した高圧タンクによると、外部から衝撃力がタンクに作用しても、そのときに発生する応力をフープ巻き層及びヘリカル巻き層によりタンク全体でより確実に低減させることができる。よって、本発明で設計した高圧タンクは、局所的な衝撃を受けても、その衝撃により繊維強化樹脂層群に亀裂が発生することをより確実に防止することができ、衝撃力に対して強い高強度のタンクとなる。 As described above, according to the high-pressure tank designed in the present invention, even if an impact force is applied to the tank from the outside, the stress generated at that time can be more reliably reduced by the hoop winding layer and the helical winding layer. Can do. Therefore, even if the high-pressure tank designed in the present invention receives a local impact, it can more reliably prevent the fiber reinforced resin layer group from cracking due to the impact, and is strong against impact force. It becomes a high-strength tank.
以下、本発明の高圧タンクの設計方法の実施形態について詳しく説明する。なお、説明する実施形態は一実施形態にすぎず、本発明の高圧タンクの設計方法は、下記実施形態に限定されるものではない。本発明の高圧タンクの設計方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。 Hereinafter, an embodiment of a high pressure tank design method of the present invention will be described in detail. In addition, embodiment described is only one Embodiment, The design method of the high pressure tank of this invention is not limited to the following embodiment. The high-pressure tank design method of the present invention can be implemented in various forms that have been modified or improved by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
図１は、本実施形態の高圧タンクの設計方法で設計してから製造した高圧タンク１の断面図である。この高圧タンク１は、ガスバリア性を有するライナ２と、ライナ２の外周面に形成された繊維強化樹脂層群３と、を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a high-pressure tank 1 manufactured after being designed by the high-pressure tank design method of the present embodiment. The high-pressure tank 1 includes a
高圧タンク１は、例えば燃料ガスを貯留する燃料ガスタンクとして用いることができる。燃料ガスタンクとしては、例えば燃料電池自動車用の燃料電池システムに用いられる燃料ガス（水素ガスや圧縮天然ガス等の可燃性の燃料ガス）タンクが挙げられる。 The high-pressure tank 1 can be used, for example, as a fuel gas tank that stores fuel gas. Examples of the fuel gas tank include a fuel gas (combustible fuel gas such as hydrogen gas and compressed natural gas) tank used in a fuel cell system for a fuel cell vehicle.
ライナ２の材質としては、所定のガスバリア性及び強度を有するものであれば特に限定されず、例えば金属であっても樹脂であってもよい。ただし、軽量化等の観点より、樹脂製ライナとすることが好ましい。ライナ２に用いることのできる樹脂としては、例えばポリエチレンやポリプロピレンを挙げることができる。
The material of the
ライナ２の厚さは、ライナ２の材質、高圧タンク１の寸法形状や要求される耐圧性等に応じて適宜設定することができ、例えば１〜１０ｍｍ程度とすることができる。
The thickness of the
ライナ２の形状や大きさも所望に応じて適宜設定することができる。本実施例におけるライナ２は、軸直角断面形状が円形の円筒状胴部２１と、円筒状胴部２１の軸方向の両端をそれぞれ閉塞するように一体に設けられたお椀状又は略半球状の一対のドーム部２２、２２とを有する。円筒状胴部２１は、その軸方向がライナ２の長手方向となるように所定長さで形成されている。また、円筒状胴部２１は、ほぼ一定の径で軸方向に延びている。
The shape and size of the
なお、ライナ２の軸直角断面形状は、楕円形状、略卵形状や略矩形状であってもよい。
The cross-sectional shape perpendicular to the axis of the
ライナ２の製造方法も特に限定されない。本実施形態におけるライナ２は、２分割品をそれぞれ別々に射出成形により成形した後、その端部同士をレーザ溶着等により一体的に接合することにより得た。
The method for manufacturing the
繊維強化樹脂層群３は、ライナ２の外周面に複数の繊維強化樹脂層が積層されてなる。この繊維強化樹脂層群３は、繊維がフープ巻きされたフープ巻き層と、繊維がヘリカル巻きされたヘリカル巻き層と、からなる。繊維強化樹脂層群３におけるフープ巻き層とヘリカル巻き層との割合（厚さの割合や層数の割合）は所定の割合とされている。本実施形態では、各フープ巻き層の厚さと各ヘリカル巻き層の厚さは、いずれも同じ厚さとされている。このため、フープ巻き層の全体厚さとヘリカル巻き層の全体厚さとの割合と、フープ巻き層の層数とヘリカル巻き層の層数との割合とは、一致する。
The fiber reinforced
なお、各フープ巻き層のそれぞれの厚さを異ならせたり、各ヘリカル巻き層のそれぞれの厚さを異ならせたり、フープ巻き層とヘリカル巻き層とで異なる厚さとしたりしてもよい。 The thickness of each hoop winding layer may be different, the thickness of each helical winding layer may be different, or the hoop winding layer and the helical winding layer may have different thicknesses.
繊維強化樹脂層群３の全体厚さＴは、その材質、高圧タンク１の寸法形状や要求される耐圧性等に依存して設定されるが、特に限定されるものではなく、数ｍｍ〜５０ｍｍ程度とされる。例えば、ライナ２の円筒状胴部２１の外径が２００〜３００ｍｍ程度であるときには、繊維強化樹脂層群３の全体厚さＴは２０ｍｍ程度とされる場合が多い。繊維強化樹脂層群３を構成する層の数は特に限定されず、高圧タンク１の寸法形状、要求される耐圧性等に応じた数とされる。また、フープ巻き層とヘリカル巻き層との積層順は任意であるが、フープ巻き層とヘリカル巻き層とを積層方向になるべく分散させる方がよい。
The total thickness T of the fiber reinforced
繊維強化樹脂層群３を構成する各繊維強化樹脂層（フープ巻き層及びヘリカル巻き層）は、例えば、マトリックス樹脂を含浸した強化繊維よりなる。マトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂が挙げられ、これらのなかでは、エポキシ樹脂又は不飽和ポリエステル樹脂がより好ましい。マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。
Each fiber reinforced resin layer (hoop wound layer and helical wound layer) constituting the fiber reinforced
強化繊維としては、例えば、金属繊維、ガラス繊維、カーボン繊維やアルミナ繊維等の無機繊維、あるいはアラミド繊維等の合成有機繊維を用いることができる。これらの繊維は、単独で又は混合して（混繊として）使用することができ、これらの中では、カーボン繊維、アラミド繊維が特に好ましい。 As the reinforcing fiber, for example, metal fibers, glass fibers, inorganic fibers such as carbon fibers and alumina fibers, or synthetic organic fibers such as aramid fibers can be used. These fibers can be used alone or in combination (as mixed fibers), and among these, carbon fibers and aramid fibers are particularly preferable.
繊維強化樹脂層におけるマトリックス樹脂と強化繊維との含有割合としては、樹脂及び繊維の種類、繊維強化方向や繊維強化樹脂層の厚さ等に依存するが、通常、好ましくはマトリックス樹脂：繊維＝１０〜８０体積％：９０〜２０体積％、より好ましくは２５〜５０体積％：７５〜５０体積％とされる。なお、繊維強化樹脂層は、これらの構成材料の他に適宜の添加剤を含んでいてもよい。 The content ratio of the matrix resin and the reinforcing fiber in the fiber reinforced resin layer depends on the type of the resin and fiber, the fiber reinforcing direction, the thickness of the fiber reinforced resin layer, and the like, but usually preferably the matrix resin: fiber = 10. -80% by volume: 90 to 20% by volume, more preferably 25 to 50% by volume: 75 to 50% by volume. In addition, the fiber reinforced resin layer may contain appropriate additives in addition to these constituent materials.
本実施形態における高圧タンク１の構成は以下のとおりである。 The configuration of the high-pressure tank 1 in the present embodiment is as follows.
ライナ２はポリエチレンよりなる。ライナ２の厚さは３〜５ｍｍ、円筒状胴部２１の軸方向長さＬａは５００ｍｍ、円筒状胴部２１の周方向長さＬｂは約６３０ｍｍ（２００π）ｍｍ、円筒状胴部２１の外径は２００ｍｍである。
The
繊維強化樹脂層群３を構成する各繊維強化樹脂層は、マトリックス樹脂としてのエポキシ樹脂が強化繊維としてのカーボン繊維で補強されたＦＲＰよりなる。繊維強化樹脂層群３の全体厚さＴは２０ｍｍ、繊維強化樹脂層群３を構成する繊維強化樹脂層の総数は７２である。そして、繊維強化樹脂層群３におけるフープ巻き層の全体厚さＴｆとヘリカル巻き層の全体厚さＴｈとの比たるＴｆ／Ｔｈの値は２であり、繊維強化樹脂層群３におけるフープ巻き層の数とヘリカル巻き層の数との比は２：１である。すなわち、繊維強化樹脂層群３は、４８層のフープ巻き層と、２４層のヘリカル巻き層とからなる。またフープ巻き層とヘリカル巻き層との積層構造（積層順）については、２層のフープ巻き層の上に１層のヘリカル巻き層が積層された積層構造が積層方向に繰り返されている。
Each fiber reinforced resin layer constituting the fiber reinforced
ライナ２の外周面に繊維強化樹脂層群３を形成する方法は特に限定されず、従来と同様、フィラメントワインディング法、ハンドレイアップ法、テープワインディング法等を利用することができる。なお、フープ巻き層におけるフープ巻きとは、樹脂を含む強化繊維をライナ２の円筒状胴部２１の周方向に巻回することをいう。また、ヘリカル巻き層におけるヘリカル巻きとは、樹脂を含む強化繊維を円筒状胴部２１に対してらせん状に巻回することをいう。
A method for forming the fiber reinforced
ここに、本実施形態の高圧タンク１では、円筒状胴部２１の軸長をＬａ、円筒状胴部２１の周長をＬｂとしたとき、Ｌａ／Ｌｂの値が約５／６とされている。また、前述のとおり、フープ巻き層の全体厚さ（フープ巻き層の厚さの合計）をＴｆ、ヘリカル巻き層の全体厚さ（ヘリカル巻き層の厚さの合計）をＴｈとしたとき、Ｔｆ／Ｔｈの値が２とされている。
Here, in the high-pressure tank 1 of this embodiment, when the axial length of the
この高圧タンク１におけるＴｆ／Ｔｈの値は、次のようにして、本実施形態の高圧タンクの設計方法により決定した。 The value of Tf / Th in the high-pressure tank 1 was determined by the high-pressure tank design method of this embodiment as follows.
＜設計タンク決定工程＞
設計ライナの形状及び大きさと、設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴとを決定した。すなわち、ライナ２の厚さ、円筒状胴部２１の軸方向長さＬａ、円筒状胴部２１の周方向長さＬｂ、円筒状胴部２１の外径及び繊維強化樹脂層群３の全体厚さＴをそれぞれ前述した値に決定した。
<Design tank decision process>
The shape and size of the design liner and the overall thickness T of the design fiber reinforced resin layer group were determined. That is, the thickness of the
＜歪み解析工程＞
汎用の有限要素ソフトを用いて、前記設計ライナに外部から衝撃力が作用したときに、設計ライナに発生する歪の方向及び歪みの分布を解析した。そして、設計ライナの軸方向ａに発生する軸方向歪みεａの大きさと、設計ライナの周方向ｂに発生する周方向歪みεｂの大きさとを比較した。
<Strain analysis process>
Using general-purpose finite element software, the direction and strain distribution of strain generated in the design liner when an impact force was applied to the design liner from the outside were analyzed. The magnitude of the axial strain εa generated in the axial direction a of the design liner was compared with the magnitude of the circumferential strain εb generated in the circumferential direction b of the design liner.
その結果、本実施形態の設計ライナでは、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）ことが判明した。 As a result, it was found that in the design liner of the present embodiment, the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa).
＜フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程＞
前記歪み解析工程で、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）ことが判明したため、本実施形態のフープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程では、Ｔｆ下限値及びＴｈ下限値のうちＴｈ下限値を算出した。
<Hoop thickness / helical thickness lower limit calculation process>
In the strain analysis step, it was found that the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa). Therefore, in the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step of this embodiment, the Tf lower limit value and Th Among the lower limit values, the Th lower limit value was calculated.
すなわち、汎用の有限要素ソフトを用いて、設計ライナを備えた高圧タンクがタンク形状を保持しうるヘリカル巻き層の全体厚さの下限値たるＴｈ下限値を算出した。 That is, using a general-purpose finite element software, a Th lower limit value that is a lower limit value of the total thickness of the helical wound layer in which the high-pressure tank provided with the design liner can maintain the tank shape was calculated.
その結果、本実施形態の設計ライナでは、Ｔｈ下限値が２／３ｍｍとなった。 As a result, in the design liner of the present embodiment, the Th lower limit value was 2/3 mm.
＜フープ／ヘリカル比算出工程＞
設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴと、歪み解析工程の結果と、フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程の結果とに基づいて、設計繊維強化樹脂層群におけるフープ巻き層の全体厚さＴｆとヘリカル巻き層の全体厚さＴｈとの比であるＴｆ／Ｔｈ設計値を求めた。
<Hoop / helical ratio calculation process>
Based on the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group, the result of the strain analysis process, and the result of the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation process, the total thickness of the hoop winding layer in the design fiber reinforced resin layer group The Tf / Th design value, which is the ratio between Tf and the total thickness Th of the helical wound layer, was determined.
すなわち、本実施形態では、前記歪み解析工程で、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）ことが判明したため、このフープ／ヘリカル比算出工程では、Ｔｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｈをＴｈ下限値として、Ｔｆ／Ｔｈ設計値を求めた。 That is, in the present embodiment, it has been found that the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa) in the strain analysis step. Therefore, in this hoop / helical ratio calculation step, Tf / Th design is performed. Tf / Th design value was determined with Th in the value as the lower limit of Th.
その結果、本実施形態では、Ｔｆ／Ｔｈ設計値が２となった。すなわち、設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴ＝２ｍｍ、Ｔｈ下限値＝２／３ｍｍより、フープ巻き層の全体厚さＴｆ＝４／３（＝２−２／３）ｍｍとなり、Ｔｆ／Ｔｈ設計値＝（４／３）／（２／３）＝２となった。 As a result, in this embodiment, the Tf / Th design value is 2. That is, from the total thickness T = 2 mm of the design fiber reinforced resin layer group and the lower limit of Th = 2/3 mm, the total thickness of the hoop winding layer Tf = 4/3 (= 2-2 / 3) mm, and Tf / Th design value = (4/3) / (2/3) = 2.
こうして、タンク形状に応じて繊維強化樹脂層群３におけるＴｆ／Ｔｈ設計値が決定された本実施形態に係る高圧タンク１では、タンク形状を保持しうるヘリカル巻き層の全体厚さを確保しつつ、この高圧タンク１に発生する応力をより効果的に低減させることができる。したがって、タンク形状を保持しつつ、衝撃を受けた高圧タンク１に発生する応力を、フープ巻き層及びヘリカル巻き層でより確実に低減させることができる。
Thus, in the high-pressure tank 1 according to this embodiment in which the Tf / Th design value in the fiber reinforced
なお、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）場合に、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｈをＴｈ下限値とする理由は、以下のとおりである。 In the case where the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa), the reason why the Th in the Tf / Th set value is set to the Th lower limit value is as follows.
繊維が周方向ｂに延びているフープ巻き層においては、周方向ｂのヤング率Ｅｂ（フープ）よりも軸方向ａのヤング率Ｅａ（フープ）の方が小さい。すなわち、Ｅａ（フープ）＜Ｅｂ（フープ）である。一方、繊維が軸方向ａにらせん状に延びているヘリカル巻き層においては、軸方向ａのヤング率Ｅａ（ヘリカル）よりも周方向ｂのヤング率Ｅｂ（ヘリカル）の方が小さい。すなわち、Ｅｂ（ヘリカル）＜Ｅａ（ヘリカル）である。そして、軸方向ａのヤング率Ｅａについて、フープ巻き層とヘリカル巻き層とを比べた場合、ヘリカル巻き層における軸方向ａのヤング率Ｅａ（ヘリカル）よりもフープ巻き層における軸方向ａのヤング率Ｅａ（フープ）の方が小さい。すなわち、Ｅａ（フープ）＜Ｅａ（ヘリカル）である。他方、応力（σ）＝歪み（ε）×ヤング率（Ｅ）である。このため、軸方向ａへの応力σａについては、σａ（フープ）（＝Ｅａ（フープ）×εａ）＜σａ（ヘリカル）（＝Ｅａ（ヘリカル）×εａ）となる。このため、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）場合は、ヘリカル巻き層よりもフープ巻き層の方がタンクに発生した応力をより効果的に低減させることができる。したがって、εｂ＜εａの場合は、ヘリカル巻き層の巻き数よりもフープ巻き層の巻き数を多くする方が、タンクに発生した応力をより効果的に低減させることができる。よって、この場合は、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｈをＴｈ下限値とする。 In the hoop winding layer in which the fibers extend in the circumferential direction b, the Young's modulus Ea (hoop) in the axial direction a is smaller than the Young's modulus Eb (hoop) in the circumferential direction b. That is, Ea (hoop) <Eb (hoop). On the other hand, in a helically wound layer in which fibers extend in a spiral shape in the axial direction a, the Young's modulus Eb (helical) in the circumferential direction b is smaller than the Young's modulus Ea (helical) in the axial direction a. That is, Eb (helical) <Ea (helical). When the hoop winding layer and the helical winding layer are compared with respect to the Young's modulus Ea in the axial direction a, the Young's modulus in the axial direction a in the hoop winding layer is more than the Young's modulus Ea (helical) in the axial direction a in the helical winding layer. Ea (hoop) is smaller. That is, Ea (hoop) <Ea (helical). On the other hand, stress (σ) = strain (ε) × Young's modulus (E). Therefore, the stress σa in the axial direction a is σa (hoop) (= Ea (hoop) × εa) <σa (helical) (= Ea (helical) × εa). For this reason, when the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa), the hoop winding layer can reduce the stress generated in the tank more effectively than the helical winding layer. it can. Therefore, in the case of εb <εa, the stress generated in the tank can be more effectively reduced by increasing the number of turns of the hoop winding layer than the number of turns of the helical winding layer. Therefore, in this case, Th in the Tf / Th set value is set as the Th lower limit value.
（その他の実施形態）
前述の実施形態では、周方向歪みεｂよりも軸方向歪みεａの方が大きい（εｂ＜εａ）場合に、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｈをＴｈ下限値とする例について説明したが、軸方向歪みεａよりも周方向歪みεｂの方が大きい（εａ＜εｂ）場合は、フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程でＴｆ下限値及びＴｈ下限値のうちＴｆ下限値を算出し、かつフープ／ヘリカル比算出工程で、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｆをＴｆ下限値とすればよい。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, an example has been described in which when the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb (εb <εa), Th in the Tf / Th setting value is set to the Th lower limit value. When the circumferential strain εb is larger than εa (εa <εb), the Tf lower limit value is calculated from the Tf lower limit value and the Th lower limit value in the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step, and the hoop / helical ratio is calculated. In the calculation step, Tf at the Tf / Th set value may be set as the Tf lower limit value.
なお、軸方向歪みεａよりも周方向歪みεｂの方が大きい（εａ＜εｂ）場合に、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｆをＴｆ下限値とする理由は、以下のとおりである。 When the circumferential strain εb is larger than the axial strain εa (εa <εb), the reason why Tf in the Tf / Th set value is set as the Tf lower limit value is as follows.
繊維が軸方向ａにらせん状に延びているヘリカル巻き層においては、周方向ａのヤング率Ｅａ（ヘリカル）よりも周方向ｂのヤング率Ｅｂ（ヘリカル）の方が小さい。すなわち、Ｅｂ（ヘリカル）＜Ｅａ（ヘリカル）である。一方、繊維が周方向ａに延びているフープ巻き層においては、周方向ｂのヤング率Ｅｂ（フープ）よりも軸方向ａのヤング率Ｅａ（フープ）の方が小さい。すなわち、Ｅａ（フープ）＜Ｅｂ（フープ）である。そして、周方向ｂのヤング率Ｅｂについて、ヘリカル巻き層とフープ巻き層とを比べた場合、フープ巻き層における周方向ｂのヤング率Ｅｂ（フープ）よりもヘリカル巻き層における周方向ｂのヤング率Ｅｂ（ヘリカル）の方が小さい。すなわち、Ｅｂ（ヘリカル）＜Ｅｂ（フープ）である。他方、応力（σ）＝歪み（ε）×ヤング率（Ｅ）である。このため、周方向ｂへの応力σｂについては、σｂ（ヘリカル）（＝Ｅｂ（ヘリカル）×εｂ）＜σｂ（フープ）（＝Ｅｂ（フープ）×εｂ）となる。このため、軸方向歪みεａよりも周方向歪みεｂの方が大きい（εａ＜εｂ）場合は、フープ巻き層よりもヘリカル巻き層の方がタンクに発生した応力をより効果的に低減させることができる。したがって、εａ＜εｂの場合は、フープ巻き層の巻き数よりもヘリカル巻き層の巻き数を多くする方が、タンクに発生した応力をより効果的に低減させることができる。よって、この場合は、Ｔｆ／Ｔｈ設定値におけるＴｆをＴｆ下限値とする。 In the helically wound layer in which the fibers extend spirally in the axial direction a, the Young's modulus Eb (helical) in the circumferential direction b is smaller than the Young's modulus Ea (helical) in the circumferential direction a. That is, Eb (helical) <Ea (helical). On the other hand, in the hoop wound layer in which the fibers extend in the circumferential direction a, the Young's modulus Ea (hoop) in the axial direction a is smaller than the Young's modulus Eb (hoop) in the circumferential direction b. That is, Ea (hoop) <Eb (hoop). When the helical winding layer and the hoop winding layer are compared with respect to the Young's modulus Eb in the circumferential direction b, the Young's modulus in the circumferential direction b in the helical winding layer is higher than the Young's modulus Eb (hoop) in the circumferential direction b in the hoop winding layer. Eb (helical) is smaller. That is, Eb (helical) <Eb (hoop). On the other hand, stress (σ) = strain (ε) × Young's modulus (E). Therefore, the stress σb in the circumferential direction b is σb (helical) (= Eb (helical) × εb) <σb (hoop) (= Eb (hoop) × εb). For this reason, when the circumferential strain εb is larger than the axial strain εa (εa <εb), the helical winding layer can more effectively reduce the stress generated in the tank than the hoop winding layer. it can. Therefore, in the case of εa <εb, the stress generated in the tank can be more effectively reduced by increasing the number of turns of the helical winding layer than the number of turns of the hoop winding layer. Therefore, in this case, Tf at the Tf / Th set value is set as the Tf lower limit value.
１…高圧タンク ２…ライナ
２１…円筒状胴部 ３…繊維強化樹脂層群
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
設計ライナの形状及び大きさと設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴとを決定する設計タンク決定工程と、
前記設計ライナに外部から衝撃力が作用したときに、該設計ライナに発生する歪の方向及び歪みの分布を解析して、該設計ライナの軸方向ａに発生する軸方向歪みεａの大きさと、該設計ライナの周方向ｂに発生する周方向歪みεｂの大きさとを比較する歪み解析工程と、
前記設計ライナを備えた前記高圧タンクがタンク形状を保持しうるフープ巻き層の全体厚さの下限値たるＴｆ下限値と、前記設計ライナを備えた前記高圧タンクがタンク形状を保持しうるヘリカル巻き層の全体厚さの下限値たるＴｈ下限値とのいずれか一方を算出するフープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程と、
前記設計繊維強化樹脂層群の全体厚さＴと、前記歪み解析工程の結果と、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程の結果とに基づいて、該設計繊維強化樹脂層群におけるフープ巻き層の全体厚さＴｆとヘリカル巻き層の全体厚さＴｈとの比であるＴｆ／Ｔｈ設計値を求めるフープ／ヘリカル比算出工程と、を備え、
前記歪み解析工程で前記周方向歪みεｂより前記軸方向歪みεａの方が大きいという解析結果が得られた場合は、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程で前記Ｔｈ下限値を算出し、かつ前記フープ／ヘリカル比算出工程で前記フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｈを前記Ｔｈ下限値とし、
前記歪み解析工程で前記軸方向歪みεａより前記周方向歪みεｂの方が大きいという解析結果が得られた場合は、前記フープ厚・ヘリカル厚下限値算出工程で前記Ｔｆ下限値を算出し、かつ前記フープ／ヘリカル比算出工程で前記フープ／ヘリカル比たるＴｆ／Ｔｈ設計値におけるＴｆを前記Ｔｆ下限値とすることを特徴とする高圧タンクの設計方法。 A method for designing a high-pressure tank comprising a liner having a gas barrier property, and a fiber reinforced resin layer group including a plurality of hoop winding layers and a plurality of helical winding layers laminated on an outer peripheral surface of the liner, and having a cylindrical body portion Because
A design tank determination step for determining the shape and size of the design liner and the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group;
When an impact force is applied to the design liner from the outside, the direction and strain distribution of the strain generated in the design liner are analyzed, and the magnitude of the axial strain εa generated in the axial direction a of the design liner, A strain analysis step of comparing the magnitude of the circumferential strain εb generated in the circumferential direction b of the design liner;
Tf lower limit value, which is a lower limit value of the total thickness of the hoop winding layer in which the high-pressure tank having the design liner can maintain the tank shape, and helical winding in which the high-pressure tank having the design liner can maintain the tank shape A hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step for calculating any one of a lower limit value of Th and a lower limit value of the overall thickness of the layer;
Based on the total thickness T of the design fiber reinforced resin layer group, the result of the strain analysis step, and the result of the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step, the hoop winding layer in the design fiber reinforced resin layer group A hoop / helical ratio calculation step for obtaining a Tf / Th design value, which is a ratio of the total thickness Tf of the helical winding layer and the total thickness Th of the helical winding layer,
When the analysis result that the axial strain εa is larger than the circumferential strain εb is obtained in the strain analyzing step, the Th lower limit value is calculated in the hoop thickness / helical thickness lower limit calculating step, and In the hoop / helical ratio calculation step, Th in the Tf / Th design value, which is the hoop / helical ratio, is the Th lower limit value,
When the analysis result that the circumferential strain εb is larger than the axial strain εa is obtained in the strain analysis step, the Tf lower limit value is calculated in the hoop thickness / helical thickness lower limit calculation step, and A method for designing a high-pressure tank, characterized in that, in the hoop / helical ratio calculation step, Tf in the Tf / Th design value that is the hoop / helical ratio is set as the Tf lower limit value.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2008
- 2008-11-13 JP JP2008290513A patent/JP2010116980A/en active Pending
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