JP2013224856A - Simulation method for calculating explosion strength of high pressure tank - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧タンクの破裂強度を求めるシミュレーション方法に関する。 The present invention relates to a simulation method for determining the burst strength of a high-pressure tank.
水素等の貯蔵に利用される高圧タンクとして、ライナーの外周にフープ層とヘリカル層とが積層されたＦＲＰ層を備えるものが利用されている。フープ層は、例えば炭素繊維（フィラメント）の束がフープ巻（タンク胴体部においてタンク軸にほぼ垂直に巻く巻き方）されて形成された層であり、主としてタンクのストレート部（円筒状の部分）を補強している。ヘリカル層は、フィラメントがヘリカル巻（タンク軸にほぼ平行であり、タンクドーム部まで巻く巻き方）されて形成された層であり、主としてタンクのドーム部（半球状の部分）を補強している（例えば特許文献１，２参照）。 As a high-pressure tank used for storing hydrogen or the like, a tank having an FRP layer in which a hoop layer and a helical layer are laminated on the outer periphery of a liner is used. The hoop layer is a layer formed by, for example, a bundle of carbon fibers (filaments) wound in a hoop (how to wind the tank body portion substantially perpendicularly to the tank shaft), and is mainly a straight portion (cylindrical portion) of the tank. Is reinforced. The helical layer is a layer formed by winding a filament helically (which is almost parallel to the tank axis and wound up to the tank dome), and mainly reinforces the dome (hemispherical portion) of the tank. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).
このような高圧タンクにおいては、ライナーのストレート部を延長することで、フープ層によってドーム部との境界部の補強をしている場合もある。この場合には、各フープ層の全長（各フープ層の、タンク軸方向に沿った一端部から他端部までの長さ）が境界部の強度に大きく寄与している。 In such a high-pressure tank, the straight part of the liner may be extended to reinforce the boundary part with the dome part by a hoop layer. In this case, the total length of each hoop layer (the length of each hoop layer from one end portion to the other end portion in the tank axial direction) greatly contributes to the strength of the boundary portion.
しかしながら、高圧タンクのフープ層の全長を、公差も考慮したうえで最適化するのは困難である。このようにフープ層の全長の最適化が困難であることは、当該高圧タンクの破裂強度計算に要する時間を短縮することを難しくしている。 However, it is difficult to optimize the total length of the hoop layer of the high-pressure tank in consideration of tolerances. The difficulty in optimizing the total length of the hoop layer in this way makes it difficult to shorten the time required for calculating the burst strength of the high-pressure tank.
そこで、本発明は、高圧タンクの破裂強度計算に要する計算時間を短縮できるようにした、高圧タンクの破裂強度を求めるシミュレーション方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a simulation method for determining the burst strength of a high-pressure tank that can reduce the calculation time required for calculating the burst strength of the high-pressure tank.
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来の高圧タンクにおいては、フープ層が１５層から２０層程度あり、以下のごとき制約の下でタンク全長を決定する必要が生じている。すなわち、
・フィラメントワインディング（ＦＷ）でのフィラメントの積層が可能であること
・強度的に境界部の強度がストレート部中心より高くなっており、安定した破裂強度が得られること
ところが、これらを満たすかもしれない各フープ層の全長のセット（組み合わせ）は無数にあることから、ランダムに最適化を実行することは非常に困難である。この点に着目してさらに検討した本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。
In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. In the conventional high-pressure tank, there are about 15 to 20 hoop layers, and it is necessary to determine the total length of the tank under the following restrictions. That is,
-Filament winding (FW) can be used to laminate filaments.-The strength of the boundary is higher than the center of the straight part, and a stable burst strength may be obtained. Since there are an infinite number of sets (combinations) of the total length of each hoop layer, it is very difficult to perform optimization at random. The present inventor who has further studied focusing on this point has come to obtain new knowledge that leads to the solution of such problems.
本発明はかかる知見に基づくもので、高圧タンクの胴部からドーム部の一部へかけて繊維が連続的に巻回されてなるフープ層と、ドーム部を巻き締めるように一方のドーム部から他方のドーム部にかけて繊維が巻回されてなるヘリカル層と、を有している当該高圧タンクの破裂強度を求めるシミュレーション方法において、
フープ層を所定数の層毎にフープ層群とし、
変数として、フープ層群のうち基準とする最内群の最内層のタンク軸方向長さと、各フープ層群内のフープ層の相対長さと、所定の基準長さからの各フープ層郡の相対長さと、を設定し、
胴部とドーム部との境界部における破壊強度を表す肩フープ強度、胴部のタンク軸方向の中央付近における破壊強度を表す中央フープ強度、胴部とドーム部との境界部付近におけるヘリカル層の破壊強度を表すヘリカル強度と、を水準として設定し、
水準から、所定の説明変数の値を最適化する最適計画を作成し、破裂強度計算を行い、当該高圧タンクの各部位別の破裂強度を算出する、というものである。
The present invention is based on such knowledge, and a hoop layer in which fibers are continuously wound from the trunk portion of the high-pressure tank to a part of the dome portion, and from one dome portion so as to wind the dome portion. In a simulation method for determining the burst strength of the high-pressure tank having a helical layer in which fibers are wound over the other dome portion,
The hoop layer is a hoop layer group for each predetermined number of layers,
As variables, the tank axial length of the innermost layer of the hoop layer group as a reference, the relative length of the hoop layer in each hoop layer group, and the relative of each hoop layer group from the predetermined reference length Set the length and
Shoulder hoop strength representing the fracture strength at the boundary between the trunk and dome, central hoop strength representing the fracture strength near the center of the tank in the axial direction of the tank, and the helical layer near the boundary between the trunk and dome Set the helical strength representing the fracture strength as a standard,
From the level, an optimum plan for optimizing the value of a predetermined explanatory variable is created, the burst strength is calculated, and the burst strength for each part of the high-pressure tank is calculated.
このようなシミュレーション方法によって高圧タンクの破裂強度を求めることとした場合、上述のごとく設定した変数を利用することで、高圧タンクの破裂強度計算に使用する計算数が少なくて済み、計算時間を短縮することができる。すなわち、ライナーに胴部（ストレート部）を設け、該胴部を延長し、フープ層によって胴部の端部（胴部とドーム部との境界部付近）の強度を確保している構造の高圧タンクにおいて、各フープ層の全長（タンク軸方向に沿った長さ）を効率よく最適化することができるＣＡＥと応答曲面手法を有効利用した方法を構築することが可能となる。 When the burst strength of a high-pressure tank is determined by such a simulation method, the number of calculations used for calculating the burst strength of the high-pressure tank can be reduced by using the variables set as described above, and the calculation time can be shortened. can do. That is, a high pressure with a structure in which a body portion (straight portion) is provided in the liner, the body portion is extended, and the strength of the end portion of the body portion (near the boundary portion between the body portion and the dome portion) is secured by the hoop layer. In the tank, it is possible to construct a method that can effectively optimize the total length (length along the tank axial direction) of each hoop layer and that can effectively utilize the CAE and the response surface method.
かかるシミュレーション方法においては、例えばフープ層を４層毎に群とすることができる。 In such a simulation method, for example, the hoop layers can be grouped every four layers.
本発明によれば、高圧タンクの破裂強度計算に要する計算時間を短縮することができる。 According to the present invention, the calculation time required for the burst strength calculation of the high-pressure tank can be shortened.
図１〜図１０に本発明の実施形態を示す。以下に説明する実施形態においては、まず高圧タンク１の構成の概略について説明し、その後、高圧タンク１の破裂強度を求めるシミュレーション方法について説明する。 1 to 10 show an embodiment of the present invention. In the embodiment described below, first, an outline of the configuration of the high-pressure tank 1 will be described, and then a simulation method for obtaining the burst strength of the high-pressure tank 1 will be described.
図１、図２に本実施形態における高圧タンク１の概略構成を示す。高圧タンク１は、例えば両端が略半球状である円筒形状のタンク本体１０と、当該タンク本体１０の長手方向の一端部に取り付けられた口金１１を有する。なお、本明細書では略半球状部分をドーム部、筒状胴体部分をストレート部といい、それぞれ符号１ｄ，１ｓで表す（図１、図２等参照）。また、本実施形態で示す高圧タンク１は両端に口金１１を有する。 1 and 2 show a schematic configuration of a high-pressure tank 1 in the present embodiment. The high-pressure tank 1 has, for example, a cylindrical tank body 10 having both ends substantially hemispherical, and a base 11 attached to one end of the tank body 10 in the longitudinal direction. In the present specification, the substantially hemispherical portion is referred to as a dome portion, and the cylindrical body portion is referred to as a straight portion, which are denoted by reference numerals 1d and 1s, respectively (see FIGS. 1 and 2). Moreover, the high-pressure tank 1 shown in this embodiment has a base 11 at both ends.
タンク本体１０は、例えば二層構造の壁層を有し、内壁層であるライナー２０とその外側の外壁層である樹脂繊維層（補強層）としての例えばＦＲＰ層２１を有している。ＦＲＰ層２１は、例えばＣＦＲＰ層２１ｃのみ、あるいは該ＣＦＲＰ層２１ｃおよびＧＦＲＰ層２１ｇによって形成されている（図１参照）。 The tank body 10 has, for example, a two-layer wall layer, and has a liner 20 as an inner wall layer and, for example, an FRP layer 21 as a resin fiber layer (reinforcing layer) as an outer wall layer on the outer side. The FRP layer 21 is formed of, for example, only the CFRP layer 21c, or the CFRP layer 21c and the GFRP layer 21g (see FIG. 1).
ライナー２０は、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、またはその他の硬質樹脂などにより、タンク本体１０とほぼ同じ形状に形成されている。あるいは、ライナー２０はアルミニウムなどで形成された金属ライナーであってもよい。 The liner 20 is formed in substantially the same shape as the tank body 10 by using, for example, polyethylene resin, polypropylene resin, or other hard resin. Alternatively, the liner 20 may be a metal liner formed of aluminum or the like.
口金１１は、略円筒形状を有し、ライナー２０の開口部に嵌入されている。口金１１は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなり、例えばダイキャスト法等により所定の形状に製造されている。口金１１は射出成形された分割ライナーに嵌め込まれている。口金１１は例えばインサート成形によりライナー２０に取り付けられてもよい。口金１１にはバルブアッセンブリ（図示省略）が設けられる。 The base 11 has a substantially cylindrical shape and is fitted into the opening of the liner 20. The base 11 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy, and is manufactured in a predetermined shape by, for example, a die casting method. The base 11 is fitted into an injection-molded split liner. The base 11 may be attached to the liner 20 by insert molding, for example. The base 11 is provided with a valve assembly (not shown).
ＦＲＰ層２１は、例えばフィラメントワインディング成形（ＦＷ成形）により、ライナー２０の外周面等に、樹脂を含浸した繊維（補強繊維）７０を巻き付け、当該樹脂を硬化させることにより形成されている。ＦＲＰ層２１の樹脂には、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等が用いられる。また、繊維７０としては、炭素繊維（ＣＦ）、金属繊維などが用いられる。フィラメントワインディング成形の際には、タンク軸（タンク本体１０の中心軸）１２を中心としてライナー２０を回転させながら繊維７０のガイドをタンク軸１２の軸方向に沿って動かすことにより当該ライナー２０の外周面に繊維７０を巻き付けることができる。なお、実際には複数本の繊維７０が束ねられた繊維束がライナー２０に巻き付けられることが一般的であるが、本明細書では繊維束である場合を含めて単に繊維と呼ぶ。 The FRP layer 21 is formed by winding a fiber (reinforcing fiber) 70 impregnated with a resin around the outer peripheral surface of the liner 20 by, for example, filament winding molding (FW molding) and curing the resin. For the resin of the FRP layer 21, for example, an epoxy resin, a modified epoxy resin, an unsaturated polyester resin, or the like is used. Further, as the fiber 70, carbon fiber (CF), metal fiber, or the like is used. In the filament winding molding, the outer periphery of the liner 20 is moved by moving the guide of the fiber 70 along the axial direction of the tank shaft 12 while rotating the liner 20 around the tank shaft 12 (center axis of the tank body 10). Fiber 70 can be wrapped around the surface. In practice, a fiber bundle in which a plurality of fibers 70 are bundled is generally wound around the liner 20. However, in this specification, the fiber bundle is simply referred to as a fiber including the case of a fiber bundle.
タンク１は、ライナー２０の外周に繊維（例えば炭素繊維）７０を巻き付け、樹脂を硬化させることにより形成されている。繊維７０の巻き付けには大きく分けてフープ巻とヘリカル巻とがあり、樹脂がフープ巻された層によってフープ層（図２において符号７０Ｐで示す）が、ヘリカル巻された層によってヘリカル層（符号７０ＨＨまたは７０ＬＨで示す）がそれぞれ形成される。前者のフープ巻は、タンク１のストレート部（タンク胴体部分）に繊維７０をコイルスプリングのように巻くことによって当該部分を巻き締め、気体圧によりタンク軸１２から放射状に広がる力（径方向外側へ拡がろうとする力）に対抗するための力をライナー２０に作用させるものである。一方、後者のヘリカル巻はドーム部１ｄを巻き締め方向（タンク軸１２に沿って中心に向かう方向）に巻き締めることを主目的とした巻き方であり、当該ドーム部１ｄに引っ掛かるようにして繊維７０をタンク１に対し全体的に巻き付けることにより、主として当該ドーム部１ｄの強度向上に寄与する。なお、コイルスプリングのように巻かれた繊維７０の弦巻（つるまき）線（ネジにおけるネジ山の線）と、当該タンク１の中心線（タンク軸１２）とのなす角度（のうちの鋭角のほう）が、図２において符号αで示す、本明細書でいう繊維７０の「タンク軸（１２）に対する巻角度」である（図２参照）。 The tank 1 is formed by winding a fiber (for example, carbon fiber) 70 around the outer periphery of the liner 20 and curing the resin. The winding of the fiber 70 is roughly divided into a hoop winding and a helical winding. A hoop layer (indicated by reference numeral 70P in FIG. 2) is formed by a layer in which a resin is hoop-wound, and a helical layer (reference numeral 70HH is formed by a helically wound layer. Or 70LH) is formed respectively. In the former hoop winding, the fiber 70 is wound around the straight part (tank body part) of the tank 1 like a coil spring to tighten the part, and the force (radially outward) that radiates from the tank shaft 12 by gas pressure. A force to counteract the force to spread) is applied to the liner 20. On the other hand, the latter helical winding is a winding method mainly intended to tighten the dome portion 1d in the tightening direction (the direction toward the center along the tank shaft 12), and the fiber is caught by the dome portion 1d. By winding 70 around the tank 1 as a whole, it contributes mainly to improving the strength of the dome 1d. In addition, an acute angle (of which an acute angle is formed) between a string 70 of a fiber 70 wound like a coil spring (a thread line in a screw) and a center line of the tank 1 (tank shaft 12). 2) is the “winding angle with respect to the tank shaft (12)” of the fiber 70 referred to in the present specification, which is indicated by the symbol α in FIG. 2 (see FIG. 2).
これら種々の巻き付け方のうち、フープ巻は、ストレート部１ｓにおいて繊維７０をタンク軸にほぼ垂直に巻くものであり、その際の具体的な巻角度は例えば８０〜約９０°である（図２参照）。ヘリカル巻（または、インプレ巻）は、ドーム部１ｄにも繊維７０を巻き付ける巻き方であり、タンク軸１２に対する巻角度がフープ巻の場合よりも小さい（図２参照）。ヘリカル巻を大きく２つに分ければ高角度ヘリカル巻と低角度ヘリカル巻の２種類があり、そのうち高角度ヘリカル巻はタンク軸１２に対する巻角度が比較的大きいもので、その巻角度の具体例は７０〜８０°である。一方、低角度ヘリカル巻は、タンク軸１２に対する巻角度が比較的小さいもので、その巻角度の具体例は５〜３０°である。なお、本明細書においては、これらの間となる３０〜７０°の巻角度でのヘリカル巻を中角度ヘリカル巻と呼ぶ。さらに、高角度ヘリカル巻、中角度ヘリカル巻、低角度ヘリカル巻により形成されるヘリカル層をそれぞれ高ヘリカル層（符号７０ＨＨで示す）、中ヘリカル層、低ヘリカル層（符号７０ＬＨで示す）と呼ぶ。また、高角度ヘリカル巻のドーム部１ｄにおけるタンク軸方向の折り返し部分を折返し部と呼ぶ（図２参照）。 Among these various winding methods, the hoop winding is a method in which the fiber 70 is wound substantially perpendicularly to the tank axis in the straight portion 1s, and the specific winding angle at that time is, for example, 80 to about 90 ° (FIG. 2). reference). Helical winding (or impeller winding) is a winding method in which the fiber 70 is also wound around the dome 1d, and the winding angle with respect to the tank shaft 12 is smaller than that in the case of hoop winding (see FIG. 2). If the helical winding is roughly divided into two types, there are two types: high angle helical winding and low angle helical winding. Among them, the high angle helical winding has a relatively large winding angle with respect to the tank shaft 12, and specific examples of the winding angle are as follows. 70 to 80 degrees. On the other hand, the low-angle helical winding has a relatively small winding angle with respect to the tank shaft 12, and a specific example of the winding angle is 5 to 30 °. In the present specification, helical winding at a winding angle of 30 to 70 ° between them is referred to as medium-angle helical winding. Furthermore, the helical layers formed by the high angle helical winding, the medium angle helical winding, and the low angle helical winding are referred to as a high helical layer (indicated by reference numeral 70HH), a middle helical layer, and a low helical layer (indicated by reference numeral 70LH), respectively. Further, the folded portion in the tank axial direction in the dome portion 1d of the high angle helical winding is referred to as a folded portion (see FIG. 2).
次に、高圧タンク１の破裂強度を求めるシミュレーション方法の実施形態を説明する。以下では、本発明に係るシミュレーション方法を、高圧タンク１の設計の際に利用する例を示しながら説明する。 Next, an embodiment of a simulation method for determining the burst strength of the high-pressure tank 1 will be described. Hereinafter, the simulation method according to the present invention will be described with reference to an example used when designing the high-pressure tank 1.
まず、フープ層７０Ｐの全長（各フープ層７０Ｐの、タンク軸１２の方向に沿った一端部から他端部までの長さ）を、各層独立でなく、以下の考え（ファクター）に基づき各変数（以下、「説明変数」ともいう）を利用して設定する（ステップＳＰ１）。ここでいう考え（ファクター）とは、
・基準となる第１群内第１層の長さ
・２群以降の群の基準に対する相対長さ
・各群内における第１層からの長さ変化
である（図３参照）。なお、ここでいう「長さ」は、いずれもタンク軸１２の軸方向に沿った長さをいう。また、「第○群」、「第○層」は、内層側（ライナー２０側）から外側へ向かって計数して数で表されている。
First, the total length of the hoop layer 70P (the length of each hoop layer 70P from one end portion to the other end portion in the direction of the tank shaft 12) is not based on each layer but based on the following idea (factor). (Hereinafter also referred to as “explanatory variable”) is used (step SP1). The idea here is a factor
The length of the first layer in the first group serving as a reference The relative length of the second and subsequent groups with respect to the reference The length change from the first layer in each group (see FIG. 3). The “length” here refers to the length along the axial direction of the tank shaft 12. Further, “group ○” and “layer ○” are represented by numbers counted from the inner layer side (liner 20 side) to the outer side.
ここで、本実施形態では、フープ層７０Ｐを確実に積層することができるように、以下の(1)〜(3)の制約を設ける。すなわち、
(1) フープ層７０Ｐが連続するのは４層までとする。これらは「フープ層群」と定義する。
(2) 一つのフープ層群Ｇ内におけるあるフープ層７０Ｐの全長は、それよりも下層にあるフープ層７０Ｐの全長より短くする。
(3) フープ層群Ｇの全長は、それよりも下層にあるフープ層群Ｇの全長より短くする。
本実施形態では、このような制約を設けたうえで、これらの制約を満たすよう、以下の項目を考慮しつつ、変数（説明変数）を設定したうえで設計する。
・軸全体の基準長さ（図３中の「Ａ」参照）
・基準長さからの各フープ群Ｇの相対位置（図３中の「Ｂ」、「Ｃ」、「Ｄ」参照）
・各フープ群Ｇ内でのフープ層７０Ｐの相対長さ（図３中の「Ｅ」、「Ｆ」、「Ｇ」、「Ｈ」参照）
Here, in the present embodiment, the following restrictions (1) to (3) are provided so that the hoop layer 70P can be reliably stacked. That is,
(1) The hoop layers 70P are continuous up to four layers. These are defined as “hoop layer groups”.
(2) The total length of a certain hoop layer 70P in one hoop layer group G is shorter than the total length of the hoop layer 70P in the lower layer.
(3) The total length of the hoop layer group G is shorter than the total length of the hoop layer group G in the lower layer.
In this embodiment, after providing such constraints, the design is performed after setting variables (explanatory variables) in consideration of the following items so as to satisfy these constraints.
・ Reference length of the entire shaft (see “A” in FIG. 3)
-Relative position of each hoop group G from the reference length (see "B", "C", "D" in FIG. 3)
The relative length of the hoop layer 70P in each hoop group G (see “E”, “F”, “G”, “H” in FIG. 3)
このように制約を設けたうえでこれらを満たすように設計した場合は、一つのフープ層群Ｇ内におけるフープ層７０Ｐは、一定割合で徐々に短くなる（図４参照）。また、各フープ層群Ｇは、相対位置が軸方向中央寄りへと徐々にずれることにより、全長が徐々に短くなる（図５参照）。なお、各説明変数「Ａ」〜「Ｈ」の傍の小文字「ａ」〜「ｈ」は、各説明変数からの相対長さの差分を表している。 In the case where such restrictions are provided and the design is made so as to satisfy these, the hoop layers 70P in one hoop layer group G are gradually shortened at a constant rate (see FIG. 4). Further, each hoop layer group G gradually decreases in overall length as the relative position gradually shifts toward the center in the axial direction (see FIG. 5). Note that the small letters “a” to “h” beside the explanatory variables “A” to “H” represent the difference in relative length from each explanatory variable.
次に、各説明変数に対して３水準を設定し、Ｄ最適計画を進行（ステップＳＰ２）させる（図６参照）。 Next, three levels are set for each explanatory variable, and the D optimal plan is advanced (step SP2) (see FIG. 6).
Ｄ最適計画に従い、高圧タンク１の破裂強度計算を実施し、各部位別の破裂強度を算出（ステップＳＰ３）する（図７参照）。 According to the D optimal plan, the burst strength of the high-pressure tank 1 is calculated, and the burst strength for each part is calculated (step SP3) (see FIG. 7).
応答曲面法により、各部位の破裂強度を部位別に関数化（ステップＳＰ４）する（図７参照）。応答曲面法は、関数形状に関係なく近似関数を求めて最適化に使用する方法であり、線形関数または線形化変換可能な関数は最小２乗法を用いることで容易にその関数の係数を統計的に推定することが可能であり、またその近似関数の統計的評価が可能であるというものである。 By the response surface method, the burst strength of each part is functionalized for each part (step SP4) (see FIG. 7). The response surface method is a method of obtaining an approximate function regardless of the function shape and using it for optimization. For a linear function or a function that can be linearized and converted, the coefficient of the function can be easily statistically determined by using the least square method. The approximate function can be estimated statistically.
各説明変数に対し、親寸法および公差を決定し、各説明変数に対して正規乱数により所定個数（一例として２０００個程度）の正規分布を作成（ステップＳＰ５）する（図８参照）。 Parent dimensions and tolerances are determined for each explanatory variable, and a normal distribution of a predetermined number (about 2000 as an example) is created for each explanatory variable using normal random numbers (step SP5) (see FIG. 8).
上述のステップＳＰ４にて作成した関数にステップＳＰ５で作成した所定個数（一例として２０００個程度）の計算をし、各部位の破裂強度の度数分布を作成（ステップＳＰ６）する（図９参照）。 The predetermined number (about 2000 as an example) created in step SP5 is calculated for the function created in step SP4 described above, and a frequency distribution of the burst strength of each part is created (step SP6) (see FIG. 9).
部位ごとの破裂強度を比較し、意図した分布となるまで親寸法と公差の変更をし（ステップＳＰ７）、関数計算を繰り返す（図１０参照）。 The burst strength for each part is compared, and the parent dimension and tolerance are changed until the intended distribution is obtained (step SP7), and the function calculation is repeated (see FIG. 10).
本実施形態のシミュレーション方法においては、上述のようにして説明変数の設定を行い、制約を満たすように設計することにより、無数にある寸法ではなく、説明変数８個（「Ａ」〜「Ｈ」）、Ｄ最適計画で３０ケース程度で応答曲面を導き出すための計画が可能となり（因子を８個程度、３水準とすることでＤ最適計画では応答曲面を３０パターンの計画で作成できる）、素早く最適設計をすることが可能となる。 In the simulation method of the present embodiment, the explanatory variables are set as described above and designed so as to satisfy the constraints, so that eight explanatory variables (“A” to “H”) are used instead of countless dimensions. ), It is possible to plan for deriving the response surface in about 30 cases in the D optimal plan (by setting the factor to about 8 levels, the response surface can be created with 30 patterns in the D optimal plan) and quickly It becomes possible to design optimally.
実際に、高圧タンク１のフープ層７０Ｐの折り返し位置を変化させ、当該高圧タンク１の破裂（バースト）強度を推定するＣＡＥ（コンピュータ解析）を実施した。以下、実施例として説明する（図１１〜図２０参照）。 Actually, CAE (computer analysis) was performed in which the folding position of the hoop layer 70P of the high-pressure tank 1 was changed and the burst (burst) strength of the high-pressure tank 1 was estimated. Hereinafter, it demonstrates as an Example (refer FIGS. 11-20).
本実施例における最適設計モデルの詳細は以下のようになった。
・基準となる第１群内第１層の折り返し位置（基準寸法）として、燃料電池車のリア側に搭載される水素タンク（リアタンク）の実折り返し寸法を設定した（図１１参照）。
・上記の基準寸法より、図１２のごとく各部寸法を変化させた。
Details of the optimum design model in the present embodiment are as follows.
-The actual folding dimension of the hydrogen tank (rear tank) mounted on the rear side of the fuel cell vehicle was set as the folding position (reference dimension) of the first layer in the first group as a reference (see FIG. 11).
-The dimensions of each part were changed as shown in FIG.
＜各因子に対する説明＞
リアタンク（高圧タンク）のフープ層７０Ｐは、各群４層ずつの４フープ層群Ｇと最外層の計１７層で形成した。
・軸方向長さ（基準長さ）（Ａ）：フープ層群Ｇの１群目を基準として全体のフープ層長さを表す。
・群相対位置（Ｂ〜Ｄ）：フープ層群Ｇの１群目を基準とした各群の相対位置を表す。
・群内相対位置（Ｅ〜Ｈ）：フープ層群Ｇの各群内の最外層を基準とした群内の最内層の相対位置を表す。
<Explanation for each factor>
The hoop layer 70P of the rear tank (high-pressure tank) was formed of a total of 17 layers, 4 hoop layer groups G each including 4 groups, and the outermost layer.
Axial length (reference length) (A): Represents the entire hoop layer length with reference to the first group of the hoop layer group G.
Group relative position (BD): Represents the relative position of each group based on the first group of the hoop layer group G.
In-group relative position (E to H): Represents the relative position of the innermost layer in the group based on the outermost layer in each group of the hoop layer group G.
本実施例では、Ｄ最適計画を用いて応答曲面を算出した。実験回数は、３０回であった（図１３参照）。内側に印加する内圧を変化させ、繊維破壊によるバーストが生じるまで計算した。このとき、高圧タンク１の口金部には、口金１１との境界に生じる平均面圧を付与した。 In this example, the response surface was calculated using the D optimal plan. The number of experiments was 30 (see FIG. 13). The calculation was performed until the burst due to fiber breakage was generated by changing the internal pressure applied to the inside. At this time, an average surface pressure generated at the boundary with the base 11 was applied to the base portion of the high-pressure tank 1.
また、出力特性値として、以下の３つを評価した。
・ストレート部（胴部）１ｓとドーム部１ｄとの境界部におけるバースト強度（以下、「肩フープ強度」[MPa]ともいう）
・ストレート部１ｓの中央におけるバースト強度（以下、「中央フープ強度」[MPa]ともいう）
・境界部付近におけるヘリカル層７０ＨＨ，７０ＬＨのバースト強度（以下、「ヘリカル強度」[MPa]ともいう）
Further, the following three output characteristics were evaluated.
・ Burst strength at the boundary between straight part (body part) 1s and dome part 1d (hereinafter also referred to as “shoulder hoop strength” [MPa])
・ Burst strength at the center of the straight part 1s (hereinafter also referred to as “central hoop strength” [MPa])
・ Burst intensity of helical layers 70HH and 70LH near the boundary (hereinafter also referred to as “helical intensity” [MPa])
これらのうち、計算上、バーストは境界部にて生じるか、あるいは胴部中央〜境界部において同時に生じることになるため、胴部中央バースト強度および境界付近のヘリカル強度は以下の式より算出した。本計算においては高圧タンク１の製造工程での繊維たるみ等の影響を無視していることから、実強度より高い推定値となった。
［数式１］
耐圧＝（肩フープ応力）／Ｘ＊（バースト圧） Ｘ：中央フープ応力またはヘリカル応力
Among these, for calculation, since the burst occurs at the boundary portion or at the same time from the center of the trunk portion to the boundary portion, the burst strength at the trunk portion and the helical strength near the boundary are calculated by the following equations. In this calculation, the influence of fiber sagging and the like in the manufacturing process of the high-pressure tank 1 is ignored, so the estimated value is higher than the actual strength.
[Formula 1]
Pressure resistance = (shoulder hoop stress) / X * (burst pressure) X: Central hoop stress or helical stress
また、同計算にて各特性値に対して回帰式（回帰方程式）を作成した。該回帰式を利用し、以下の（１）〜（３）の手順で各特性値のバラツキを評価した。
（１）同計算にて回帰式を作成（図１３参照）
（２）各因子の親寸法位置、公差を元に正規乱数によりサンプルを各２０００個作成（図１４参照）
（３）上記サンプル２０００個を元に回帰式で各特性値を計算
（４）各特性値の計算結果を（累積）度数分布で評価、比較（図１５参照）
In addition, a regression equation (regression equation) was created for each characteristic value by the same calculation. Using the regression equation, the variation of each characteristic value was evaluated by the following procedures (1) to (3).
(1) Create regression equation by the same calculation (see Fig. 13)
(2) Create 2000 samples with normal random numbers based on the parent dimension position and tolerance of each factor (see Fig. 14)
(3) Calculate each characteristic value by regression equation based on the above 2000 samples. (4) Evaluate and compare the calculation result of each characteristic value by (cumulative) frequency distribution (see FIG. 15).
さらに、先の手法に基づき、図１６〜図１８のごとく親寸法の中心位置、公差を変更して強度向上を検討した。検討１（中心を基準寸法、公差を図１６のごとく設定）に対し、検討２では、Ａ：軸方向の全体長さを３ｍｍ伸ばし、さらに検討３においては、次に偏回帰係数の大きいＣ：３群の相対位置を３ｍｍ長くすることで改善を試みた。 Furthermore, based on the previous method, the center position and tolerance of the parent dimension were changed as shown in FIGS. In the case of Study 1 (the center is set as a reference dimension and the tolerance is set as shown in FIG. 16), in Study 2, A: the overall length in the axial direction is increased by 3 mm. Improvement was attempted by increasing the relative position of the three groups by 3 mm.
検討１では、図１９に示すように肩フープが支配的で破損する結果となるのに対し、検討３の寸法設定とすることで 肩フープ強度＞中央フープ層強度 となり、中央付近での安定的な破壊が得られる結果となった（図２０参照）。 In Study 1, the shoulder hoop is dominant and breaks as shown in FIG. 19, but by setting the dimensions in Study 3, shoulder hoop strength> center hoop layer strength is satisfied, and stable near the center. Result was obtained (see FIG. 20).
以上の結果、ライナー２０にストレート部１ｓを設け、該ストレート部１ｓを延長し、フープ層７０Ｐによってストレート部１ｓの端部（ストレート部１ｓとドーム部１ｄとの境界部付近）の強度を確保している高圧タンク１において、各フープ層７０Ｐの全長（軸方向の長さ）を効率よく最適化することができるＣＡＥと応答曲面手法を有効利用した方法を構築できることが確認された。 As a result of the above, the straight portion 1s is provided on the liner 20, the straight portion 1s is extended, and the strength of the end portion of the straight portion 1s (near the boundary portion between the straight portion 1s and the dome portion 1d) is secured by the hoop layer 70P. In the high-pressure tank 1, it was confirmed that a method using the CAE and the response surface method that can efficiently optimize the overall length (length in the axial direction) of each hoop layer 70 </ b> P can be constructed.
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明は、高圧タンクの設計時等において、当該高圧タンクの破裂強度を求めるシミュレーションに適用して好適なものである。 The present invention is suitable for application to a simulation for determining the burst strength of a high-pressure tank at the time of designing the high-pressure tank.
１…高圧タンク、１ｄ…ドーム部、１ｓ…ストレート部（胴部）、１２…タンク軸、２０…ライナー、７０…繊維、７０Ｐ…フープ層、７０ＨＨ…高ヘリカル層（ヘリカル層）、７０ＬＨ…低ヘリカル層（ヘリカル層）、Ｇ…フープ層群 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High pressure tank, 1d ... Dome part, 1s ... Straight part (torso part), 12 ... Tank shaft, 20 ... Liner, 70 ... Fiber, 70P ... Hoop layer, 70HH ... High helical layer (helical layer), 70LH ... Low Helical layer (helical layer), G ... Hoop group
Claims (2)
前記フープ層を所定数の層毎にフープ層群とし、
変数として、前記フープ層群のうち基準とする最内群の最内層のタンク軸方向長さと、各フープ層群内のフープ層の相対長さと、所定の基準長さからの各フープ層郡の相対長さと、を設定し、
前記胴部と前記ドーム部との境界部における破壊強度を表す肩フープ強度、前記胴部のタンク軸方向の中央付近における破壊強度を表す中央フープ強度、前記胴部と前記ドーム部との境界部付近における前記ヘリカル層の破壊強度を表すヘリカル強度と、を水準として設定し、
前記水準から、所定の前記説明変数の値を最適化する最適計画を作成し、破裂強度計算を行い、当該高圧タンクの各部位別の破裂強度を算出する、高圧タンクの破裂強度を求めるシミュレーション方法。 A hoop layer in which fibers are continuously wound from the trunk portion of the high-pressure tank to a part of the dome portion, and the fibers are wound from one dome portion to the other dome portion so as to wind the dome portion. In the simulation method for determining the burst strength of the high-pressure tank having a helical layer,
The hoop layer is a hoop layer group for each predetermined number of layers,
As variables, the tank axial length of the innermost layer of the innermost group as a reference among the hoop layer groups, the relative length of the hoop layers in each hoop layer group, and the length of each hoop layer group from a predetermined reference length Set the relative length and
Shoulder hoop strength representing the breaking strength at the boundary between the trunk portion and the dome portion, central hoop strength representing the breaking strength near the center of the trunk portion in the tank axial direction, and the boundary portion between the trunk portion and the dome portion The helical strength representing the fracture strength of the helical layer in the vicinity, and set as a level,
A simulation method for determining the burst strength of the high-pressure tank, creating an optimal plan for optimizing the value of the predetermined explanatory variable from the level, calculating the burst strength, and calculating the burst strength for each part of the high-pressure tank .
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