JP5381509B2 - High pressure gas tank design method - Google Patents

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Description

この発明は、高圧ガスタンクに関する。   The present invention relates to a high-pressure gas tank.

高圧ガスタンクは、フィラメント・ワインディング法（以下、「ＦＷ法」とも呼ぶ）によって製造される。ＦＷ法では、高圧ガスタンクの本体部であるタンク容器の外周に繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics）などの繊維を幾重にも巻き付けて多層的な補強層を形成し、高圧ガスタンクの強度を向上させる。補強層を有する高圧ガスタンクの強度は、有限要素法（Finite Element Method）によって解析することができる（下記特許文献１）。   The high-pressure gas tank is manufactured by a filament winding method (hereinafter also referred to as “FW method”). In the FW method, fibers such as fiber reinforced plastics (Fiber Reinforced Plastics) are wound around the outer periphery of a tank container, which is the main body of the high-pressure gas tank, to form a multi-layered reinforcing layer, thereby improving the strength of the high-pressure gas tank. The strength of a high-pressure gas tank having a reinforcing layer can be analyzed by a finite element method (Patent Document 1 below).

ここで、タンク容器は、一般に、略円筒形状のシリンダー部の両端に、外部配管との接続部である口金部などが設けられた略凸曲面形状のドーム部を有する。ＦＷ法では、このドーム部において、巻き付けた繊維の繊維方向における歪みが大きくなり、高圧ガスタンクの強度が低下しやすい傾向にある。従って、ＦＷ法においては、ドーム部において繊維の巻き付け方向を折り返す繊維の折り返し位置を調整することにより、ドーム部の強度を向上させることが好ましい。   Here, the tank container generally has a dome portion having a substantially convex curved surface provided with a base portion which is a connection portion with an external pipe at both ends of a substantially cylindrical cylinder portion. In the FW method, in the dome portion, the strain in the fiber direction of the wound fiber increases, and the strength of the high-pressure gas tank tends to decrease. Therefore, in the FW method, it is preferable to improve the strength of the dome by adjusting the fiber folding position at which the fiber winding direction is folded at the dome.

しかし、従来の高圧ガスタンクの強度解析方法では、予めシリンダー部における繊維の巻き角度を指定し、その指定された巻き角度に応じてドーム部における繊維の折り返し位置が決定される方法が採用されていた。そのため、ドーム部における強度を向上させるための所望の繊維の折り返し位置を得るためには、適切な巻き角度を指定する多数回の試行錯誤が必要であった。   However, the conventional high pressure gas tank strength analysis method employs a method in which the fiber winding angle in the cylinder portion is designated in advance and the fiber folding position in the dome portion is determined according to the designated winding angle. . For this reason, in order to obtain a desired fiber folding position for improving the strength at the dome, many trials and errors for specifying an appropriate winding angle are required.

特許３７７５５１６号公報Japanese Patent No. 3775516

本発明は、高圧ガスタンクの強度を向上することができる技術を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the technique which can improve the intensity | strength of a high pressure gas tank.

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.

［適用例１］
略円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するタンク容器を準備し、前記シリンダー部の外表面全体に渡って、繊維を巻き付けるとともに、前記ドーム部において巻き付け方向を折り返すヘリカル巻きによって繊維巻層を形成するフィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの強度の解析方法であって、
（ａ）前記ドーム部における前記繊維の巻き付け方向の折り返し位置を予め設定する工程と、
（ｂ）巻き角度を、前記予め設定された折り返し位置に応じて決定する工程と、
（ｃ）前記折り返し位置と決定された前記巻き角度とで特定される前記繊維巻層を有する高圧ガスタンクについて、複数の微小領域である要素に分割した有限要素モデルを作成し、前記有限要素モデルを用いて有限要素法により前記高圧ガスタンクの強度を解析する工程と、
を備える、解析方法。
この解析方法によれば、ドーム部における繊維の折り返し位置を設定した後に、その折り返し位置に応じて繊維の巻き角度を決定するため、所望の位置に繊維の折り返し位置を配置することが容易となる。繊維の折り返し位置では、繊維巻層の強度が比較的向上させることができるため、繊維の折り返し位置をより適切に指定することによって、高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能となる。 [Application Example 1]
Preparing a tank container having a substantially cylindrical cylinder portion and a dome portion having a convex curved surface provided on both bottom portions of the cylinder portion, and winding fibers over the entire outer surface of the cylinder portion; A method for analyzing the strength of a high-pressure gas tank manufactured by a filament winding method in which a fiber winding layer is formed by helical winding that turns the winding direction at a dome part,
(A) a step of presetting a folding position in the winding direction of the fiber in the dome portion;
(B) determining a winding angle according to the preset folding position;
(C) For the high-pressure gas tank having the fiber winding layer specified by the folding position and the determined winding angle, create a finite element model divided into elements that are a plurality of minute regions, and the finite element model Using the finite element method to analyze the strength of the high-pressure gas tank;
An analysis method comprising:
According to this analysis method, after setting the fiber folding position in the dome portion, the fiber winding angle is determined according to the folding position, so it is easy to place the fiber folding position at a desired position. . Since the strength of the fiber wound layer can be relatively improved at the fiber folding position, the strength of the high-pressure gas tank can be improved by specifying the fiber folding position more appropriately.

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、フィラメント・ワインディング法による高圧ガスタンクの製造方法および製造装置、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。   The present invention can be realized in various forms, for example, a method and apparatus for manufacturing a high-pressure gas tank by a filament winding method, a computer program for realizing the functions of these methods or apparatuses, and the like. The present invention can be realized in the form of a recording medium on which a computer program is recorded.

高圧ガスタンクの製造工程において行われるフィラメント・ワインディング法を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the filament winding method performed in the manufacturing process of a high pressure gas tank. ヘリカル巻きによるドーム部の強度の向上を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the improvement of the intensity | strength of the dome part by helical winding. 実施例における強度解析処理プログラムの処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of the intensity | strength analysis processing program in an Example. 予め設定された繊維巻層ごとのパラメータ群の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the parameter group for every fiber winding layer set beforehand. 実施例の強度解析処理における節点の取得工程を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the acquisition process of the node in the intensity | strength analysis process of an Example. 実施例の強度解析処理による解析結果の一例を説明するための説明図。Explanatory drawing for demonstrating an example of the analysis result by the intensity | strength analysis process of an Example. 比較例の強度解析処理プログラムの処理手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the process sequence of the intensity | strength analysis processing program of a comparative example.

A．実施例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の実施例としての高圧ガスタンクの製造工程において行われるフィラメント・ワインディング法を説明するための模式図である。図１（Ａ）〜（Ｃ）にはそれぞれ、高圧ガスタンクの本体部を構成するタンク容器１０が図示されている。タンク容器１０は、半径が均一である略円筒形状のシリンダー部１１と、シリンダー部１１の両端に設けられた凸曲面形状のドーム部１２とを有する中空容体である。タンク容器１０は、例えば、アルミニウムなどの金属やナイロン系樹脂などの樹脂によって構成することができる。なお、ドーム部１２は、等張力曲面によって構成されており、その頂点には、外部配管等と接続するための口金部１５が設けられている。 A. Example:
1A to 1C are schematic views for explaining a filament winding method performed in a manufacturing process of a high-pressure gas tank as an embodiment of the present invention. FIGS. 1A to 1C each show a tank container 10 that constitutes a main body of a high-pressure gas tank. The tank container 10 is a hollow container having a substantially cylindrical cylinder portion 11 having a uniform radius and convex-curved dome portions 12 provided at both ends of the cylinder portion 11. The tank container 10 can be made of, for example, a metal such as aluminum or a resin such as nylon resin. The dome portion 12 is configured by an isotensive curved surface, and a base portion 15 for connecting to an external pipe or the like is provided at the apex thereof.

ＦＷ法を用いた高圧ガスタンクの製造工程では、タンク容器１０の外周に、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を予め含浸させたカーボン繊維２０を巻き付けて、熱硬化生樹脂を熱硬化させることにより補強層を形成し、タンク容器１０の強度を向上させる。ここで、カーボン繊維２０のタンク容器１０への巻き付け方法としては、後述するフープ巻きやヘリカル巻きが知られている。補強層は、カーボン繊維２０の巻き付け方を変えた複数の繊維巻層を積層することにより、多層的に形成される。   In the manufacturing process of the high-pressure gas tank using the FW method, the carbon fiber 20 preliminarily impregnated with a thermosetting resin such as an epoxy resin is wound around the outer periphery of the tank container 10 to reinforce by thermosetting the thermosetting raw resin. A layer is formed and the strength of the tank container 10 is improved. Here, as a method of winding the carbon fiber 20 around the tank container 10, hoop winding or helical winding described later is known. The reinforcing layer is formed in multiple layers by laminating a plurality of fiber winding layers in which the carbon fiber 20 is wound.

図１（Ａ）は、フープ巻きによって形成される繊維巻層を説明するための模式図である。なお、図１（Ａ）には、フープ巻きによってカーボン繊維２０がタンク容器１０に巻き付けられていく様子が模式的に図示されており、カーボン繊維２０を巻き付けるためのリール２５が図示されている。ここで、「フープ巻き」とは、カーボン繊維２０を、シリンダー部１１の中心軸ＡＸにほぼ垂直な巻き角度で、中心軸ＡＸ方向に沿った方向に巻き付け位置（リール２５の位置）を移動しつつ、巻き付けていく巻き付け方法である。なお、「巻き角度」とは、カーボン繊維２０の巻き付け方向（リール２５の移動方向）に対するカーボン繊維２０の繊維方向の角度を意味する。このフープ巻きによって形成される繊維巻層を以後、「フープ層」と呼ぶ。フープ層は、主に、シリンダー部１１の全体に渡って形成される。   FIG. 1A is a schematic diagram for explaining a fiber wound layer formed by hoop winding. FIG. 1A schematically shows a state in which the carbon fiber 20 is wound around the tank container 10 by hoop winding, and a reel 25 for winding the carbon fiber 20 is illustrated. Here, “hoop winding” refers to moving the carbon fiber 20 at a winding angle (position of the reel 25) in a direction along the direction of the central axis AX at a winding angle substantially perpendicular to the central axis AX of the cylinder part 11. It is a winding method of winding. The “winding angle” means the angle of the carbon fiber 20 in the fiber direction with respect to the winding direction of the carbon fiber 20 (moving direction of the reel 25). The fiber wound layer formed by this hoop winding is hereinafter referred to as a “hoop layer”. The hoop layer is mainly formed over the entire cylinder portion 11.

図１（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ、ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を説明するための模式図である。「ヘリカル巻き」は、次のようにタンク容器１０にカーボン繊維２０を巻き付ける巻き付け方法である。即ち、シリンダー部１１においては、巻き角度α0（０＜α0＜９０°）を一定に保持しつつ、中心軸ＡＸ方向に沿った巻き付け方向で螺旋状に巻き付ける。そして、ドーム部１２において、巻き付け方向を折り返し、再び、巻き角度α0でシリンダー部１１に螺旋状に巻き付けていく。ドーム部１２における巻き付け方向の折り返しを何度も繰り返すことにより、タンク容器１０の外表面には、カーボン繊維２０が網目状に張り渡された繊維巻層が形成される。ここで、本実施例におけるヘリカル巻きには、以下に説明する「高角度ヘリカル巻き」と、「低角度ヘリカル巻き」とがある。 FIGS. 1B and 1C are schematic views for explaining a fiber wound layer formed by helical winding. “Helical winding” is a winding method in which the carbon fiber 20 is wound around the tank container 10 as follows. That is, in the cylinder portion 11, the winding angle α 0 (0 <α 0 <90 °) is kept constant, and the cylinder portion 11 is spirally wound in the winding direction along the central axis AX direction. Then, the dome portion 12, folded wrapping direction, again, go helically wound cylinder portion 11 in the winding angle alpha 0. By repeating the wrapping of the dome portion 12 in the winding direction many times, a fiber wound layer in which the carbon fibers 20 are stretched in a mesh shape is formed on the outer surface of the tank container 10. Here, the helical winding in the present embodiment includes “high angle helical winding” and “low angle helical winding” described below.

図１（Ｂ）には、高角度ヘリカル巻きによってタンク容器１０にカーボン繊維２０が巻き付けられている様子が模式的に図示されている。図１（Ｂ）には、図１（Ａ）と同様に、リール２５が図示されている。「高角度ヘリカル巻き」は、シリンダー部１１においてカーボン繊維２０が少なくとも１周することができる程度の比較的大きい巻き角度α0によるヘリカル巻きである。この高角度ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を以後、「高角度ヘリカル層」と呼ぶ。 FIG. 1B schematically shows a state in which the carbon fiber 20 is wound around the tank container 10 by high-angle helical winding. FIG. 1B shows a reel 25 as in FIG. 1A. The “high angle helical winding” is helical winding with a relatively large winding angle α 0 that allows the carbon fiber 20 to make at least one round in the cylinder portion 11. The fiber wound layer formed by this high angle helical winding is hereinafter referred to as a “high angle helical layer”.

図１（Ｃ）には、低角度ヘリカル巻きによってカーボン繊維２０がタンク容器１０に巻き付けられた状態が模式的に図示されている。「低角度ヘリカル巻き」は、シリンダー部１１においてカーボン繊維２０が１周する前にドーム部１２において巻き付け方向を折り返すこととなる程度の比較的小さい巻き角度α0によるヘリカル巻きである。この低角度ヘリカル巻きによって形成される繊維巻層を以後、「低角度ヘリカル層」と呼ぶ。 FIG. 1C schematically illustrates a state in which the carbon fiber 20 is wound around the tank container 10 by low-angle helical winding. The “low angle helical winding” is a helical winding with a relatively small winding angle α 0 to the extent that the winding direction is turned back at the dome portion 12 before the carbon fiber 20 makes one round in the cylinder portion 11. The fiber wound layer formed by this low-angle helical winding is hereinafter referred to as “low-angle helical layer”.

図２（Ａ），（Ｂ）は、ヘリカル巻きによるドーム部１２の強度の向上を説明するための模式図である。図２（Ａ），（Ｂ）にはそれぞれ、中心軸ＡＸ方向に沿って見たときのドーム部１２が図示されており、図２（Ａ）のドーム部１２には高角度ヘリカル層が形成され、図２（Ｂ）のドーム部１２には低角度ヘリカル層が形成されている。   2A and 2B are schematic diagrams for explaining the improvement in strength of the dome portion 12 by helical winding. FIGS. 2A and 2B each show a dome portion 12 when viewed along the direction of the central axis AX, and a high-angle helical layer is formed on the dome portion 12 of FIG. In addition, a low-angle helical layer is formed on the dome portion 12 in FIG.

ところで、タンク容器１０のドーム部１２の曲面は前記のとおり等張力曲面で構成されている。この場合に、下記の数式（１）が成り立つように、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の折り返し位置を決定すると、ドーム部１２上におけるカーボン繊維２０の応力を略均一とすることができることが知られている。
Ｒ1＝Ｒ0・ｓｉｎα0 …（１）
ここで、Ｒ0は、シリンダー部１１の半径であり、α0は、シリンダー部１１におけるカーボン繊維２０の巻き角度である。また、Ｒ1は、ドーム部１２の中心（中心軸ＡＸ）からカーボン繊維２０の折り返し位置までの距離である。なお、「カーボン繊維２０の折り返し位置」とは、具体的には、ドーム部１２上においてカーボン繊維２０が描く曲線上の頂点の位置を意味する。上記（１）式が成り立つように、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の巻き付け方向の折り返しを繰り返すと、カーボン繊維２０の折り返し位置は、ドーム部１２において半径Ｒ1の円周上に位置することとなる。 By the way, the curved surface of the dome portion 12 of the tank container 10 is formed of a constant tension curved surface as described above. In this case, it is known that the stress of the carbon fiber 20 on the dome portion 12 can be made substantially uniform by determining the folding position of the carbon fiber 20 on the dome portion 12 so that the following mathematical formula (1) is satisfied. ing.
R 1 = R 0 · sin α 0 (1)
Here, R 0 is the radius of the cylinder part 11, and α 0 is the winding angle of the carbon fiber 20 in the cylinder part 11. R 1 is the distance from the center (center axis AX) of the dome portion 12 to the turn-back position of the carbon fiber 20. The “folding position of the carbon fiber 20” specifically means the position of the apex on the curve drawn by the carbon fiber 20 on the dome portion 12. When the folding in the winding direction of the carbon fiber 20 in the dome portion 12 is repeated so that the above formula (1) is satisfied, the folding position of the carbon fiber 20 is located on the circumference of the radius R 1 in the dome portion 12. Become.

一般に、ドーム部１２上においては、巻き付けられたカーボン繊維２０の繊維方向におけるひずみ（以後、「繊維ひずみ」と呼ぶ）が大きくなる傾向にある。従って、ＦＷ法によって製造された高圧ガスタンクでは、シリンダー部１１に比較して、ドーム部１２における強度が低下してしまう可能性がある。   In general, on the dome portion 12, the strain in the fiber direction of the wound carbon fiber 20 (hereinafter referred to as “fiber strain”) tends to increase. Therefore, in the high-pressure gas tank manufactured by the FW method, the strength in the dome portion 12 may be lower than that in the cylinder portion 11.

ここで、高角度ヘリカル層または低角度ヘリカル層では、カーボン繊維２０の折り返し位置に近い領域ほど、カーボン繊維２０が密に配置されるため、当該領域における強度を向上させることができる。具体的には、高角度ヘリカル層では、主に、シリンダー部１１とドーム部１２との境界に比較的近い領域の強度を向上させることができ、低角度ヘリカル層では、主に、ドーム部１２の口金部１５に比較的近い領域の強度を向上させることができる。   Here, in the high-angle helical layer or the low-angle helical layer, the carbon fibers 20 are more densely arranged in the region closer to the folding position of the carbon fibers 20, so that the strength in the region can be improved. Specifically, in the high-angle helical layer, the strength of the region relatively close to the boundary between the cylinder part 11 and the dome part 12 can be mainly improved. In the low-angle helical layer, the dome part 12 is mainly used. The strength of the region relatively close to the base portion 15 can be improved.

従って、ドーム部１２上において繊維ひずみが大きくなっている繊維巻層の領域の上に、カーボン繊維２０の折り返し位置が位置するように、高角度ヘリカル層または低角度ヘリカル層を当該繊維巻層に積層することが好ましい。これより、ドーム部１２における強度を向上させることができ、高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能である。   Accordingly, the high-angle helical layer or the low-angle helical layer is placed on the fiber winding layer so that the turn-back position of the carbon fiber 20 is positioned on the fiber winding layer region where the fiber strain is large on the dome portion 12. It is preferable to laminate. Thereby, the strength in the dome portion 12 can be improved, and the strength of the high-pressure gas tank can be improved.

一般に、ＦＷ法によって製造される高圧ガスタンクの強度解析では、複数の微小領域（「要素」と呼ぶ）に分割した有限要素モデル（「ＦＥＭモデル」と呼ぶ）を作成して解析する有限要素法（ＦＥＭ；Finite Element Method）が用いられる。そこで、本実施例では、高圧ガスタンクの設計に際して、以下に説明する有限要素法を用いた強度解析処理を行うことにより、より強度が向上された補強層を有する高圧ガスタンクを設計する。   Generally, in the strength analysis of a high-pressure gas tank manufactured by the FW method, a finite element method (referred to as an “FEM model”) divided into a plurality of minute regions (referred to as “elements”) and analyzed. FEM (Finite Element Method) is used. Therefore, in the present embodiment, when designing a high-pressure gas tank, a strength analysis process using a finite element method described below is performed to design a high-pressure gas tank having a reinforcing layer with improved strength.

図３は、本実施例における強度解析処理を実行するためのプログラムにおける処理手順を示すフローチャートである。この強度解析処理プログラムでは、タンク容器１０の外表面に積層される各繊維巻層ごとに、下層から順に、ステップＳ１０〜Ｓ５０の工程が繰り返されてＦＥＭモデルが作成される。   FIG. 3 is a flowchart showing a processing procedure in a program for executing the strength analysis processing in the present embodiment. In this strength analysis processing program, for each fiber wound layer laminated on the outer surface of the tank container 10, the steps S10 to S50 are repeated in order from the lower layer to create an FEM model.

図４は、ステップＳ１０において強度解析処理プログラムが取得するパラメータを説明するための説明図である。図４には、ユーザによって予め入力された各繊維巻層ごとのパラメータの一例を示す表が図示されている。各繊維巻層ごとのパラメータとしては、層番号Ｎと、層種別Ｆと、層厚Ｔと、繊維種類Ｋと、折り返し位置Ｒ，Ｌとがある。   FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining parameters acquired by the intensity analysis processing program in step S10. FIG. 4 shows a table showing an example of parameters for each fiber wound layer inputted in advance by the user. Parameters for each fiber wound layer include the layer number N, the layer type F, the layer thickness T, the fiber type K, and the folding positions R and L.

層番号Ｎは、積層される各補強層ごとに、下層から順に付与される番号である。層種別Ｆは、上述したフープ層や、高角度ヘリカル層、低角度ヘリカル層などの繊維巻層の種別を設定するためのパラメータである。層厚Ｔは、各繊維巻層の厚みを設定するためのパラメータである。繊維種類Ｋは、カーボン繊維２０を構成する部材の種類を設定するためのパラメータである。なお、図４の表では、各繊維巻層を構成するカーボン繊維２０としてカーボン繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が設定されている。   The layer number N is a number given in order from the lower layer for each of the laminated reinforcing layers. The layer type F is a parameter for setting the type of the fiber wound layer such as the hoop layer, the high angle helical layer, and the low angle helical layer described above. The layer thickness T is a parameter for setting the thickness of each fiber wound layer. The fiber type K is a parameter for setting the type of member constituting the carbon fiber 20. In the table of FIG. 4, carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is set as the carbon fiber 20 constituting each fiber wound layer.

折り返し位置Ｒ，Ｌはそれぞれ、ドーム部１２におけるカーボン繊維２０の折り返し位置を設定するためのパラメータである。具体的には、折り返し位置Ｒは、フープ層と高角度ヘリカル層のためのパラメータであり、ドーム部１２における中心軸ＡＸからの距離によって設定される。折り返し位置Ｌは、低角度ヘリカル層のためのパラメータであり、シリンダー部１１の中央部からの距離によって設定される。なお、図４の表における折り返し位置Ｒ，Ｌの設定値はそれぞれ、異なる単位（ｍｍ，ｃｍ）で示されている。また、表中の「−」はデフォルト値を示しており、シリンダー部１１の中央部から口金部１５の取り付け位置までの距離が設定されている。ステップＳ１０（図３）では、ＦＥＭモデルの作成対象である繊維巻層の層番号ｎ（ｎは任意の自然数）を有する行に設定されている各パラメータを読み込む。   The folding positions R and L are parameters for setting the folding position of the carbon fiber 20 in the dome portion 12. Specifically, the folding position R is a parameter for the hoop layer and the high-angle helical layer, and is set by the distance from the central axis AX in the dome portion 12. The folding position L is a parameter for the low-angle helical layer, and is set according to the distance from the center portion of the cylinder portion 11. Note that the set values of the folding positions R and L in the table of FIG. 4 are shown in different units (mm, cm), respectively. Further, “−” in the table indicates a default value, and the distance from the center portion of the cylinder portion 11 to the attachment position of the base portion 15 is set. In step S10 (FIG. 3), each parameter set in the row having the layer number n (n is an arbitrary natural number) of the fiber wound layer for which the FEM model is created is read.

図５は、ステップＳ２０，Ｓ３０の工程を説明するための模式図であり、タンク容器１０のシリンダー部１１の一部とドーム部１２の一部の概略断面図が図示されている。図５には、ステップＳ１０〜Ｓ５０の工程により、既に先行して作成された層番号ｎ−１以下の各繊維巻層のＦＥＭモデル３１が実線で模式的に図示されている。また、これからステップＳ２０を経て作成される最外層に位置する層番号ｎの繊維巻層のＦＥＭモデル３３が破線で図示されている。なお、作成済みの各ＦＥＭモデル３１が有する黒丸の点３２は、各要素の節点（要素の頂点）である。   FIG. 5 is a schematic diagram for explaining steps S20 and S30, and a schematic sectional view of a part of the cylinder part 11 and a part of the dome part 12 of the tank container 10 is illustrated. In FIG. 5, the FEM model 31 of each fiber wound layer having a layer number n−1 or less that has been created in advance by the processes of steps S <b> 10 to S <b> 50 is schematically shown by a solid line. In addition, the FEM model 33 of the fiber wound layer of the layer number n located in the outermost layer created through step S20 is shown by a broken line. Note that each black dot 32 of each created FEM model 31 is a node (vertex of the element) of each element.

ステップＳ２０では、作成済みの各ＦＥＭモデル３１の全ての節点３２の座標を取得する。ステップＳ３０では、ステップＳ１０で読み込んだ層番号ｎの繊維巻層のためのパラメータのうちの折り返し位置Ｒ，Ｌが示す位置に最も近い座標を有する節点３２ｅを選択する。そして、その節点３２ｅの位置（中心軸ＡＸからの距離）をＦＥＭモデル作成のためのカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1として決定する。 In step S20, the coordinates of all nodes 32 of each created FEM model 31 are acquired. In step S30, the node 32e having the coordinates closest to the positions indicated by the turn-back positions R and L among the parameters for the fiber wound layer having the layer number n read in step S10 is selected. Then, to determine the position of the node 32e (the distance from the center axis AX) as a return position R 1 of carbon fibers 20 for creating FEM model.

ステップＳ４０（図３）では、ＦＥＭモデルの作成対象である層番号ｎの繊維巻層におけるカーボン繊維２０の巻き角度α0を決定する。具体的には、上記の数式（１）を変形した下記の数式（２）に、ステップＳ３０で決定されたカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1と、タンク容器１０のシリンダー部１１の半径Ｒ0とを代入して巻き角度α0を算出する。
α0＝ｓｉｎ-1（Ｒ1／Ｒ0） …（２）
なお、半径Ｒ0には、既にＦＥＭモデルが作成されたｎ−１以下の層番号を有する繊維巻層の厚みが加味されるものとしても良い。また、ＦＥＭモデルの作成対象である層番号ｎの繊維巻層の種別がフープ層である場合には、数式（２）を用いることなく、巻き角度α0として、予め設定されているフープ巻きのための巻き角度が設定される。 In step S40 (FIG. 3), the winding angle α 0 of the carbon fiber 20 in the fiber winding layer with the layer number n, which is the FEM model creation target, is determined. Specifically, the following mathematical formula (2), which is a modification of the mathematical formula (1), is changed to the folding position R 1 of the carbon fiber 20 determined in step S30 and the radius R 0 of the cylinder portion 11 of the tank container 10. Is substituted to calculate the winding angle α 0 .
α 0 = sin −1 (R 1 / R 0 ) (2)
It should be noted that the radius R 0 may include the thickness of a fiber wound layer having a layer number of n−1 or less for which an FEM model has already been created. Further, when the type of the fiber wound layer having the layer number n, which is the object of creation of the FEM model, is a hoop layer, the hoop winding that is set in advance as the winding angle α 0 is used without using Equation (2). The winding angle is set.

ステップＳ５０では、折り返し位置Ｒ1における節点の座標と、巻き角度α0と、層厚Ｔとを用いて、層番号ｎの繊維巻層のＦＥＭモデルを作成する。なお、この工程では、繊維巻層の肉厚を算出するための所定の肉厚換算を実行する演算処理や、ドーム部１２においてカーボン繊維２０が折り返される繊維巻層の端部をモデル化するための所定の処理が実行される。 In step S50, an FEM model of the fiber wound layer of layer number n is created using the coordinates of the node at the turn-back position R 1 , the winding angle α 0, and the layer thickness T. In this step, in order to model the calculation processing for executing a predetermined thickness conversion for calculating the thickness of the fiber wound layer and the end of the fiber wound layer where the carbon fiber 20 is folded back in the dome portion 12. The predetermined process is executed.

全ての繊維巻層についてのＦＥＭモデルが作成されていない場合には、次の層番号ｎ＋１の繊維巻層のＦＥＭモデルを作成するためにステップＳ１０〜Ｓ５０の工程が繰り返される（ステップＳ６０）。一方、全ての繊維巻層についてのＦＥＭモデルの作成が終了した場合には、作成されたＦＥＭモデルを用いた有限要素法による高圧ガスタンクの強度解析が実行される（ステップＳ７０）。   When the FEM models for all the fiber wound layers have not been created, the processes of steps S10 to S50 are repeated in order to create the FEM model of the fiber wound layer of the next layer number n + 1 (step S60). On the other hand, when the creation of the FEM model for all the fiber wound layers is completed, the strength analysis of the high-pressure gas tank by the finite element method using the created FEM model is executed (step S70).

図６（Ａ），（Ｂ）は、本実施例の強度解析処理プログラムによる解析結果の一例を示す説明図である。図６（Ａ）のグラフは、シリンダー部１１の中央部から口金部１５に向かうタンク容器１０の外表面に沿った方向の位置Ｘにおける各繊維巻層ごとの繊維ひずみの大きさを示すグラフを重ね合わせて図示したものである。図６（Ｂ）には、図６（Ａ）のグラフに示された位置Ｘに対応するタンク容器１０の一部の概略断面が図示されている。繊維ひずみが比較的大きいグラフ群ｄ１は、主に、フープ層と高角度ヘリカル層とを構成するカーボン繊維２０の繊維ひずみの大きさを示している。一方、繊維ひずみが比較的小さいグラフ群ｄ２は、主に、低角度ヘリカル層を構成するカーボン繊維２０の繊維ひずみの大きさを示している。   6A and 6B are explanatory diagrams illustrating an example of an analysis result obtained by the intensity analysis processing program of the present embodiment. The graph of FIG. 6A is a graph showing the magnitude of the fiber strain for each fiber wound layer at the position X in the direction along the outer surface of the tank container 10 from the central part of the cylinder part 11 toward the base part 15. This is shown in a superimposed manner. FIG. 6B shows a schematic cross section of a part of the tank container 10 corresponding to the position X shown in the graph of FIG. The graph group d1 having a relatively large fiber strain mainly indicates the magnitude of the fiber strain of the carbon fiber 20 constituting the hoop layer and the high-angle helical layer. On the other hand, the graph group d2 having a relatively small fiber strain mainly indicates the magnitude of the fiber strain of the carbon fiber 20 constituting the low-angle helical layer.

ここで、強度解析処理の結果、シリンダー部１１とドーム部１２の境界位置近傍（位置ｘ2の周辺）において、破線グラフｄａのように繊維ひずみが大きくなっていた場合を想定する。この場合には、位置ｘ2の周辺に、いずれかの高角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置が位置するように、高角度ヘリカル層の折り返し位置Ｒ（図４）の値を変更して、再び強度解析処理プログラムを実行する。すると、グラフ群ｄ１の実線グラフで示すように、当該領域の繊維ひずみを小さくすることが可能となる。同様に、例えば位置ｘ3〜ｘ4の間の領域については、低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｌを調整することによって、当該領域の繊維ひずみを小さくすることが可能である。このようにして、高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ，Ｌを調整しつつ、有限要素法を用いた強度解析処理を繰り返すことにより、より強度の高い高圧ガスタンクを設計することが可能となる。 Here, it is assumed that, as a result of the strength analysis process, the fiber strain is large in the vicinity of the boundary position between the cylinder portion 11 and the dome portion 12 (around the position x 2 ) as shown by the broken line graph da. In this case, the periphery of the position x 2, as return position of the carbon fibers 20 is positioned in either the high-angle helical layer, by changing the value of the return position R of the high-angle helical layer (FIG. 4) Then, the intensity analysis processing program is executed again. Then, as shown by the solid line graph of the graph group d1, the fiber strain in the region can be reduced. Similarly, for example, in the region between the positions x 3 to x 4 , the fiber strain in the region can be reduced by adjusting the turn-back position L of the carbon fiber 20 in the low-angle helical layer. In this way, the strength analysis process using the finite element method is repeated while adjusting the folding positions R and L of the carbon fiber 20 in the high-angle helical layer and the low-angle helical layer. It becomes possible to design.

図７は、比較例としての強度解析処理プログラムにおける処理手順を示すフローチャートである。図７は、ステップＳ１０，Ｓ３０に換えてステップＳ１０ａ，Ｓ３０ａが設けられている点と、ステップＳ４０が省略されている点以外は、図７とほぼ同じである。   FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure in a strength analysis processing program as a comparative example. FIG. 7 is substantially the same as FIG. 7 except that steps S10a and S30a are provided instead of steps S10 and S30, and that step S40 is omitted.

この比較例の強度解析処理プログラムでは、ステップＳ１０ａにおいて、各繊維巻層のパラメータとして、折り返し位置Ｒ，Ｌ（図４）に換えて、予めユーザによって入力された巻き角度α0を読み込む。ステップＳ２０では、本実施例の強度解析処理プログラムと同様に、先行して作成済みである繊維巻層のＦＥＭモデル３１の節点３２の座標を取得する（図５）。ステップＳ３０ａでは、上記の数式（１）に、シリンダー部１１の半径Ｒ0と、ステップ１０ａで読み込んだパラメータのうちの巻き角度α0とを代入して、ＦＥＭモデル作成対象である繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1を算出する。そして、ステップＳ２０で取得した節点３２の座標のうち、折り返し位置Ｒ1に最も近い節点３２の座標を、ＦＥＭモデル作成対象である繊維巻層の折り返し位置の座標とする。 The intensity analysis program of the comparative example, in step S10a, as a parameter of each fiber winding layer, instead of the return position R, L (FIG. 4) reads the winding angle alpha 0 input by the user in advance. In step S20, the coordinates of the node 32 of the FEM model 31 of the fiber wound layer that has been created in advance are acquired in the same manner as in the strength analysis processing program of the present embodiment (FIG. 5). In step S30a, the radius R 0 of the cylinder portion 11 and the winding angle α 0 among the parameters read in step 10a are substituted into the above equation (1), and the fiber winding layer that is the FEM model creation target is substituted. The folding position R 1 of the carbon fiber 20 is calculated. Of the coordinates of the node 32 obtained in step S20, the coordinates closest node 32 to the return position R 1, and the coordinates of the return position of the fiber winding layer is FEM model generation target.

この比較例の強度解析処理プログラムでは、ユーザが巻き角度α0（カーボン繊維２０の配向角度）を予め設定することにより、各繊維巻層の強度を調整することができる。しかし、各繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ1は、当該巻き角度α0によって決定されるため、本実施例の強度解析処理プログラム（図３）のように、各繊維巻層の折り返し位置Ｒ，Ｌによって、ドーム部１２の強度を調整することが比較的困難である。 In the strength analysis processing program of this comparative example, the user can adjust the strength of each fiber wound layer by presetting the winding angle α 0 (orientation angle of the carbon fibers 20). However, since the turn-back position R 1 of the carbon fiber 20 in each fiber wound layer is determined by the winding angle α 0 , the turn-up of each fiber wound layer is performed as in the strength analysis processing program (FIG. 3) of this embodiment. It is relatively difficult to adjust the strength of the dome portion 12 by the positions R and L.

このように、本実施例の強度解析処理によれば、各繊維巻層におけるカーボン繊維２０の折り返し位置Ｒ，Ｌを予め設定し、その折り返し位置Ｒ，Ｌに応じて高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層におけるカーボン繊維２０の巻き角度α0を決定する。従って、高角度ヘリカル層や低角度ヘリカル層の端部の位置Ｒ1を所望の位置に容易に配置することが可能となり、下層に位置する繊維巻層の強度低下を抑制することができる。従って、ＦＷ法によって製造される高圧ガスタンクの強度を向上させることが可能である。 Thus, according to the strength analysis processing of the present embodiment, the folding positions R and L of the carbon fibers 20 in each fiber winding layer are set in advance, and a high-angle helical layer or a low angle is set according to the folding positions R and L. The winding angle α 0 of the carbon fiber 20 in the helical layer is determined. Therefore, the position R 1 of the end portion of the high-angle helical layer or the low-angle helical layer can be easily arranged at a desired position, and the strength reduction of the fiber wound layer located in the lower layer can be suppressed. Therefore, it is possible to improve the strength of the high-pressure gas tank manufactured by the FW method.

１０…タンク容器
１１…シリンダー部
１２…ドーム部
１５…口金部
２０…カーボン繊維
２５…リール
３１…ＦＥＭモデル（作成済み）
３２，３２ｅ…節点
３３…ＦＥＭモデル（未作成）
ＡＸ…中心軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Tank container 11 ... Cylinder part 12 ... Dome part 15 ... Base part 20 ... Carbon fiber 25 ... Reel 31 ... FEM model (already made)
32, 32e ... nodes 33 ... FEM model (not created)
AX ... central axis

Claims (1)

略円筒状のシリンダー部と、前記シリンダー部の両底部に設けられた凸曲面形状のドーム部とを有するタンク容器を準備し、前記シリンダー部の外表面全体に渡って、繊維を巻き付けるとともに、前記ドーム部において巻き付け方向を折り返すヘリカル巻きによって繊維巻層を多層的に重ねて形成するフィラメント・ワインディング法によって製造される高圧ガスタンクの設計方法であって、
（ａ）予め設定された前記ドーム部における前記繊維の巻き付け方向の折り返し位置に応じて、前記繊維の巻き角度を決定する工程と、
（ｂ）前記折り返し位置と、前記工程（ａ）において決定された前記巻き角度とで特定される前記繊維巻層を有する高圧ガスタンクについて、複数の微小領域である要素に分割した有限要素モデルを作成し、前記有限要素モデルを用いて有限要素法により前記高圧ガスタンクの強度を解析する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の解析結果に基づいて、少なくとも、前記ドーム部と前記シリンダー部の境界近傍において、前記繊維の折り返し位置を、前記有限要素モデルにおいて強度が所定の値より低くなっている部位に合わせて再設定し、再設定された前記繊維の折り返し位置に応じて前記繊維の前記巻き角度を決定する工程と、
を備える、設計方法。 Preparing a tank container having a substantially cylindrical cylinder portion and a dome portion having a convex curved surface provided on both bottom portions of the cylinder portion, and winding fibers over the entire outer surface of the cylinder portion; A method for designing a high-pressure gas tank manufactured by a filament winding method in which fiber winding layers are formed in a multi-layered manner by helical winding in which a winding direction is folded back at a dome part,
(A) determining a winding angle of the fiber in accordance with a folding position in a winding direction of the fiber in the dome portion set in advance;
(B) Create a finite element model in which the high-pressure gas tank having the fiber winding layer specified by the folding position and the winding angle determined in the step (a) is divided into elements that are a plurality of minute regions. And analyzing the strength of the high-pressure gas tank by a finite element method using the finite element model,
(C) Based on the analysis result of the step (b), at least in the vicinity of the boundary between the dome part and the cylinder part, the return position of the fiber is lower than a predetermined value in the finite element model. Re-setting according to the site that is, and determining the winding angle of the fiber according to the refolding position of the reset fiber ,
A design method comprising:
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