Analisi dei processi produttivi di serbatoi in composito per lo stoccaggio di idrogeno gassoso ad alta pressione e sviluppo di un modello agli elementi finiti per la previsione della pressione di scoppio

In this thesis paper an overview about the state of the art of hydrogen storage systems for fuel cell vehicles is presented. In particular, the high-pressure storage systems for gaseous hydrogen based on composite pressure vessels are described. Then, a detailed analysis of the main manufacturing processes of these composite tanks is reported. Both commonly used processes (such as filament winding) and processes under development (such as braiding) are described. Next, a brief cost analysis of high-pressure composite pressure vessels is presented, followed by a presentation of the current standards. The second part of this research work is based on the development of two original tools for the designing of composite tanks: the first one is a simple tool for the quick importation of cylindrical tank geometry in FEA environment, with also the possibility of integration with the dome meridian profile analytical models; the second one is an algorithm for the damage simulation in composite material in finite element models and is based on the integration between the computational software MATLAB and the FEA software Abaqus. This damage model has been developed in order to predict the burst pressure and the failure mode of these composite pressure vessels. Finally, a case study of the application of this damage model is reported, followed by an experimental validation and the results discussion.

Nel presente lavoro di tesi è riportata una panoramica sullo stato dell’arte dei sistemi di stoccaggio dell’idrogeno per applicazioni su veicoli fuel cell. Sono descritti in dettaglio i sistemi per l’immagazzinamento di idrogeno gassoso ad alte pressioni, basati sull’utilizzo di particolari serbatoi in materiale composito. È riportata, in seguito, un’analisi approfondita dei principali processi produttivi per la realizzazione dei suddetti serbatoi, con la descrizione sia dei metodi comunemente impiegati, come il filament winding, sia di quelli alternativi in fase di studio, come il braiding. Segue una valutazione dei costi dei sistemi di stoccaggio basati su serbatoi in composito e una presentazione della normativa attualmente in vigore. La seconda parte del lavoro di ricerca qui proposto riguarda lo sviluppo di due strumenti originali per la progettazione di serbatoi in composito: il primo è un tool per la rapida importazione in ambiente FEM di geometrie arbitrarie di serbatoi cilindrici, con possibilità di integrare modelli analitici per la definizione del profilo di meridiana delle calotte; il secondo, più complesso, è un algoritmo per la simulazione del danneggiamento del materiale composito in modelli agli elementi finiti, basato sull’integrazione tra il software di calcolo MATLAB e il software di analisi FEM Abaqus, sviluppato al fine di prevedere la pressione di scoppio e la modalità di cedimento dei serbatoi in questione. Infine, viene riportato un esempio di applicazione del suddetto modello di danneggiamento ad un caso di studio, seguito da un confronto sperimentale e da valutazioni dei risultati ottenuti.