Investigation of the mechanical behavior and monitoring techniques for hydrogen pressure vessels when subject to extreme loading conditions

This study examines the damage mechanisms related to filament-wound carbon fibre composite pressure vessels when subjected to low-velocity impact (LVI) events. The rationale for this investigation stems from the increasing reliance on hydrogen as a sustainable energy source, necessitating the development of safe and efficient storage solutions. Composite pressure vessels (COPVs), especially those used for high-pressure hydrogen storage, are vulnerable to impact-related damage that can lead to various failure modes, including delamination, matrix cracking, and fibre breakage. A comprehensive methodology integrating experimental trials with numerical modelling was employed to investigate these damage mechanisms. The experimental phase involved subjecting composite vessels to low-velocity impacts using various impactor geometries. Simultaneously, numerical analysis was conducted through finite element modelling to simulate the associated damage processes. The numerical model, validated against experimental data, demonstrated robust predictive capabilities, effectively capturing the damage phenomena observed in the experimental trials. Key findings demonstrate that the geometry of impactors significantly affects damage distribution. Spherical impactors cause a mix of matrix damage, indentation, and delamination, while cylindrical impactors primarily lead to delamination. The study further emphasises the critical role of fibre orientation in damage behaviour, with delamination consistently occurring at interfaces between layers with a 90-degree fibre orientation and neighboring layers. This study emphasizes the effects of impactors and investigates advanced structural health monitoring (SHM) techniques for impact assessment. It introduces an innovative SHM methodology that integrates piezoelectric and fiber optic sensors. This combined approach aims to improve the accuracy of damage detection while minimizing false alarms, thereby providing a comprehensive framework for monitoring the structural integrity of composite pressure vessels. The findings from this research are crucial for enhancing safety protocols and design strategies, ensuring the reliability and performance of composite materials in practical applications.

Questo studio analizza i meccanismi di danneggiamento associati ai recipienti a pressione in composito di fibra di carbonio avvolta a filamento, quando sono sottoposti a eventi di impatto a bassa velocità (LVI). La motivazione alla base di questa indagine deriva dalla crescente dipendenza dall’idrogeno come fonte di energia sostenibile, che rende necessario lo sviluppo di soluzioni di stoccaggio sicure ed efficienti. I recipienti a pressione compositi (COPV), in particolare quelli impiegati per lo stoccaggio ad alta pressione dell’idrogeno, sono vulnerabili a danni da impatto che possono causare diverse modalità di cedimento, tra cui delaminazione, fessurazione della matrice e rottura delle fibre. È stata adottata una metodologia completa che integra prove sperimentali e modellazione numerica per indagare tali meccanismi di danneggiamento. La fase sperimentale ha previsto l’applicazione di impatti a bassa velocità su recipienti compositi utilizzando diverse geometrie di impattatore. Parallelamente, è stata condotta un’analisi numerica mediante modellazione agli elementi finiti per simulare i processi di danneggiamento associati. Il modello numerico, validato tramite dati sperimentali, ha dimostrato elevate capacità predittive, riuscendo a riprodurre efficacemente i fenomeni di danneggiamento osservati durante le prove. I risultati principali evidenziano che la geometria degli impattatori influisce significativamente sulla distribuzione dei danni. Gli impattatori sferici causano una combinazione di danneggiamento della matrice, indentazione e delaminazione, mentre quelli cilindrici generano prevalentemente delaminazione. Lo studio sottolinea inoltre il ruolo critico dell’orientamento delle fibre nel comportamento del danno, rilevando che la delaminazione si verifica sistematicamente alle interfacce tra strati con orientamento delle fibre a 90 gradi e strati adiacenti. Lo studio pone enfasi anche sugli effetti degli impattatori e indaga tecniche avanzate di monitoraggio della salute strutturale (SHM) per la valutazione dell’impatto. Viene introdotta una metodologia SHM innovativa che integra sensori piezoelettrici e a fibra ottica. Questo approccio combinato mira a migliorare la precisione nel rilevamento dei danni riducendo al contempo i falsi allarmi, offrendo così un quadro completo per il monitoraggio dell’integrità strutturale dei recipienti a pressione in composito. I risultati di questa ricerca sono fondamentali per migliorare i protocolli di sicurezza e le strategie di progettazione, garantendo l’affidabilità e le prestazioni dei materiali compositi nelle applicazioni pratiche.