Hidrojen depolama tanklarının mekanik özelliklerinin belirlenmesi ve bilgisayar yardımı ile modellenmesi

Abstract

Bu tezde, liner olarak adlandırılan ve yüksek basınca dayanıklı kompozit hidrojen tüpü olarak kullanılan dikişsiz alüminyum tüplerin bilgisayar destekli tasarımı ve analizi yapılmıştır. Prototiplerin mekanik özellikleri ve mikroyapıları incelenmiştir. Bu çalışmada, tankların imalatında kullanılan 6000 serisi Al Mg Si alaşımı olan AA6061, AA6063 ve AA6082 malzemelerden üretilen tüplerin davranışları incelenmiştir. Tüplerin kalite standardlarını sağlayıp sağlayamadıkları incelenmiştir. Bu tez kısmi olarak Sanayi ve Ticaret Bakanlığının San-Tez (Sanayi Tezleri) Programı tarafından desteklenmiştir. Bu San-Tez 123 projesinde, Türkiye’de ilk kez yüksek basınca dayanıklı hidrojen depolama tanklarının ar-ge çalışmaları yapılmış ve prototipler üretilmiştir. 6000 serisi Al Mg Si alaşımı malzemelerle üretilen prototiplerin yüksek basınç altındaki davranışları bilgisayar destekli sonlu elemanlar analizi ile incelenmiştir. Her alaşım ile üretilen prototipler hidrostatik basınç testleri ile test edilmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tez kapsamında; AA6061, AA6063, AA6082 alaşımlarından yapılan her bir prototip için hidrostatik basınç testleri ve sonlu elemanlar analizleri ısıl işlemsiz, T4 ve T6 ısıl işlem durumlarına göre tekrarlanmıştır. Çekme deneyi için deney parçaları üretilmiş ve gerilme uzama diyagramları elde edilmiştir. Elde edilen veriler analiz için bilgisayar modeline girilmiştir. Ayrıca, plastik deformasyona uğrayan tankların yapılarındaki değişimi anlamak için mikroyapıları incelenmiştir. Sertlik dağılımlarına ve mikroskop görüntülerine bakılmıştır. XRD analizi ile içyapıda ısıl işleme bağlı olarak ortaya çıkan yapılar gözlemlenmiştir. Tahribatsız deneyler, radyografik muayene, sıvı penetrant testi, ultrasonik kalınlık ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Prototip tanklar bu testlerden elde edilen bilgi ile değerlendirilmiştir. Bu tezin ana hedefi dikişsiz alüminyum tüplerin mekanik özelliklerini bilgisayar modellerinin yardımıyla ve sonlu elemanlar yöntemleriyle belirlemektir. Ayrıca en ideal alaşım türü ve en uygun ısıl işlemi tespit etmekte hedeflenmiştir.

In this thesis, computer aided design and analysis of liners, seamless aluminum tubes used as high-pressure composite hydrogen storage tanks, are done. The mechanical properties and the microstructures of prototypes are examined. In this study, the beavior of tubes made from AA6061, AA6063 and AA6082 which are alloys of 6000 series used to manufacture tanks, are investigated. Tubes are examined whether they meet the quality standards. This thesis is partly supported by San-Tez (Industrial Thesis Program of the Ministry of Industry and Commerce). In this San-Tez 123 project, for the first time in Turkey, Research and Development studies of high-pressure hydrogen storage tanks are carried out and prototypes are manufactured. The behaviors of the prototype tanks made from 6000 series Al Mg Si alloys are analysed with the finite element methods under high pressure. The prototypes manufactured for each alloy are tested with hydrostatic pressure tests and both results are compared. In the scope of the thesis, for each prototype made from AA6061, AA6063, AA6082 alloys, the hydrostatic pressure tests and finite element analyses are repeated according to their heat-treatment status of No Treatment, T4 and T6. Tensile specimens are produced and the stress-strain curves are obtained. The data is inserted to the computer model to analyse. Moreover, the microstructures of the tanks after plastic deformation are examined to understand the variation in their structure. Hardness distribution and microscope images were inspected. The internal forms resulted due to the heat treatment are observed by XRD analysis. Non-destructive tests, radiographic examination, liquid penetrant testing and ultrasonic thickness measurements are done. The protoype tanks are evaluated in the light of the information obtained from these tests. The main purpose of the thesis is to determine the mechanical properties of seamless aluminum tubes by the help of computer modelling and finite element methods. Furthermore, it is also aimed to identify the most ideal alloy type and the most suitable heat treatment way.