Optimisation du dimensionnement d'un réservoir composite type IV pour stockage très haute pression d'hydrogène

Design optimisation of a type IV high pressure hydrogen composite vessel

• Auteur / Autrice : David Leh
• Direction : Robert Arrieux, Philippe Saffré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance le 24/10/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique, SYMME (Annecy)
• Jury : Président / Présidente : Damien Halm
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Laurin, Stéphane Villalonga, Pascal Francescato
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Piotr Breitkopf, Alain Thionnet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation des structures

Réservoirs de stockage

Mots clés libres

Matériaux composites

Optimisation

Réservoir de stockage de l’hydrogène à haute pression

Modélisation

Enroulement filamentaire

Structuration

Composite materials

Optimisation

Hydrogen pressure vessel storage

Modelisation

Filament winding

Dome lay-up

Résumé

Ce travail a pour but de proposer une nouvelle approche du dimensionnement optimisé des réservoirs de stockage d’hydrogène de type IV visant à mieux répondre aux enjeux industriels. Les objectifs scientifiques et techniques consistent à disposer de modèles qualifiés pour la simulation du comportement de ces réservoirs, associés à des méthodologies de dimensionnement et d’optimisation fiables. La démarche s’appuie sur trois axes principaux :– proposer une démarche de conception prédictive en intégrant (i) un premier aspect lié à la ruine de la structure qui est la conséquence de mécanismes complexes et multiples d’endommagement s’initiant, s’accumulant et se développant dans un milieu anisotrope et (ii) des modèles de simulation de la structuration composite spécifique au procédé d’enroulement filamentaire, technologie employée largement dans la fabrication des réservoirs de stockage à haute pression. Leurs implémentations constituent une première avancée face à l’existant ;– choisir et évaluer les paramètres structuraux par une démarche d’optimisation où nous sommes amenés à utiliser (i) des méthodes de métamodélisation permettant de répondre aux contraintes de coûts, (ii) des méthodes spécifiques de tri et (iii) des méthodes à spectres larges qui recherchent des solutions sur une large population telles que des méthodes génétiques ;– qualifier la démarche dans sa globalité par une comparaison entre calculs et essais. Ainsi, la finalité de ce travail est de développer et valider des modèles et méthodes pour permettre de mieux concevoir, tester et fabriquer à moindre coût un réservoir avec une structure calculée optimisée.

The purpose of this study is to suggest a new way to design type IV high pressure hydrogen composite vessels to better fulfil industrial requirements. Developing suitable models for the comportment’s simulation of these vessels in relation with a reliable design method is the main scientific and technical aim. This approach relies on the three following lines :– perform a predictive design method using the most recent theoretical and numerical works investigated on composite materials and more specifically in taking into account (i) an essential aspect linked to the structural failure which is the consequence of the initiation, accumulation and propagation of complex damage mechanisms and (ii) the use of specific composite lay-up models related to the filament winding process, used for pressure vessels manufacturing. These approaches are significant breakthroughs compared with previous studies ;– choose and assess structural parameters with an optimisation approach where we use (i) surrogate methods to meet economic requirements, (ii) specific sorting methods and (iii) broad-spectrum methods such as genetic algorithm methods ;– approve of the whole approach by theoretical and experimental comparisons.The goal of the project will be to develop, provide and approve models to enable a better conception and industrialisation of an optimal high pressure vessel in relations with costs.