Drop Test Performance of Type V Composite Hydrogen Storage Vessels: Comparative Analysis of Cylindrical, Spherical, and Toroidal Geometries. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc. Thesis - Abdullah Yahya.pdf Restricted to Repository staff only until 17 May 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

يعتمد الأمان في استخدام خزانات الهيدروجين المركّبة خفيفة الوزن من النوع الخامس بشكلٍ أساسي على قدرتها على تحمّل الصدمات الناتجة عن السقوط العرضي. وبينما تمت دراسة الخزانات الأسطوانية على نطاق واسع، لا تزال هناك فجوة معرفية كبيرة فيما يتعلق بأداء الخزانات الكروية والحلقية (التورويدية) تحت تأثير الصدمات. تتناول هذه الرسالة استجابة التأثير منخفض السرعة لخزانات من النوع الخامس مصنوعة من ألياف الكربون والإيبوكسي بأشكال أسطوانية وكروية وتورويدية، تحت اتجاهات سقوط أفقية ورأسية وبزاوية 45 درجة وفقًا للائحة التقنية العالمية رقم 13 (GTR No.13). تم تطوير نموذج العناصر المحدودة باستخدام برنامجAbaqus/Explicit مع عناصر S4R ومعيار Hashin لمحاكاة الفشل داخل الطبقات، مع التنويه إلى أنه لم يتم أخذ التلف بين الطبقات (الانفصال الطبقي) في الاعتبار في هذا النموذج. تمت دراسة تأثير كلٍّ من الشكل الهندسي واتجاه السقوط وتسلسلات الطبقات [±45/90/0]2s, [0/±45/90]2s, and [0/90]4s على حمل الصدمة، وتوزيع الإجهاد، وبداية الضرر وتطوّره، وامتصاص الطاقة. أظهرت النتائج أن اتجاه السقوط هو العامل الرئيسي الذي يتحكم في شدة التأثير، حيث تسببت الصدمات العمودية على القباب في أعلى تركّز للإجهاد، وكان السقوط العمودي للخزان التورويدي هو الأكثر خطورة. كما ثبت أن تسلسل الطبقات عامل تصميمي حاسم، إذ أظهر ترتيب [0/±45/90]2s أفضل أداءٍ متوازن، من خلال تحسين توزيع الإجهاد وتقليل الضرر مقارنةً بالترتيب [0/90]4s. وأظهرت دراسة الحالات المضغوطة أن الضغط الداخلي يعزّز بشكل ملحوظ مقاومة الصدمات من خلال إحداث إجهاد شدٍّ مسبقٍ مفيد، مما يعزّز هيمنة تلف المصفوفة على حساب فشل الألياف الكارثي. لخصت الدراسة إلى أن الشكل الهندسي يحدد ظروف الصدمة الأولية، في حين أن الاستخدام الاستراتيجي لطبقات ±45° ضروري للتقليل من الأضرار. وتوفر هذه النتائج رؤى أساسية لتصميم خزانات هيدروجين مركّبة أكثر أمانًا ومقاومةً للصدمات، مما يمهّد الطريق لتطويرها واعتمادها على نطاق أوسع

English Abstract

The safe deployment of lightweight Type V composite pressure vessels is critically dependent on their ability to withstand accidental drop impacts. While cylindrical vessels have been studied, a significant knowledge gap exists regarding the impact performance of spherical and toroidal geometries. This thesis investigates the low-velocity impact response of Type V carbon/epoxy vessels with cylindrical, spherical, and toroidal shapes under horizontal, vertical, and 45° angled drop orientations as per GTR No. 13. A finite element framework was developed in Abaqus/Explicit using S4R shell elements and the Hashin damage criterion to model intralaminar failure. Interlaminar damage (delamination) was not considered in the present model. The study systematically analyzed the effects of geometry, orientation, and stacking sequence ([±45/90/0]2s, [0/±45/90]2s, [0/90]4s) on impact load, stress distribution, damage initiation, progression, and energy absorption. Results demonstrate that drop orientation is the primary factor governing impact severity, with vertical and angled dome-impact orientations consistently emerging as the most critical scenarios, characterized by the highest stress concentrations and most extensive damage progression across the analyzed configurations. The stacking sequence is a crucial design factor; the [0/±45/90]2s laminate provided the most balanced performance, offering superior stress redistribution and reduction in damage severity to the [0/90]4s sequence. Internal pressure significantly enhances impact tolerance by inducing beneficial tensile pre-stress, promoting matrix-dominated damage over catastrophic fiber failure. While geometry dictates initial impact conditions, the strategic use of ±45° plies is essential for mitigating damage. This work provides vital insights for designing safer, more impact-resistant composite pressure vessels.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Research > Engineering Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Mariam Jaber,
Thesis Committee Members:	Necar Merah, Muhammad Hawwa,
Depositing User:	ABDULLAH YAHYA (g202301210)
Date Deposited:	17 May 2026 10:04
Last Modified:	17 May 2026 10:04
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144318