Modelación numérica por elementos finitos de un recipiente a presión cilíndrico de material compuesto

Abstract

A nivel industrial, se usan recipientes a presión para ejecutar diversos servicios, desde almacenar gases a altas presiones, transportar líquidos, intercambiadores de calor, tuberías, tanques de combustible, fuselajes, calderas entre otros. La presión aplicada al recipiente depende del tipo de uso, su geometría puede ser cilíndrica o esférica, comúnmente se fabrican en aceros aleados, pese a que este material es pesado y vulnerable a la corrosión. En la actualidad, se estudian los materiales compuestos, que presentan alta resistencia, sin problemas de corrosión y bajo peso. En un material compuesto, hay un material simple que es más ligero y resistente que hace las veces de matriz, y se une con material fibra de resistencia mayor, su combinación da lugar al compuesto. Esta tesis de investigación estudia los esfuerzos que experimenta un recipiente a presión cilíndrico vertical, hecho de un material compuesto de matriz metálica de aluminio y fibras de boro, y se compara con un recipiente de acero. El material compuesto consta de tres capas, cada capa con una participación de un tercio, se diseñó empleando la teoría de mezclas serie/paralelo, una importante teoría que permite predecir el comportamiento del compuesto y obtener una matriz constitutiva del mismo. Se crearon dos modelos para calibración de parámetros, con la teoría de mezclas serie/paralelo se diseñó el material compuesto y se estimaron los esfuerzos teóricamente, que posteriormente se compararon con los resultados obtenidos en las herramientas de análisis por elementos finitos en APDL. Con la teoría de membrana en cáscaras, se estimaron teóricamente los esfuerzos tangenciales y longitudinales a una presión interna de 15 MPa, se contrastaron con los resultados del modelo en acero y el modelo en el material compuesto calibrado. De los resultados, se identificó mejor rendimiento del recipiente a presión en material compuesto frente al recipiente a presión de acero, se estimó una reducción del peso total en el modelo en material compuesto respecto al modelo en acero y adicionalmente se eliminó la vulnerabilidad a la corrosión. Finalmente, se concluye que, sí se cumplieron con los objetivos propuestos al inicio de la investigación, aportando una metodología de análisis que aplica teoría con modelado numérico en conjunto para el análisis y puede ser fácilmente replicada por otros estudios. (Texto tomado de la fuente)

At an industrial level, pressure vessels are used to perform various services, from storing gases at high pressures, transporting liquids, heat exchangers, pipes, fuel tanks, fuselages, boilers, among others. The pressure applied to the container depends on the type of use, its geometry can be cylindrical or spherical, they are commonly made of alloy steel, despite the fact that this material is heavy and vulnerable to corrosion. At present, composite materials are being studied, which present high resistance, without corrosion problems and low weight. In a composite material, there is a simple material that is lighter and more resistant than acts as a matrix, and joins with fiber material of greater resistance, their combination gives rise to the composite. This research thesis studies the stresses experienced by a vertical cylindrical pressure vessel, made of a composite material of aluminum metal matrix and boron fibers, and compares it with a steel vessel. The composite material consists of three layers, each layer with a participation of one third, was designed using the series/parallel mixing theory, an important theory that allows predicting the behavior of the composite and obtaining a constitutive matrix of it. Two models were created for parameter calibration, with the theory of series/parallel mixtures, the composite material was designed and the efforts were estimated theoretically, which were later compared with the results obtained in the finite element analysis tools in APDL. With the shell membrane theory, the tangential and longitudinal stresses at an internal pressure of 15 MPa were theoretically estimated, contrasted with the results of the steel model and the model in the calibrated composite material. From the results, a better performance of the pressure vessel in composite material was identified compared to the steel pressure vessel, a reduction in total weight was estimated in the model in composite material compared to the model in steel and additionally the vulnerability to corrosion was eliminated. Finally, it is concluded that the objectives proposed at the beginning of the investigation were met, providing an analysis methodology that applies theory with numerical modeling together for the analysis and can be easily replicated by other studies.