Diseño a fa*ga de un tanque de almacenamiento de hidrogeno *po III mediante MEF

Transcripción

1 División de Ingenierías Campus Irapuato Salamanca Diseño a fa*ga de un tanque de almacenamiento de hidrogeno *po III mediante MEF Elías Ledesma Orozco Eduardo Aguilera Gómez César Octavio Romo de la Cruz Salvador Aceves Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca Valle de Santiago km km, Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Gto., México Teléfono: , ext

2 Contenido o Introducción o Diseño o FEM o Resultados o Conclusiones

3 Introducción Lower Fraser Valley, Canada Los Angeles, USA Mexico City, Mexico London, UK 08/12/16 3

4 Introducción 08/12/16 4

5 Introducción 08/12/16 5

6 Introducción 08/12/16 6

7 Introducción Source: STORHY 08/12/16 7

8 Introducción 08/12/16 8

9 Introducción 08/12/16 9 Source: STORHY

10 Introducción 08/12/16 10

11 Introducción H 2 O 08/12/16 11

12 Introducción El desarrollo de los materiales compuestos ha cons*tuido una revolución para el desarrollo y aplicación de diversos productos. 08/12/16 12

13 Introducción En la industria automotriz también se han empleado los materiales compuestos para aumentar la resistencia en tanques para hidrógeno. Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3 Tipo 4 Clasificación de tanques para hidrógeno [1]. Los requerimientos de diseño son soportar bajas temperaturas (hasta 20K) y altas presiones (más de 240bar) [2,3]. [1] D. chapplelle and D. Perreux, "Optimal design of a type 3 hydrogen vessel: Part I-Analytic modelling of the cylindrical section. [2] S. M. Aceves, "Vehicular storage of hydrogen in insulated pressure vessels". [3] S. M. Aceves, 08/12/16 "Safe, long range, inexpensive and rapidly refuelable hydrogen vehicles with cryogenic pressure vessels"

14 Introducción El DoE de Estados Unidos establece como objetivos a conseguir en el almacenamiento de hidrógeno al menos una eficiencia en peso del 7.5%, o expresado en densidad, 70 g H2/L [20] para satisfacer una autonomía de 500 km Learning Demo muestran los rangos de 138 vehículos con sistemas de 350-bar y 700- bar. **Objetivos 08/12/ pospuestos a

15 Introducción Almacenamiento de hidrógeno líquido criogénico comprimido (CcH2) 08/12/16 15

16 Introducción TIPOS DE TANQUES 08/12/16 16

17 Diseño El diseño de un tanque tipo 3 comienza con un cilindro metálico con extremos elípticos. El material compuesto es aplicado al tanque por filamentos tejidos en dirección helicoidal y en hoop 08/12/16 17

18 Diseño Perfil isotensoide 3 xdx y= + C ( 1 x )( x a1)( x a2) Espesor en domos t R cosα 0 i = t0 xi cosαi Esfuerzos en el tanque P σ x ε x σ y = [ Qt] εy τ γ xy xy σ1 ε1 ε x -1 σ2 = [ Q] ε2 = [ Q][ R][ T] R εy τ γ γ xy yield 2σ yp = l l l l ( σh σa) + ( σh) + ( σa) Orientación de las fibras Q E ν E ν 1 ν ν E E 1 ν 1 ν 0 0 t = [ ε ] { } X 0 a1 = X X 0 a2 = X 0 0 G pr /2 1 1 = A N = A pr 0 {( 21 Δ 22 )( ε ε )} 1 P = P + A R + A r ult y c e c ult hy N [ A] = Q ( zk zk 1) 1 =( i 0 )( y 0.7R/L 1.4R = sen 1 )+( x i i / x 0 ) k = 1 k El fenómeno físico se basa en la formulación matemática del problema en relación a condiciones asociadas a las cargas presentes para la determinación de los espesores iniciales y los esfuerzos presentes 08/12/16 18

19 Diseño En el diseño y análisis para la determinación de los espesores iniciales se supone que las deformaciones en el liner y el material compuesto son iguales. Diagrama de flujo código obtener espesores 08/12/16 19

20 Diseño Valores de diseño del tanque Resultado (geometría en base a códigos desarrollados) Perfil isotensoide Espesor en los domos 08/12/16 20

21 Modelo de elemento finito 08/12/16 21

22 Modelo de elemento finito en cada nodo. SOLID186 compuesto por veinte nodos y tres grados de libertad Propiedades para simulación de plasticidad y grandes deformaciones. 08/12/16 22

23 Modelo de elemento finito Para la simulación se realizaron cuatro 08/12/16 23

24 Modelo de elemento finito (E) El autofrettage es una técnica elasto-plástica para incrementar la capacidad de soportar presiones internas de los recipientes (revestimiento metálico) 08/12/16 24

25 Modelo de elemento finito Geometría con los perfiles y secciones de áreas necesarias para el macro en ANSYS 08/12/16 25

26 Modelo de elemento finito 08/12/16 26

27 Modelo de elemento finito Contactos generados (CONTACT174 TARGET170) 08/12/16 27

28 Resultados Resultados (ciclo 1) Tabla. Deformación plástica en el revestimiento metálico εaxial εhoop εvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Esfuerzo en el revestimiento metálico σaxial σhoop σvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step /12/16 28

29 Resultados Resultados (ciclo 1) Tabla. Esfuerzo en el material compuesto capa Hoop Criterio Máximo esfuerzo σhoop Media Desviación estándar X T % de Desviación Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Deformación en el material compuesto capa Hoop Criterio deformación Máxima εhoop Media Desviación estándar X εt % de Desviación Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step /12/16 29

30 Resultados 08/12/16 30

31 Resultados Resultados (ciclo 2) 08/12/16 31

32 Resultados Resultados (ciclo 2) Tabla. Deformación plástica en el revestimiento metálico εaxial εhoop εvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Esfuerzo en el revestimiento metálico σaxial σhoop σvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Esfuerzo en el material compuesto capa Hoop σhoop Criterio Máximo esfuerzo Media Desviación estándar XT % de Desviación Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Deformación en el material compuesto capa Hoop Criterio deformación Máxima εhoop Media Desviación estándar X εt % de Desviación Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step /12/16 32

33 Resultados Resultados (ciclo 2) Tabla. Esfuerzo en el revestimiento metálico σaxial σhoop σvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Tabla. Esfuerzo en el material compuesto capa Hoop σhoop Criterio Máximo esfuerzo Media Desviación estándar XT % de Desviación Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step /12/16 33

34 Resultados Resultados (ciclo 3) 08/12/16 34

35 Resultados Resultados (ciclo 3) Tabla. Deformación plástica en el revestimiento metálico εaxial εhoop εvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step Load Step /12/16 35

36 Resultados Evaluación de fatiga Esfuerzo alternante Número de ciclos N =10 X S alt KfKe( Smin Smax ) = 2 C + CY + CY + C Y + CY + C Y E FC X = Y = Salt ET CY 2 CY 4 CY 6 CY 8 C10Y N = ciclos Tabla: Número de ciclos Número Número de de nodo ciclos Salt(psi) Coeficientes EFC=28300 psi E E E E E /12/16 36

37 Conclusiones La simulación del caso 1 establece el procedimiento a temperatura ambiente, sin embargo, en el uso real las temperaturas criogénicas del modelo inducen a mayores esfuerzos y deformaciones El caso 2, presenta el ciclo de carga que actualmente se utiliza para hacer el procedimiento de cedencia del tanque para el aumento en la capacidad de carga y con las presiones y temperaturas debidas al ciclo de trabajo del tanque de almacenamiento Las simulaciones del proceso de autofrettage a temperatura criogénica (ciclo 3) presenta inconvenientes, debido a que estas simulaciones presentan deformaciones plásticas en los pasos de carga posterior al primer paso de carga, por lo que son descartadas como posibles alternativas para aumentar la capacidad de carga del tanque de almacenamiento. 08/12/16 37

38 Conclusiones En el material compuesto, las capas en dirección hoop son Haga las capas clic que para presentan modificar los esfuerzos y deformaciones mayores. Si bien el esfuerzo máximo presente el en el estilo paso de carga de 1 título está muy del por debajo del límite de ruptura del material. El diseño cumple con las pruebas de fatiga de los sistemas de almacenamiento SAE J2579 Además cumple con el código ASME Boiler & Pressure Vessel Code Section VIII 08/12/16 38

39 Gracias! Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca Valle de Santiago km km, Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Gto., México elias@ugto.mx 08/12/16 39

40 Diseño Propiedades AISI316 Propiedades T700/DCPD Propiedades mecánicas Módulo axial E x10 7 psi Módulo transversal E x10 6 psi Módulo transversal E x10 6 psi Coeficiente de Poisson ν Coeficiente de Poisson ν Coeficiente de Poisson ν Módulo cortante G x10 5 psi Módulo cortante G x10 5 psi Módulo cortante G x10 5 psi Deformación ultima de la fibra Propiedades térmicas Coeficiente de expansión lineal x 9.68E-008 Coeficiente de expansión lineal y 1.59E-005 Coeficiente de expansión lineal z 1.59E-005 El tanque está conformado por un liner metálico de acero AISI316 reforzado con un material compuesto de fibra de carbono T700/ DCPD. Como todo fenómeno físico, la formulación matemática del problema en base a condiciones asociadas a las cargas presentes sirven para la determinación de los espesores iniciales y los esfuerzos presentes. En el diseño y análisis para la determinación de los espesores iniciales se supone que las deformaciones en el liner y el material compuesto son iguales. Resultado (geometría en base a códigos desarrollados) Perfil isotensoide Espesor en los domos 08/12/16 40

41 Resultados uso en vehículos personales La norma SAEJ2579 establece una serie de pruebas las cuales deben de satisfacer los sistemas de almacenamiento para la validación del diseño. A. Para sistemas de almacenamiento para a. El número de ciclos de pruebas de durabilidad = 3 x L / R, pero no menos de 5500 B. Para sistemas de almacenamiento para uso en vehículos comerciales con un uso intensivo a. El número de ciclos de pruebas de durabilidad = 750 x años de servicio, pero no menos de 3 x L / R, y no menos de 11,250 08/12/16 41