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. 3.5 + 1.8 km, Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Gto., México Teléfono: 01 464 64 79940, ext. 2363.
Contenido o Introducción o Diseño o FEM o Resultados o Conclusiones
Introducción Lower Fraser Valley, Canada Los Angeles, USA Mexico City, Mexico London, UK 08/12/16 3
Introducción 08/12/16 4
Introducción 08/12/16 5
Introducción 08/12/16 6
Introducción Source: STORHY 08/12/16 7
Introducción 08/12/16 8
Introducción 08/12/16 9 Source: STORHY
Introducción 08/12/16 10
Introducción H 2 O 08/12/16 11
Introducción El desarrollo de los materiales compuestos ha cons*tuido una revolución para el desarrollo y aplicación de diversos productos. 08/12/16 12
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". 13 13
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 08/12/16 2015 pospuestos a 2020 14
Introducción Almacenamiento de hidrógeno líquido criogénico comprimido (CcH2) 08/12/16 15
Introducción TIPOS DE TANQUES 08/12/16 16
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
Diseño Perfil isotensoide 3 xdx y= + C 12 2 2 2 ( 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 12 12 xy yield 2σ yp 2 2 2 12 = l l l l ( σh σa) + ( σh) + ( σa) Orientación de las fibras Q E ν E 2 2 1 ν 1 ν ν E E 1 ν 1 ν 0 0 t = 0 2 2 [ ε ] { } 12 2 1 1+ 4X 0 a1 = 1 2 2 1 X 0 12 2 1 1+ 4X 0 a2 = 1 2 + 2 1 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
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
Diseño Valores de diseño del tanque Resultado (geometría en base a códigos desarrollados) Perfil isotensoide Espesor en los domos 08/12/16 20
Modelo de elemento finito 08/12/16 21
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
Modelo de elemento finito Para la simulación se realizaron cuatro 08/12/16 23
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
Modelo de elemento finito Geometría con los perfiles y secciones de áreas necesarias para el macro en ANSYS 08/12/16 25
Modelo de elemento finito 08/12/16 26
Modelo de elemento finito Contactos generados (CONTACT174 TARGET170) 08/12/16 27
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 1 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 2 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 3 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 4 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 5 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 6 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Load Step 7 0.001436 0.000854 0.001516 0.000944 0.003301 0.001254 Tabla. Esfuerzo en el revestimiento metálico σaxial σhoop σvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step 1 44873 9391 44774 7067 52985 4871 Load Step 2-14178 5886-30096 10936 30162 6918 Load Step 3 17585 5032 12631 4471 21219 4797 Load Step 4 23176 5804 19135 3372 27485 4540 Load Step 5-12837 6859-29338 7889 27499 6703 Load Step 6 23176 5804 20667 6091 27485 4540 Load Step 7-14586 6265-32345 7958 30161 6917 08/12/16 28
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 1 71975 936 319000 77.43 Load Step 2 28315 1257 319000 91.12 Load Step 3 52708 1036 319000 83.4 Load Step 4 56810 1008 319000 82.19 Load Step 5 29933 1240 319000 90.61 Load Step 6 56810 1008 319000 82.19 Load Step 7 28314 1257 319000 91.12 Tabla. Deformación en el material compuesto capa Hoop Criterio deformación Máxima εhoop Media Desviación estándar X εt % de Desviación Load Step 1 0.003045 0.000041 0.0174 82.5 Load Step 2 0.001199 0.000054 0.0174 93.10 Load Step 3 0.002231 0.000045 0.0174 87.17 Load Step 4 0.002404 0.000044 0.0174 86.18 Load Step 5 0.001268 0.000053 0.0174 92.71 Load Step 6 0.002404 0.000044 0.0174 86.18 Load Step 7 0.001199 0.000054 0.0174 93.10 08/12/16 29
Resultados 08/12/16 30
Resultados Resultados (ciclo 2) 08/12/16 31
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 1 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 2 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 3 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 4 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 5 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 6 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 7 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Load Step 8 0.001274 0.000724 0.002034 0.000563 0.003518 0.000790 Tabla. Esfuerzo en el revestimiento metálico σaxial σhoop σvon Mises Media Desviación Desviación Desviación Media Media estándar estándar estándar Load Step 1 46600 11563 49290 7253 56764 3591 Load Step 2-10012 3366-26355 7016 24612 4811 Load Step 3-3334 1110-1900 684 5375 4826 Load Step 4 28623 8119 58692 11763 54390 8121 Load Step 5 33540 9044 65997 12977 61751 8114 Load Step 6-1321 2711 3394 2305 5545 3753 Load Step 7 23822 5251 16273 4687 25484 2924 Load Step 8-14911 7670-31771 17467 34989 6688 Tabla. Esfuerzo en el material compuesto capa Hoop σhoop Criterio Máximo esfuerzo Media Desviación estándar XT % de Desviación Load Step 1 65091 593 319000 79.60 Load Step 2 21333 430 319000 93.31 Load Step 3 7765 940 319000 97.57 Load Step 4 6468 407 319000 97.97 Load Step 5 6610 390 319000 97.93 Load Step 6 7786 946 319000 97.56 Load Step 7 59816 563 319000 81.25 Load Step 8 33501 720 319000 89.50 Tabla. Deformación en el material compuesto capa Hoop Criterio deformación Máxima εhoop Media Desviación estándar X εt % de Desviación Load Step 1 0.002393 0.000267 0.0174 86.25 Load Step 2 0.001298 0.000151 0.0174 92.54 Load Step 3 0.005913 0.000529 0.0174 66.02 Load Step 4 0.006406 0.000387 0.0174 63.18 Load Step 5 0.006505 0.000370 0.0174 62.61 Load Step 6 0.005933 0.000527 0.0174 65.90 Load Step 7 0.001394 0.000247 0.0174 91.99 Load Step 8 0.000536 0.000183 0.0174 96.92 08/12/16 32
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 1 46600 11563 49290 7253 56764 3591 Load Step 2-10012 3366-26355 7016 24612 4811 Load Step 3-3334 1110-1900 684 5375 4826 Load Step 4 28623 8119 58692 11763 54390 8121 Load Step 5 33540 9044 65997 12977 61751 8114 Load Step 6-1321 2711 3394 2305 5545 3753 Load Step 7 23822 5251 16273 4687 25484 2924 Load Step 8-14911 7670-31771 17467 34989 6688 Tabla. Esfuerzo en el material compuesto capa Hoop σhoop Criterio Máximo esfuerzo Media Desviación estándar XT % de Desviación Load Step 1 65091 593 319000 79.60 Load Step 2 21333 430 319000 93.31 Load Step 3 7765 940 319000 97.57 Load Step 4 6468 407 319000 97.97 Load Step 5 6610 390 319000 97.93 Load Step 6 7786 946 319000 97.56 Load Step 7 59816 563 319000 81.25 Load Step 8 33501 720 319000 89.50 08/12/16 33
Resultados Resultados (ciclo 3) 08/12/16 34
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 1 0 0 0 0 0 0 Load Step 2 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 3 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 4 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 5 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 6 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 7 0.003005 0.000633 0.008130 0.001115 0.011777 0.001811 Load Step 8 0.003326 0.000959 0.006468 0.000793 0.010642 0.001885 08/12/16 35
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 1 + + + + + ET 2 3 4 5 1 3 5 7 9 11 2 3 4 5 CY 2 CY 4 CY 6 CY 8 C10Y N = 26383 ciclos Tabla: Número de ciclos Número Número de de nodo ciclos Salt(psi) 393 25630 59497 432 26080 59356 476 25310 59601 809 24620 59828 841 24900 59734 883 24090 60003 3600 30980 57976 3616 25870 59423 3638 25530 59531 3678 52460 39380 Coeficientes EFC=28300 psi 1 2.114025E+01 2 1.536993E-01 3 4.487599E-01 4 3.651302E-04 5-8.981314E-05 6-11 0 08/12/16 36
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
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
Gracias! Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8 km, Comunidad de Palo Blanco, Salamanca, Gto., México elias@ugto.mx 08/12/16 39
Diseño Propiedades AISI316 Propiedades T700/DCPD Propiedades mecánicas Módulo axial E1 2.3436x10 7 psi Módulo transversal E2 1.008 x10 6 psi Módulo transversal E3 1.008 x10 6 psi Coeficiente de Poisson ν12 0.25245 Coeficiente de Poisson ν23 0.41849 Coeficiente de Poisson ν13 0.25245 Módulo cortante G12 4.648 x10 5 psi Módulo cortante G23 3.5532 x10 5 psi Módulo cortante G13 4.648 x10 5 psi Deformación ultima de la fibra 0.014 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
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