Análise Estrutural de Cilindros Revestidos de Compósitos para Armazenamento de GNV. Autor: Fernando F. M. Corrêa de Guamá Abril

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1 Análise Estrutural de Cilindros Revestidos de Compósitos para Armazenamento de GNV. Autor: Fernando F. M. Corrêa de Guamá Abril

2 Projeto final de Graduação apresentado a banca do corpo docente do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ, em setembro de 2012; Banca: Lavinia Maria Sanabio Alvez, PhD. Nestor Alberto Zouain Pereira, PhD. Fernando Pereira Duda, PhD. Projeto vinculado ao programa PRH-ANP 37: Engenharia Mecânica para o Uso Eficiente de Biocombustíveis.

3 Agenda Introdução Compósitos Vasos de Pressão 4 Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 6 Conclusão e Propostas Futuras

4 1 - Introdução O gás natural é uma fonte de energia alternativa amplamente usado no meio industrial, residencial e veicular; O Brasil possui a segunda maior frota de veículos movidos com GNV, perdendo só para a Argentina; Segundo o Banco Mundial, para cada milhão de metro cúbico de gás natural usado em substituição ao óleo combustível há uma economia de R$ 80 mil em saúde pública. (Conforme critérios da ISO *) Redução de Poluentes MP*(Kg) SO2(Kg) CO2(Kg) Antes Com GNV Redução 94% 99% 27% Fonte: < * material particulado Dados de 2002

5 1 Introdução Reservatórios completamente metálicos chegam a ser até 3 vezes mais pesados do que os revestidos com compósitos; O elevado peso do cilindro e sua disposição geométrica diminui a potência do veículo e aumenta o trabalho nos amortecedores; Relação tipo de revestimento com compósito X custo do equipamento. Pressão de Serviço (bar) Capacidade Líquida (L) Peso Vazio (kg) Preço (Euro) Tipo I Tipo II Tipo III Adaptado de: <

6 1 - Introdução Objetivo: Analisar a estrutura dos cilindros de armazenamento de GNV, tipo III (conforme a ISO 11439:2000), empregando tanto a metodologia de dimensionamento analítico quanto numérico, desenvolvida em elementos finitos.

7 Agenda 1 2 Introdução Compósitos 2.1 Aspectos da Micro e Macromecânica 2.2 Análise de Falha 3 Vasos de Pressão 4 Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 6 Conclusão e Propostas Futuras

8 2.1 Aspectos Micro e Macromecânicos Micromecânica é o estudo que visa determinar e compreender as interações entre os materiais constituintes do compósito, além de obter as propriedades do mesmo de uma forma homogênea, (geralmente anisotrópico). Princípio da ação combinada Regra da mistura. RVE (Representative Volume Element)

9 2.1 Aspectos Micro e Macromecânicos Macromecânica: Estado de tensões em um elemento infinitesimal: Onde C s: componentes de rigidez Este mesmo tensor pode ser escrito em uma forma compacta:

10 2.1 Aspectos Micro e Macromecânicos Para materiais ortotrópicos o tensor de rigidez fica: Para compósitos laminados finos sob carregamento no plano do laminado, ou seja, estado plano de tensões, podemos usar o seguinte tensor:

11 2.2 Análise de Falha Critério de Máxima Tensão: Critério de falha que prevê a falha quando ao menos uma das tensões nas coordenadas do material excede o valor experimental correspondente de resistência. Critério polinomial de Hill: Critério de Von Mises modificado.

12 2.2 Análise de Falha Critério de Tsai-Hill: Critério de falha para compósitos que utiliza o modelo proposto por Hill e modificado por Tsai para uma expressão quadrática completa do envoltório da falha. Critério de Tsai-Wu: Critério de falha para compósitos que aumenta o número de termos na equação do critério de Hill com vista em melhor aproximar os dados experimentais.

13 Agenda Introdução Compósitos Vasos de Pressão 3.1 Normas e Códigos 3.2 Projeto de Cilindro tipo I 3.3 Projeto de Cilindro tipo III 3.4 Filament Winding 4 Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 6 Conclusão e Propostas Futuras

14 3.1 Normas e Códigos Normas de projeto e dimensionamento: ASME seção VIII divisões 1 3; BS Specification for the Design and Construction of Vessels and Storage Tanks in Reinforced Plastics; BS PD 5500:2006 Unfired Fusion Welded Pressure Vessels; BS EM 13445:2002 Unifired Pressure Vessels; CSA B51 Boiler, Pressure Vessel and Pressure Piping Code Normas instrutivas: ISO 11439:2000 Gas Cylinder: High Pressure Cylinders for the On-board Storage of Natural Gas as Fuel for Automotive Vehicles; ISO 4705 Refilable Seamless gas Cylinders.

15 3.1 Normas e Códigos ABNT NBR 12790:1995 Classe 1: Capacidade menor que 450 L e pressão de serviço mínima de 3,2 Mpa; Classe 2: Capacidade maior de 450 L e pressão de serviço maior que 3,2 Mpa; Classe 3: Cilindros destinados ao armazenamento de GNV como combustível veicular. ISO 11439:2000 Tipo I: Cilindros totalmente metálicos; Tipo II: Cilindros de metal recobertos por compósitos na região anular; Tipo III: Cilindros de metal recobertos por compósitos em toda a sua região; Tipo IV: Cilindros totalmente compósitos.

16 3.1 Normas e Códigos ISO 11439:2000 prevê: Pressão de serviço (bar) Pressão de teste (bar) Pressão de estouro (bar)* Tipo I Tipo II Tipo III ** * Considerando somente a condição para fibras de vidro. ** Deve ser analisada a relação de tensão x deformação por métodos numéricos. Em adição a tabela acima, os selantes metálicos dos tipos II e III deve suportar uma pressão de estouro mínima de 260 bar. Considerações do projeto: Cilindros com espessura de parece constante ao longo do seu perfil; Não dimensionamento do bocal.

17 3.2 - Projeto de Cilindro tipo I ASME VIII divisão : Onde: t min = D i 2 e Pp S y 1 t min = espessura mínima de parede D i = diâmetro interno P p = pressão de projeto S y = limite de escoamento do mateiral Von Mises: σ VM = (σ 1 σ 2 ) 2 +(σ 1 σ 3 ) 2 + (σ 2 σ 3 ) = Sy Onde: σ 1 =σ L = 2σ 2 = 2σ 2 = P p r m t r m = raio médio

18 3.2 - Projeto de Cilindro tipo I Calota Semi-elíptica com razão 2:1 apresenta o melhor comportamento para os parâmetros do projeto (espessura não varia). ASME VIII divisão I Apêndice 1-4 (c): t min = P p D i K 2SE 0,2P p Onde: K = D i 2h 2 Von Mises: σ 2 = P p r m 2t σ 1 = P p(r 2 r 2 ) 2t[ R 2r +R]

19 3.3 Projeto de Cilindro tipo III Conforme Gay, Hoa e Tsai (2003) a espessura mínima da camada de compósito para um revestimento total pode ser determinado por: σ x1 = σ l1 cos 2 α 1 σ y1 = σ c1 sin 2 α 2 τ xy1 = cos 2 α 1 sin 2 α 2 σ l1 Fazendo α 2 = 90 temos: t 1f = P p r m 2σ l1 cos 2 α 1 t 2f = P pr m 1 tan2 α 1 σ l2 2 Como t f =t 1f + t 2f, então: t lam = t f v f

20 3.4 Filament Winding Enrolamento filamentar (filament winding): Enrolamento sob tensão de fibras contínuas pré-impregnadas de resina ou fibras molhadas com resina durante o enrolamento em torno de um mandril em rotação ate que a superfície do mandril esteja coberta e a espessura requerida seja atingida Polar Anular Helicoidal

21 3.4 Filament Winding

22 Agenda Introdução Compósitos Vasos de Pressão Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 6 Conclusão e Propostas Futuras

23 4 - Parâmetros de Projeto Modelagem baseada na simetria longitudinal e radial; Materiais modelados como perfeitamente plástico, conforme ASME VIII seção II parte 5; Fibras envolvidas em padrão [54,7,-54,7 ]; Modelagem em cascas.

24 4 - Parâmetros de Projeto Shell 281 Possui 8 nós de integração (I, J, K, L, M, N, O e P); Permite a formação de malha tanto hexaédrica quanto tetraédrica; Permite a modelagem em camadas com propriedades distintas; Assume composição de materiais isotrópicos e ortótropos; Baseada no modelo de Reissner- Mindlin.

25 4 - Parâmetros de Projeto Propriedades da liga de aço utilizada (30 CrMo): Fonte: Daniel e Ishai (2003)

26 4 - Parâmetros de Projeto Propriedades da fibra de vidro/epóxi: Fonte: Daniel e Ishai (2003)

27 1 2 3 Introdução Compósitos Vasos de Pressão 4 Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 5.1 Caso 1: Cilindro tipo I 5.2 Caso 3: Cilindro tipo III Comparação dos Resultados Conclusão e Propostas Futuras

28 5.1 Caso 1: Cilindro tipo I Malha e Carregamento (Condição de Estouro): Diâmetro interno: 340 mm Comprimento interno: 840 mm Espessura de parede: 8,6 mm Peso vazio: 79 kg

29 Caso 1: Cilindro tipo I Tensão de Von Mises: Máximo valor obtido: 818,18 Mpa Limite de Escoamento: 834 MPa

30 Caso 1: Cilindro tipo I Deformação Máxima: Máximo valor obtido: 0, mm/mm (0,3%)

31 5.2 Caso 3: Cilindro tipo III Malha e Carregamento (Condição de Estouro): Diâmetro interno: 340 mm Comprimento interno: 840 mm Espessura de parede: 6,6 mm (aço) + 4,1 mm (fibra de vidro/epóxi) Peso vazio: 38 kg

32 5.3 - Caso 3: Cilindro tipo III Tensão de Von Mises (condição de esturo): Máximo valor obtido: 771,74 Mpa Limite de Escoamento: 834 Mpa (aço) Critério de falha de Tsai-Hill: 0,9268

33 5.2 - Caso 3: Cilindro tipo III Deformação: Máximo valor obtido: 0, mm/mm (0,9%)

34 5.2 Cilindro tipo III Tensão de Von Mises (260 bar): Máximo valor obtido: 776,6 Mpa Limite de Escoamento: 834 MPa (aço)

35 5.3 -Comparação dos Resultados Tipo I 30 CrMo Tipo III 30 CrMo Fibra vidro/ep óxi Espessur a metálica (mm) Espessur a compósit o (mm) Pressã o Aplicad a (Mpa) Tensão de Von Mises máxima no cilindro (Mpa) Tensão de Von Mises máxima no cilindro (Mpa) Deformaçã o (mm/mm) Peso (kg) 8, ,28 0,3 % 79 6,6 4, ,74 (434,64) 771,74 1 % 38

36 Agenda Introdução Compósitos Vasos de Pressão 4 Parâmetros de Projeto 5 Estudo de Caso 6 Conclusão e Propostas Futuras

37 Conclusão Foi observado que os compósitos são uma alternativa válida e viável para a otimização do peso dos cilindros de GNV; Os resultados obtidos estão de acordo com os dados obtidos da literatura e da indústria; O uso de fibras de compósitos para o reforço de estruturas é uma metodologia interessante que precisa ser melhor estudada e economicamente desenvolvida; O estudo e conhecimento aprofundado dos métodos de fratura em compósitos são vitais para um projeto com esse tipo de material.

38 Propostas Futuras Otimizar a relação selante metálico X compósito, para obter a melhor e mais econômica relação de espessura dos materiais; Estudar a relação da variação de resistência das fibras com relação ao ângulo de aplicação no processo filament winding; Modelagem completa do cilindro de GNV, considerando o bocal e variação da espessura de parede nos domos;

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