A new design method of winding tension considering thick-wall effect for composite overwrapped pressure vessel

Resumen Técnico: Un Nuevo Método de Diseño de Tensión de Bobinado Considerando el Efecto de Pared Gruesa para Recipientes de Presión con Envoltura Compuesta

Planteamiento del Problema
Los recipientes de presión con envoltura compuesta (COPV, por sus siglas en inglés) de alta presión, particularmente aquellos utilizados para el almacenamiento de hidrógeno en vehículos de celda de combustible, operan cada vez más a presiones de 70 MPa o superiores. A medida que la presión de trabajo aumenta, el espesor de la pared de material compuesto se incrementa, lo que provoca un "efecto de pared gruesa". En los COPV de pared gruesa, la distribución de esfuerzos no es uniforme; en su lugar, el esfuerzo en la dirección de la fibra disminuye significativamente desde la capa más interna hacia la más externa. El artículo señala que en un COPV de 70 MPa, el esfuerzo en la capa más interna puede ser aproximadamente un 30% mayor que en la capa más externa. En consecuencia, cuando las capas internas alcanzan su criterio de falla, las capas externas permanecen subesforzadas, lo que resulta en una baja tasa de utilización de la resistencia de la fibra y una presión de estallido subóptima. Los métodos de diseño existentes, como el Método de Esfuerzo Residual Uniforme (URM), que buscan un esfuerzo residual uniforme, exacerban inadvertidamente este problema al crear un perfil de esfuerzo total que, aun así, disminuye del interior hacia el exterior.

Metodología
El estudio emplea una combinación de derivación analítica y simulación numérica para abordar el efecto de pared gruesa:

1. Modelado de Elementos Finitos (FEM): Se estableció un modelo tridimensional de elementos finitos de un COPV Tipo III (mandril de aluminio con capas de fibra de carbono/epoxi) utilizando un sector de 5 grados del recipiente bajo una presión interna de 20 MPa. Para capturar gradientes de esfuerzo precisos, se utilizaron elementos de corte continuo (SC8R) para las capas compuestas en lugar de elementos de corte convencionales. El modelo utilizó simetría cíclica para simular el sector.
2. Derivación Analítica: Los autores derivaron una solución analítica para el esfuerzo residual generado por la tensión de bobinado. Basándose en supuestos de axisimetría, elasticidad lineal y ausencia de fricción entre capas, formularon las ecuaciones de equilibrio para el mandril (liner) y las capas de bobinado. Al aplicar el principio de superposición, establecieron una relación matricial (Ec. 27) que vincula el esfuerzo residual deseado en cada capa con la tensión de bobinado requerida para esa capa y las capas subsiguientes.
3. Método de Diseño Propuesto (TWE): Se propuso un nuevo método de diseño, denominado "Efecto de Pared Gruesa" (TWE, por sus siglas en inglés), que aborda el efecto de pared gruesa. A diferencia del URM, el TWE calcula primero la distribución de esfuerzo de servicio causada por la presión interna. Posteriormente, diseña un perfil de esfuerzo residual específico mediante la tensión de bobinado que aumenta desde las capas internas hacia las externas. El objetivo es asegurar que el esfuerzo total (esfuerzo de servicio + esfuerzo residual) sea uniforme en todo el espesor.
4. Validación: El método TWE fue validado mediante una simulación numérica en un software comercial. Se combinó la técnica de "nacimiento y muerte de elementos" con una analogía de expansión térmica (simulando la tensión mediante el enfriamiento controlado) para imitar el proceso de bobinado secuencial y los esfuerzos residuales resultantes.

Contribuciones Clave

• Solución Analítica: El artículo proporciona una solución analítica derivada para el esfuerzo residual en COPV de pared gruesa que tiene en cuenta la interacción entre el liner metálico y las capas compuestas anisotrópicas bajo tensión de bobinado.
• Algoritmo de Diseño Inverso: Presenta un método basado en matrices para calcular la tensión de bobinado específica requerida para cada capa con el fin de lograr una distribución de esfuerzo residual objetivo, revirtiendo efectivamente el proceso estándar de cálculo de esfuerzos.
• Estrategia de Esfuerzo Total Uniforme: La contribución central es el cambio en la filosofía de diseño, pasando de lograr un esfuerzo residual uniforme a lograr un esfuerzo total uniforme. Este enfoque apunta directamente a la mitigación del efecto de pared gruesa.

Resultados

• Distribución de Esfuerzos: El análisis FEM confirmó el efecto de pared gruesa, mostrando que el esfuerzo de la fibra cae de 203 MPa en la capa más interna a 136 MPa en la más externa bajo la presión interna por sí sola.
• Comparación con URM: Cuando se aplicó el método TWE, la distribución de esfuerzo total resultante fue significativamente más uniforme que la obtenida con el URM. En el caso del URM, el esfuerzo en la capa más interna seguía siendo casi un 20% superior al de las capas externas.
• Mejora del Desempeño: El método TWE logró reducir con éxito el gradiente de esfuerzo. Aunque el comportamiento elástico-plástico del liner impidió una uniformidad perfecta en la simulación, el nuevo método eliminó eficazmente el efecto de pared gruesa observable en el perfil de esfuerzo total, asegurando que todas las capas se aproximen al umbral de falla simultáneamente.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el método TWE propuesto mejora el desempeño mecánico de los COPV de alta presión al utilizar plenamente la resistencia de la fibra en las capas externas, que suelen estar subutilizadas en los diseños convencionales. Al eliminar el gradiente de esfuerzo causado por el efecto de pared gruesa, el método permite un uso más eficiente de los materiales compuestos, lo que potencialmente conduce a recipientes más ligeros o a presiones de estallido más altas para el mismo volumen de material. Los autores concluyen que considerar el efecto de pared gruesa es crítico para el diseño de COPV de alta presión y que su nuevo método de diseño de tensión de bobinado es una solución efectiva para este desafío de ingeniería específico.