A new design method of winding tension considering thick-wall effect for composite overwrapped pressure vessel
Questo articolo propone e valida un nuovo metodo di progettazione analitica per la tensione di avvolgimento nei recipienti a pressione con rivestimento composito che contrasta l'effetto parete spessa creando un profilo di tensione residua gradualmente crescente, ottenendo così una distribuzione uniforme della tensione totale e migliorando l'utilizzo della resistenza delle fibre.
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Nella corsa per allontanarsi dai combustibili fossili, l'idrogeno è emerso come un'alternativa pulita e potente, capace di alimentare i veicoli senza emettere carbonio nell'atmosfera. Tuttavia, lo stoccaggio di questo gas rappresenta una sfida formidabile perché è così leggero e incline alle perdite che richiede una pressione immensa per mantenere una quantità utile in uno spazio ridotto. Per sostenere questa pressione, gli ingegneri utilizzano recipienti a pressione avvolti in composito, che sono essenzialmente robusti serbatoi metallici avvolti strettamente in strati di fibra di carbonio. Man mano che la domanda di autonomie di guida più lunghe cresce, questi recipienti devono resistere a pressioni più elevate, costringendo gli strati di fibra a diventare più spessi. Questo spessore crea un problema nascosto: gli strati più vicini al nucleo metallico finiscono per sostenere la maggior parte del carico, mentre gli strati esterni rimangono relativamente laschi. È un po' come una squadra di corridori dove la persona in testa sta correndo a tutta velocità mentre gli altri dietro stanno appena jogging; la velocità complessiva della squadra è limitata dal fatto che i corridori esterni non vengono utilizzati al loro pieno potenziale.
Ricercatori dell'Università di Chaohu e dell'Università Tecnologica di Zhejiang hanno sviluppato un nuovo modo per progettare questi recipienti per risolvere questo squilibrio. Si sono concentrati sull'effetto "parete spessa", un fenomeno per cui lo stress diminuisce naturalmente spostandosi dall'interno verso l'esterno del recipiente. Nel loro studio, hanno analizzato un recipiente progettato per contenere idrogeno a 70 megapascal, una pressione tipica per i moderni veicoli a celle a combustibile. Utilizzando modelli informatici dettagliati, hanno confermato che in un design standard, gli strati di fibra più interni sperimentano uno stress di 203 megapascal, mentre gli strati più esterni percepiscono solo 136 megapascal. Ciò significa che quando gli strati interni sono sul punto di rompersi, gli strati esterni stanno ancora trattenendo solo due terzi della loro forza, sprecando una quantità significativa di materiale e limitando quanto il serbatoio possa contenere di pressione in sicurezza.
Per risolvere questo problema, il team ha derivato un nuovo approccio matematico per calcolare la tensione esatta necessaria per ogni strato di fibra durante l'avvolgimento sul serbatoio. Tradizionalmente, gli ingegneri applicano spesso una tensione uniforme o una tensione gradualmente decrescente agli strati, il che non corregge lo squilibrio di stress. Il nuovo metodo, tuttavia, lavora a ritroso partendo dal risultato desiderato. I ricercatori hanno prima determinato lo stress che ogni strato subirebbe dalla sola pressione interna. Successivamente, hanno calcolato una specifica quantità variabile di tensione residua, chiamata stress residuo, che il processo di avvolgimento stesso dovrebbe lasciare dietro di sé. Regolando attentamente la tensione applicata durante la produzione di ogni strato, hanno progettato il recipiente in modo che la tensione residua si aggiunga alla pressione interna in modo tale da rendere lo stress totale uguale in tutti gli strati. Nel loro design, ogni strato, dall'interno all'esterno, finisce per sostenere uno stress totale di 214 megapascal.
Il team ha testato questo nuovo metodo di progettazione utilizzando una sofisticata simulazione al computer che imita il processo fisico di avvolgimento delle fibre. Hanno simulato la tensione restringendo virtualmente gli strati, il che tira sugli strati interni proprio come farebbe la tensione reale. I risultati hanno mostrato che, mentre il metodo tradizionale lasciava un chiaro divario tra lo stress sugli strati interni e su quelli esterni, il nuovo metodo ha livellato quasi perfettamente questa differenza. La simulazione ha rivelato che il nuovo design elimina l'effetto parete spessa, assicurando che tutti gli strati di fibra raggiungano il loro punto di rottura contemporaneamente. Ciò consente al recipiente di utilizzare tutta la forza di ogni singolo strato di fibra di carbonio, anziché solo di quelli più vicini al centro. Rendendo la distribuzione dello stress uniforme, i ricercatori hanno dimostrato un modo per costruire recipienti a pressione che siano non solo più sicuri, ma anche più efficienti, permettendo potenzialmente serbatoi più leggeri o uno stoccaggio a pressione più elevata senza il rischio di cedimenti prematuri.
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