Diseño y optimización de recipientes de presión toroidal de material compuesto para vehículos CNG

Abstract

El uso de gas natural comprimido (GNC) en la industria de automotores, ha generado el diseño de recipientes a presión para su almacenamiento; el recipiente que comúnmente se usa, es de forma cilíndrica y de metal, aunque hay diseños con material compuesto, estos tienen una baja capacidad de almacenamiento. La forma cilíndrica presenta problemas para su ubicación en el automóvil, por lo que la alternativa de diseñar recipientes de forma toroidal ofrecería mejores prestaciones. En el presente estudio, se plantea una metodología para el diseño de un recipiente toroidal de material compuesto, optimizado, resistente, liviano y capaz de almacenar más GNC que en los recipientes cilindricos. Mediante simulaciones numéricas se elaborará el diseño del recipiente toroidal y por medio del método de elementos finitos (MEF) se realizará el análisis elástico lineal, se usará un composite formado por fibra de carbono y matriz de resina epoxi, dado que hay estudios que indican que, con este tipo de material, se han obtenido altas resistencias y mejores prestaciones que con los materiales metálicos. En el estudio se analizará, el efecto que produce la variación angular de las capas del laminado en su resistencia, además se obtendrá la variación de tensión, deformación y desplazamiento que se da en el toroide, cuando se lo somete a presión, hasta que el criterio de fallo lo indique. La optimización del volumen del material, se realizará por medio de un algoritmo metaheurístico, que usará Threads en Java para reducir los tiempos de computación y mejorar el rendimiento del optimizador, a la hora de ejecutar los scripts desarrollados en ANSYS para el análisis por MEF.