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[Escriba texto] PROYECTO FIN DE CARRERA DISEÑO Y CÁLCULO DE LA ESTRUCTURA DE UN REMOLQUE PARA EL TRANSPORTE DE BOTELLAS DE HIDRÓGENO Ingeniería Técnica Industrial, especialidad Mecánica Universidad de Zaragoza AUTOR: Alberto Curieses Fernández DIRECTOR: Ramón Miralbés Buil CONVOCATORIA: Junio 2012 Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 2 Para comenzar, deseo expresar mi gratitud a Ramón Miralbés, profesor del Departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación, y a los docentes de dicho departamento, tanto por la atención prestada durante la realización del proyecto como por el ofrecimiento de esté. A mis padres, por su apoyo incondicional, a mis hermanos y al resto de mi familia, por vuestra confianza en mí. A todos mis profesores, desde el colegio hasta la universidad, porque llegar hasta aquí también se debe a su esfuerzo y dedicación. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 3 ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN .............................................................................................................. 6 1.1.- OBJETIVO Y ALCANCE DEL PROYECTO......................................................................... 8 1.2.- METODOLOGÍA ........................................................................................................... 8 2.- FASES DEL PROYECTO .................................................................................................... 9 2.1.- MODELADO CAD MEDIANTE PATRAN ........................................................................ 9 2.2.- DISCRETIZACIÓN MEF MEDIANTE PATRAN ................................................................. 9 2.3.- ASIGNACIÓN DE PROPIEDADES Y MATERIALES .......................................................... 9 2.4.- CASOS DE CARGA Y CONDICIONES DE CONTORNO .................................................... 9 2.5.- CÁLCULO MEDIANTE ÁBAQUS .................................................................................. 10 2.6.- POSTPROCESO MEDIANTE ABAQUS ......................................................................... 10 2.7.- REDISEÑO ESTRUCTURAL .......................................................................................... 10 2.8.- CÁLCULO DE UNIONES ATORNILLADAS .................................................................... 10 3.- DATOS INICIALES .......................................................................................................... 12 3.1.- SITUACIÓN DE LA ESTRUCTURA Y REQUERIMIENTOS INICIALES .............................. 12 3.2.- CARACTERÍSTICAS DE LAS BOTELLAS DE HIDROGENO .............................................. 13 3.3.- DISTRIBUCIÓN DE LOS APOYOS DE LAS BOTELLAS ................................................... 14 3.4.- DIMENSIONES DE LA ESTRUCTURA ........................................................................... 14 3.4.1.- VISTA ISOMÉTRICA ................................................................................................. 14 3.4.2.- VISTA EN PLANTA ................................................................................................... 15 3.5.- MATERIAL Y SUS PROPIEDADES ................................................................................ 15 3.6.- UNIONES ................................................................................................................... 15 3.7.- CARGAS ..................................................................................................................... 16 3.8.- CRITERIOS DE RIGIDEZ Y DISEÑO UTILIZADOS .......................................................... 16 4.- REALIZACIÓN DEL PROYECTO ....................................................................................... 18 4.1.- IMPORTACIÓN DEL ARCHIVO, DIVISIÓN EN PARTE TRASERA Y DELANTERA ............ 18 4.2.- CREACIÓN DE SUBGRUPOS PARA CADA ELEMENTO Y CONVERSIÓN DE VOLÚMENES A SUPERFICIES ................................................................................................................... 19 Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 4 4.3.- SIMETRÍA, ESTUDIO DEL CORTE POR PLANOS PARA EL POSTERIOR MALLADO, CAMBIO DE ESCALA............................................................................................................................... 22 4.4.- MALLADO Y VERIFICACIÓN DEL MALLADO ............................................................... 24 4.5.- DEFINICIÓN MATERIAL Y SUS PROPIEDADES, APLICACIÓN DE ESPESORES EN LA ESTRUCTURA Y EMPOTRAMIENTOS .................................................................................. 26 4.6.- IMPORTACIÓN DEL ARCHIVO A ABAQUS .................................................................. 28 4.7.- ENSAYOS ................................................................................................................... 28 4.7.1.- ENSAYO CON IMPACTO 2G DELANTE .................................................................... 30 4.7.2.- ENSAYO CON IMPACTO 2G DETRÁS ....................................................................... 33 4.8.- VERIFICACIÓN............................................................................................................ 36 4.8.1.- VERIFICACIÓN ESPESORES DELANTE 2MM. ........................................................... 36 4.8.2.- VERIFICACIÓN ESPESORES DETRÁS 4MM. ............................................................. 36 4.9.- CÁLCULO TORNILLERÍA ............................................................................................. 37 4.10.- ANÁLISIS .................................................................................................................. 40 4.10.1.- ANÁLISIS DE TENSIONES MÁS DESFAVORABLES EN LOS TORNILLOS .................. 40 4.10.2.- ANÁLISIS DE TENSIONES MÁS DESFABORABLES EN LAS BARRAS ........................ 41 4.10.3.- REEDISEÑO ESTRUCTURAL ................................................................................... 45 5.- CONCLUSIONES ............................................................................................................ 46 5.1.- BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 47 5.2.- CONSULTAS WEB ...................................................................................................... 47 ANEXOS ............................................................................................................................. 48 CÁLCULO DE UNIONES ATORNILLADAS A FLEXIÓN ........................................................... 49 PERFILES DE TORNILLOS .................................................................................................... 52 LA TEORÍA DE LOS ELEMENTOS FINITOS ........................................................................... 53 CARACTERÍSTICAS DEL HIDRÓGENO GASEOSO ................................................................ 56 CONFINAMIENTO DEL HIDRÓGENO .................................................................................. 58 PREVENCIÓN Y EXTINCIÓN DE INCENDIOS DE HIDRÓGENO ............................................. 61 TABLA DE ESPESORES BARRAS .......................................................................................... 63 Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 5 ACUERDO INTERNACIONAL SOBRE EL TRANSPORTE DE MERCANCIAS PELIGROSAS POR CARRETERA (ADR) ............................................................................................................. 65 IMÁGENES ENSAYO ESTRUCTURA DETRÁS 2MM ............................................................. 67 Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 6 1.- INTRODUCCIÓN El presente proyecto tiene como objetivo el cálculo, diseño y optimización de la estructura, (comúnmente conocida como testero), utilizada en un semirremolque para el transporte de botellas de hidrógeno, y cuya finalidad es proteger al resto de usuarios de la vía en caso de accidente y desprendimiento de la carga. Señalar aquí que estas estructuras se rigen por la normativa básica de cálculo de estructuras y por el Acuerdo Europeo sobre el transporte internacional de mercancías peligrosas por carretera (ADR). Se trata de un proyecto de investigación llevado a cabo por el departamento de Ingeniería de Diseño y Fabricación de la Universidad de Zaragoza. La motivación a la realización de este proyecto se debe a que la mayor fracción de la combustión procede hoy día de los combustibles fósiles lo cual no es sostenible a muy largo plazo por la limitación de sus reservas, algunas de las aplicaciones energéticas podrán sustituirse por otro tipo de fuentes energéticas, como la eléctrica de origen renovable, pero muchas otras, particularmente para el transporte, necesitarán un combustible químico. El combustible idóneo en este caso es el hidrógeno, que puede producir energía tanto por llama (combustión, bien en motores de explosión interna, bien en turbinas) como por oxidación electroquímica en pilas de combustible. En el mercado del transporte están surgiendo proyectos innovadores relacionados con automóviles, camiones, autobuses y aviones que emplean el hidrógeno para su propulsión lo que supone sin duda alguna un paso hacia delante en la difusión del hidrógeno dentro de nuestra sociedad. El hidrógeno se utiliza también en el sector de la alimentación para la hidrogenación de los aceites y grasas vegetales y animales, tiene aplicación en el campo metalúrgico por su habilidad para reducir los óxidos metálicos y prevenir la oxidación en tratamientos térmicos de ciertos materiales y aleaciones. Además, tiene uso en el corte y la soldadura de metales. Por otro lado, el hidrógeno es extensamente empleado en la síntesis del amoníaco y en las operaciones de refino del petróleo. A su vez el hidrógeno líquido se emplea como combustible primario de los cohetes espaciales junto con oxígeno o fluoruros y como combustible en los cohetes de propulsión nuclear y los vehículos espaciales. Visto la importancia que está tomando, ha aparecido la necesidad de desarrollar estructuras capaces de soportar además de la masa de las botellas, impactos en caso de accidente. Nuevas gasolineras impulsan este sector, demandando un transporte en estado gaseoso y a alta presión, deberemos estar atentos a la normativa que obliga a las empresas a manipular estas botellas tanto vacías como llenas con precaución. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 7 Es por ello que resulta necesario dimensionar los testeros de los semirremolques de forma que sean capaces de soportar las cargas que puedan aparecer y transmitirlas eficazmente a la estructura básica del remolque. Las herramientas de diseño en ingeniería usadas para el desarrollo de nuevos productos han experimentado recientemente una evolución muy positiva, obteniendo estructuras nuevas óptimas en comparación a las obtenidas por medios tradicionales. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 8 1.1.- OBJETIVOS Y ALCANCE DEL PROYECTO Con este proyecto se busca aplicar los conocimientos adquiridos en asignaturas como Elasticidad y Resistencia de Materiales, Diseño de Máquinas y Estructuras, al mundo real. Para ello, seremos capaces de usar las fórmulas apropiadas en cada situación y ayudarnos de los programas informáticos de ingeniería para las operaciones complejas. El alcance de este proyecto va dirigido para fomentar y facilitar a todas esas empresas que quieran impulsar un sector de energías limpias y generar el menor impacto ambiental posible adelantándose a la futura demanda y cada vez mas presente de nuevos combustibles, explotando un mercado en auge. Se buscará, el diseño de un testero acondicionado a la normativa vigente, con el objetivo de cumplimiento de todos los ensayos, así como de los requisitos de seguridad. 1.2.- METODOLOGÍA En este proyecto se partirá de las medidas normalizadas de un testero para el transporte de botellas de hidrógeno, por lo que la distribución de las vigas no variará en gran medida de la planteada. Con estos datos iniciales, se desarrollará el diseño de la estructura mediante el programa Patran. Se discretizarán las estructuras dotándolas de un espesor adecuado para los cálculos resistivos, se realizarán ensayos de impacto con el programa Abaqus y en función de los resultados obtenidos, optimizaremos dicho diseño de las vigas para posteriormente facilitar la situación de los puntos más críticos. Las uniones atornilladas de los apoyos serán calculadas mediante las herramientas del anexo A. Los apoyos y la estructura se convertirán en superficies para ser discretizadas mediante el Método de los Elementos Finitos (anexo C) para un mejor análisis de su comportamiento. Para ello, se dará uso de los programas MSC Patran. Una vez analizadas y posteriormente realizado el ensayo de choque, se podrán calcular los espesores necesarios de las barras y soportes para la fijación de la estructura a la base del remolque del camión, teniendo siempre en cuenta los parámetros de seguridad. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 9 2.- FASES DEL PROYECTO 2.1.-MODELADO CAD MEDIANTE PATRAN En primer lugar, se exportará el archivo .igs al programa Patran con la estructura en Patran, se convertirán todos los volúmenes en superficies, será necesario crear diferentes grupos para las barras, soportes y chapas e ir uno a uno modificando con cuidado, por último, se modificarán las esquinas redondas de las chapas por esquinas en ángulo recto para poder unirlas entre sí en un posterior mallado. Mediante el programa Patran se cortará por planos las superficies para obtener una malla uniforme en las uniones, y se continuará con la discretización. 2.2.- DISCRETIZACIÓN MEF MEDIANTE PATRAN Después de modelarlo, será discretizado con el programa MSC Patran, se discretizará de forma manual cada una de las barras, placas de anclaje y chapas de refuerzo mediante elementos tipo lámina (o Shell) y se aplicarán condiciones al mallado para que exista equivalencia en las zonas de unión de los diversos elementos entre si. 2.3.- ASIGNACIÓN DE PROPIEDADES Y MATERIALES En tercer lugar, con el programa Patran se asignarán tanto el material como las propiedades a los diferentes elementos, así como espesores, así mismo en el ( Anexo G ) constan unas tablas con los espesores de las barras, apoyos y chapas para los distintos ensayos. 2.4. CASOS DE CARGA Y CONDICIONES DE CONTORNO En cuarto lugar, se tendrá en cuenta el impacto de la botella que causa el caso más desfavorable en nuestra estructura (en este caso la botella central). Se discretizará la cabeza de la botella de forma que tenga un espesor y unas propiedades equivalentes de forma que el peso de la cabeza sea el mismo que el de la botella completa y llena de gas. Para ello se ha calculado la densidad equivalente. Con ello se realiza un impacto de acuerdo a las condiciones impuestas por el ADR (ACUERDO INTERNACIONAL SOBRE EL TRANSPORTE DE MERCANCÍAS PELIGROSAS POR CARRETERA) por lo que se impone a todo el modelo una aceleración longitudinal al vehículo de 2g en ambas direcciones para ensayar cada uno de los testeros. Se definen las condiciones de contorno, en los apoyos debido al propio peso se fijará en la dirección Y. Los nodos limítrofes a los tornillos se empotrarán en todas las direcciones. Tras esto se exportará el modelo a abaqus. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 16 3.7.-CARGAS No se tendrá en cuenta la masa de las botellas, dado que estas apoyarán en los apoyos repartidos en nuestro remolque. A continuación, se definirá una aceleración horizontal de 2g en la botella más desfavorable como viene establecido en la normativa del A.D.R. ver (ANEXO H). Se pasará a la pestaña de cargas, en la pestaña input data se creará una aceleración nodal, definida como, <18.6, 0., 0.>. Este paso habrá que hacerlo tanto para el archivo de la parte delantera de la estructura como la parte trasera, se tendrá que tener en cuenta que tienen la misma dirección y modulo pero sentidos contrarios en cada uno de los casos. Figura 7 :Vista de la botella con la aceleración ya definida. 3.8.- CRITERIOS DE RIGIDEZ Y RESISTENCIA UTILIZADOS Para los cálculos de límite elástico, el criterio de diseño es el cálculo a resistencia del material, que, en el caso propuesto se calculará según las siguientes ecuaciones: Barras, Apoyos y Chapas: σbarra ≤ σr/1.1 Tornillos: σtornillo ≤ σe / 2 Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 17 Donde σe es el límite elástico del material y σp el límite de rotura medios. Tabla 2: gráfica tensión-deformación del acero Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 18 4.- REALIZACIÓN DEL PROYECTO 4.1.-IMPORTACIÓN DEL ARCHIVO, DIVISIÓN EN PARTE TRASERA Y DELANTERA Para empezar se creará una nueva base de datos (.db) y se importará el archivo .igs de la estructura con la ayuda del programa Patran. Sus herramientas permiten ahorrar mucho tiempo a la hora de dibujar y rectificar, con respecto a otros programas de diseño. Figura.8.:Selección de archivo .igs a importar Figura.9.:Vista del archivo importado de .igs Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 19 Se tendrá en cuenta el sistema de coordenadas para que al exportarlo a Patran se pueda trabajar con las coordenadas por defecto con comodidad. Se dividirá la estructura en parte delantera y parte trasera para una mayor manejabilidad tanto para modificar los elementos a las condiciones iniciales, como la posterior realización de sus respectivos ensayos. A partir de aquí se trabajará con dos archivos diferentes. Figura 10 :Vista de parte delantera-parte trasera 4.2.-CREACIÓN DE SUBGRUPOS PARA CADA ELEMENTO Y CONVERSIÓN DE VOLÚMENES A SUPERFICIES Se eliminarán todos aquellos elementos que no sean relevantes para los cálculos y que no intervienen en nuestros ensayos: racores, soportes de intermitentes, latiguillos, etc. Tras esto se subdividirá cada elemento de la estructura, en barras, apoyos y chapas, se crearán los respectivos grupos para cada uno. Hay que tener en cuenta que se creará un grupo especial para el cabezal de la bombona. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 20 Figura 11 :Vista de la creación de un grupo Esto dará lugar a una gran cantidad de elementos por lo que se deberá llevar un control cuidadoso para no cometer un error. A continuación se exponen dos imágenes con la numeración de barras llevada a cabo. Figura 12 :Vista de la numeración de elementos barras en la parte delantera Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 21 Figura 13:Vista de la numeración de elementos barras en la parte trasera En el siguiente paso se seleccionará grupo a grupo los respectivos elementos con la opción: Figura 14 :Vista de la selección de grupos para cada elemento Se pasa a la pestaña de Geometry y se selecciona en action  edit, en objec  solid, en method  disassemble,con el icono delete original solids, se indica el solido y con esta acción todos los volúmenes pasarán a ser superficies, líneas y puntos, para poder ser discretizadas posteriormente. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 22 Posteriormente para los grupos compuestos por barras se borra con la opción delete  surface las superficies internas de las barras, que no tengan contacto, y las superficies curvas para poder extenderlas hasta su punto de contacto con la opcion extend. Figura 15 :Vista de la opción extend para el contacto de superficies En los grupos compuestos por chapas se borrarán las superficies que no son de contacto, dado que las esquinas son redondeadas seguiremos los siguientes pasos. 1. Se creará un punto con la opción geometrycreatepointintersect, se selecciona entre dos curvas, se repite la acción en las otras esquinas. 2. Se creará dos curvas con la opción geometrycreatecurvepoint, se seleccionan dos puntos y para la otra curva los otros dos puntos. 3. Por último, se creará una superficie entre las dos curvas. Todo esto se lleva a cabo para poder extender las chapas y tener una malla uniforme. 4.3.-SIMETRÍA, ESTUDIO DEL CORTE POR PLANOS PARA EL POSTERIOR MALLADO, CAMBIO DE ESCALA Con un vistazo se verá que tanto el archivo de delante como el de detrás son estructuras simétricas, se aprovechará esto y se cortará la estructura por un plano para trabajar con la mitad y posteriormente duplicarla. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 23 Figura 16 :Vista del corte por el plano de la parte trasera Se continúa con el estudio del corte por planos, en el cual se cortarán por los planos de unión las barras, chapas y apoyos para obtener una malla simétrica. Figura 17:Vista de los cortes por los planos de la parte trasera Se da la estructura en pulgadas y se pasa la estructura a metros, para tener todo en las mismas unidades y poder trabajar correctamente. Esto es posible desde la ventana groupTransformscale, en escale parameters se indica el factor de conversión en este caso 0,0254 en las tras direcciones de los ejes y se selecciona apply, es importante tener Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 24 seleccionada toda la estructura, junto con la bombona para que estén definidos en la misma escala. Figura 18 :Vista del cambio de escala 4.4.- MALLADO Y VERIFICACIÓN DEL MALLADO La estructura estará dividida en un número elevado regiones o subdominios, los cuales están determinados por unos puntos representativos llamados nodos. El conjunto de varios nodos formarán elementos estos pueden ser en la malla triangulares y cuadráticos, el conjunto de todos los elementos definirá la malla, mediante la cual, el programa será capaz de analizar los esfuerzos internos producidos en la estructura debido a las cargas. Para la realización de la malla, se debe pasar a la pestaña de meshing, y en créatemeshsurface se indica el tipo de malla y el valor que se le dará para que todas nuestras superficies tengan el mismo valor Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 25 Figura 19 :Vista de la creación de la malla. Se puede presentar que en el contacto entre superficies una defina un número mayor de nodos que otra, en ese caso se recurre a la herramienta mesh seed, en créatemesh seeduniform si se conoce el número de nodos de contacto o es una malla simple, si la malla es más complicada se puede utilizar mesh seedtabular y seleccionar node and point esta opción seleccionara todos los nodos creados en otras superficies y creará nodos equivalentes en el contacto con las demás superficies. Figura 20 :Vista de la creación de la mesh seed El siguiente paso será mirar las equivalencias entre los nodos de distintas superficies para crear una sola malla uniforme se realizará con la secuencia meshing  equivalenceall Tolerance Cube y en equivalencing tolerance se le da el rango de equivalencia entre nodos que se vea oportuno. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 32 Para la estructura obtendremos la tabla con las siguientes tensiones máximas: Se muestra la numeración llevada a cabo para la clasificación de los tornillos: Figura 31 :Numeración de los tornillos en la parte delantera Así mismo se calcularán con los pasos explicados anteriormente las reacciones en los tornillos: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 33 4.7.2.-ENSAYO CON IMPACTO 2G DETRÁS En este caso igualmente, se procederá a lanzar los archivos para su cálculo. Se obtendrán las siguientes graficas de la energía cinética: Para 2mm: (se puede ver la secuencia en el Anexo I) Figura 32 :Gráfica de la energía cinética de la botella en el ensayo de detrás para 2mm de espesor Se observa que la energía cinética se aproxima a cero pero no llega por lo tanto la estructura no para la botella, se dimensionan de nuevo las barras de dos mm y se incrementa el espesor a tres mm, con el resultado siguiente: Figura 33 :Gráfica de la energía cinética de la botella en el ensayo de detrás para 3mm de espesor Con espesor de tres mm. tampoco detiene la botella así que se dimensionará a cuatro mm.: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 34 Figura 34 :Gráfica de la energía cinética de la botella en el ensayo de detrás para 4mm de espesor Esta vez si se observa que hay rebote y la estructura es capaz de parar la bombona, se obtendrá la siguiente secuencia de imágenes que nos describen los esfuerzos producidos en el choque para 4mm: Figura 35: Secuencia de imágenes que describen el ensayo(cada 3 segundos) Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 35 Los resultados de las tensiones máximas obtenidas se indican en la siguiente tabla: Tabla 5 :Tabla de tensiones máximas de los elementos que componen la estructura Se muestra la numeración llevada a cabo para clasificar los tornillos: Figura 36 :Numeración de los tornillos en la parte trasera Así mismo se calcularán con los pasos explicados anteriormente las reacciones en los tornillos: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 36 4.8.-VERIFICACIÓN Tras la realización de los ensayos se pasa a calcular los coeficientes de seguridad y verificar si los elementos serán capaces de soportar las tensiones máximas. 4.8.1.- VERIFICACION ESPESORES DELANTE Se procederá a calcular el coeficiente de seguridad tanto a fluencia como a rotura que viene dado por la formulas: Csf= θf/ θmax. Csr= θr/ θmax. Tabla 7:Tabla de coef.de seguridad de la estructura delantera para 2mm Se observa que en la barra de delante que muchos de los coeficientes de fluencia están por debajo de la unidad, es decir pasaran a tener deformaciones permanentes, no obstante solo dos barras se acercan al coeficiente de seguridad por rotura las cuales se comentarán en el apartado posterior. 4.8.2.- VERIFICACIÓN ESPESORES DETRÁS Se verificará el último ensayo realizado, el de 4mm, dado que es el que soporta el choque. Se procede a calcular el coeficiente de seguridad tanto a fluencia como a rotura que viene dado por la formulas: Csf= θf/ θmax. Csr= θr/ θmax. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 37 Tabla 8 : Tabla de coef.de seguridad de la estructura trasera para 4mm. La estructura trasera, consta de menos barras esto hace que a pesar del aumento de espesor respecto a la estructura delantera se observe que algunos de los coeficientes de fluencia estén por debajo de la unidad, respecto a los coeficientes de rotura se observa una mejoría en las barras con mayores tensiones. 4.9.- CÁLCULO TORNILLERÍA Para realizar los cálculos se seguirán las instrucciones de anexo A. Hay que resaltar que para el cálculo solo se utilizarán las cargas a tracción dado que las de compresión son favorables. Las fuerzas están en Nw. Las medidas en mm, tensiones en MPa. Se realizará la secuencia: Se Calculará el Área resistente con la ecuación: ( ) siendo: d:Se refiere a la métrica del tornillo p:Se refiere al paso. Se parte de un tornillo hexagonal M12x60 mg 6.8 DIN 633, el cual tiene un diámetro de 12mm,el cual tiene un paso de 1,75 en la tabla (ver anexo B) y por tanto: √ Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 38 Para sacar la Taumáx: √ Y por último los coeficientes, los cuales vienen definidos en el punto 3.8: Con esto se calculará la siguiente tabla, se subdividirá en parte delantera y trasera, se sigue con la misma numeración de tornillos que en la figura 31 en el apartado 4.7.1. Tabla 9 : Tabla de calculo tornillería delante.. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 39 Se observa que los tornillos más críticos de la parte delantera serán el 2.4 con un coeficiente de 1,225 y el 6.3 con un coeficiente de 1,18. Se pasa a realizar los cálculos para la parte trasera, se sigue el mismo proceso y obtendremos la tabla: Tabla 10 : Tabla de calculo tornillería detrás.. Se observa que los tornillos más críticos de la parte trasera serán el 1.1 con un coeficiente de 1,3 y el 2.2 con un coeficiente de 1,3. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 40 4.10.- ANÁLISIS En este apartado se analizará y observará los puntos más críticos de la estructura y en el siguiente se darán algunas posibles soluciones. 4.10.1.- ANÁLISIS DE TENSIONES MÁS DESFAVORABLES EN LOS TORNILLOS Los tornillos se basan en el criterio de rigidez que dice: σtornillo ≤ σe / 2 Se observa que los tornillos más críticos de la parte delantera serán el 2.4 con un coeficiente de 1,225 y el 6.3 con un coeficiente de 1,18. Figura 37 : Vista de las placas delanteras con los tornillos mas desfavorables. Si se miran los esfuerzos se observará que estos soportan una gran carga a tracción y a eso se debe ser los puntos con tensiones máximas. Se observa que los tornillos más críticos de la parte trasera serán el 1.1 con un coeficiente de 1,3 y el 2.2 con un coeficiente de 1,3. Figura 38 : Vista de las placas traseras con los tornillos mas desfavorables. Se ve que en este caso son los tornillos mas alejados pero la causa es la misma una gran carga de tracción. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 41 4.10.2.- ANÁLISIS DE TENSIONES MÁS DESFABORABLES EN LAS BARRAS Se basarán en el criterio de rigidez el cual dice que: σ barra máx. ≤ σr/1.1 Nos dará: 472,7272=520/1,1 En la tabla observaremos las barras con las tensiones máximas y comentaremos las causas y si es posible mejorar su comportamiento: Barra 20 Delante (2mm): Figura 39 : Vista de las barras delanteras mas desfavorables. Se observa un punto crítico que es donde golpea la bombona, es la barra inferior llegando este cerca de valores del límite de rotura. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 48 Anexos Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 49 ANEXO A CÁLCULO DE UNIONES ATORNILLADAS A FLEXIÓN 1.- Se analizan las reacciones: 2.- Se calculan las fuerzas a cortadura: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 50 3.- Se calculan las fuerzas de tracción: A partir de las dos ecuaciones se obtendrá la fuerza exterior por tornillo, siendo la fuerza total, en el tornillo más solicitado (en el ejemplo: la hilera A), la dada por la siguiente expresión: Ftotal A = Fi + C • FA siendo Fi la precarga inicial y C la constante de rigidez de la unión. Una vez están calculadas las fuerzas, se calculan sus respectivas tensiones y se combinan según Von Mises: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 51 Donde se podrá asegurar la unión mediante un coeficiente de seguridad: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 52 ANEXO B PERFILES DE TORNILLOS Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 53 ANEXO C LA TEORÍA DE LOS ELEMENTOS FINITOS El Método de los Elementos Finitos (MEF) es un método numérico que se utiliza para resolver sistemas de ecuaciones diferenciales. Su evolución y desarrollo desde mediados del siglo XX hasta nuestros días ha sido constante y en la actualidad puede considerarse como el método numérico más utilizado en la mayoría de los ámbitos de la ingeniería. Son muchas las facetas de la ingeniería en las que se precisa determinar la distribución de tensiones y deformaciones en un continuo elástico. Los casos particulares de dichos problemas pueden variar desde problemas bidimensionales de tensión o deformación plana, sólidos de revolución y flexión de placas y láminas, hasta el análisis más general de sólidos tridimensionales. El MEF consiste en su formulación física en la división del dominio espacial, ya sea uni, bi o tridimensional en una serie de subdominios de geometría simple, a los cuales se les denomina elementos. Estos elementos se encuentran formados por una serie de puntos que definen su geometría y se denominan nodos. En el interior de cada elemento se interpola una función de desplazamientos que se formula en función de los valores de desplazamientos que existen en los nodos. La forma de trabajo de estos elementos consiste en aplicar las ecuaciones de compatibilidad y comportamiento y obtener una relación entre la fuerza aplicada sobre los elementos y los desplazamientos de los nodos. Esta relación se expresa mediante la matriz elemental, la cual depende del número de nodos, situación de estos, material utilizado, geometría de elementos y tipo de problema. Dependiendo del tipo de formulación del problema se determina si el problema es lineal (elasticidad lineal) o si no es lineal (grandes desplazamientos o deformaciones, comportamiento del material complejo). A continuación se expresa el proceso de cálculo con el MEF: 1. Planteamiento de continuidad de desplazamientos y equilibrio de fuerza entre elementos. 2. Sistema de ecuaciones globales de la estructura. 3. Tipo de formulación inicial (lineal o no lineal). 4. Resolución. 5. Obtención de los desplazamientos nodales (incógnitas básicas). 6. Obtención de otras variables: deformaciones y tensiones. La aproximación de los elementos finitos no requiere la selección del tipo de ecuación que será usada para modelar la estructura. Los códigos disponibles en el mercado han definido previamente los elementos para los cuales la matriz de rigidez individual del elemento ha sido resuelta. De esta forma, el usuario necesita definir únicamente el tipo de elemento. Una vez que el elemento ha sido definido el procedimiento es el siguiente: Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 54 1. Decidir la geometría requerida para modelar correctamente el problema.  1D (cables, vigas)  2D (tensión o deformación plana)  2D axisimétrica (láminas y sólidos de revolución)  3D (láminas y sólidos) 2. Seleccionar el tipo de elemento y formular la matriz de rigidez del elemento si se requiere  Definir la matriz que relaciona las deformaciones del elemento con los desplazamientos nodales {B}  Definir la matriz de la ley constitutiva {D}  Aplicar una rutina numérica cuadrática para evaluar la rigidez del elemento sobre el volumen del elemento, ∫{B}T{D}{B}dv El MEF consiste en dividir un medio continuo en un número finito de partes cuyo comportamiento se especifica con un numero finito de parámetros, pasando de un sistema con infinitos grados de libertad a otro con un número fijo, con propiedades físicas y geométricas muy parecidas, en el que las ecuaciones de equilibrio se pueden expresar mediante un sistema algebraico de ecuaciones simultáneas con un determinado número de incógnitas, obteniéndose la solución del sistema completo mediante el ensamblaje de las soluciones para cada elemento finito. 3. Discretizar la geometría en una malla.  Definir las localizaciones de los nodos de los elementos.  Agudizar el mallado en zonas de concentración de tensiones 4. Definir las propiedades locales del elemento.  Anisótropo  Isótropo  Ortótropo 5. Siguiendo los pasos anteriores obtenemos la matriz de rigidez del elemento. 6. Transformar la matriz de rigidez local del elemento en coordenadas globales. 7. Obtener el ensamblaje de la matriz de rigidez suponiendo las matrices de rigidez globales de los elementos. 8. Definir las condiciones de contorno aplicadas al sistema y formular el vector de fuerzas nodales {F} así como definir desplazamientos, nodos fijos, contactos, cargas, temperatura, etc. 9. Resolver el conjunto de ecuaciones algebraicas lineales resultante usando los métodos apropiados. 10. Resolver tensiones y deformaciones locales de elementos. Calcular tensiones y deformaciones en lámina y comparar con los criterios de rotura. Una vez que se han establecido las características de los nodos o los elementos, las ecuaciones individuales deben ensamblarse para formar un sistema global de ecuaciones que describa la respuesta general del sistema. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 55 Este ensamblaje, el cual aparece en el punto 9, da lugar a un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales cuya forma básica es la siguiente. [K]{u} = {f} En donde: [K] es una matriz (n x n) de rigidez del sistema; {u} es un vector columna (nx1) que normalmente representa los términos de desplazamiento del sistema que son desconocidos. {f} es un vector columna (nx1) que normalmente son las cargas aplicadas que son conocidas. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 56 ANEXO D CARACTERISTICAS DEL HIDROGENO GASEOSO La realización de instalaciones de hidrógeno fiables y seguras requiere del conocimiento de sus propiedades físicas y de su comportamiento frente a los riesgos intrínsecos que posee cualquier instalación de combustibles Además de conocer los principios generales de seguridad y de como debe usarse el hidrógeno de forma segura es muy importante reconocer las propiedades del hidrógeno y las peligros asociados para diseñar instalaciones y proyectos seguros sobre todo en lo que se refiere con los nuevos usos del hidrógeno. Las propiedades del hidrógeno relacionadas con la seguridad y su contribución a los posibles peligros potenciales es el punto de partida de la seguridad en los diseños, la manipulación y el uso del hidrógeno en cualquier instalación. Las propiedades físicas y químicas de los combustibles gaseosos como el metano, propano e hidrógeno son bastante diferentes de los combustibles líquidos más comúnmente usados como la gasolina. El hidrógeno no es ni más ni menos peligroso en sí que la gasolina, el propano o el metano. La contribución potencial de una propiedad en particular del hidrógeno a un peligro determinado depende fuertemente de las condiciones específicas bajo las cuales el hidrógeno es liberado y/o confinado. Las propiedades más importantes del hidrógeno relativas a la seguridad se resumen en los siguientes puntos (para un listado más exhaustivo de las propiedades del hidrógeno, metano y gasolina ver Hord –1976–):  Densidad; es el más ligero de los elementos.  Densidad respecto al aire: el hidrógeno gaseoso a temperatura ambiente tiene mucha menos densidad que el aire.  Difusión: aunque el trasporte de gas por difusión es mucho menor que el debido a la diferencia de densidad con el aire, el hidrógeno se difunde en el aire mucho más deprisa que otros gases combustibles.  Color, olor, gusto y toxicidad: el hidrógeno como el metano y propano es incoloro, inodoro e insípido y no tóxico.  Inflamabilidad y características de la llama: el hidrógeno es inflamable en el aire en un amplio rango de concentraciones y arde, en ausencia de impurezas, con una llama casi invisible.  Energía de ignición: el hidrógeno puede entrar en ignición con una cantidad de energía muy pequeña  Límites de detonación: el hidrógeno puede detonar en un rango de concentración bastante amplio cuando esta confinado pero es muy difícil que detone en espacios abiertos.  Velocidad de la llama: el hidrógeno, para concentraciones medias, tiene una velocidad de llama mayor que otros combustibles.  Temperatura de ignición: el hidrógeno tiene mayor temperatura de ignición que los combustibles comunes. Algunas de las propiedades anteriores son menos críticas que otras desde el punto de vista de la seguridad. Tan sólo un pequeño número de ellas se pueden considerar decisivas a la hora de evaluar los peligros potenciales y establecer sus factores de riesgo. Las condiciones normales de temperatura y presión (NTP) corresponden a propiedades a 0ºC y 1 atmósfera. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 57 Se debe realizar una distinción entre la velocidad de empuje y la velocidad de difusión. El empuje responde a la velocidad de una nube de gas que permanece cohesionada. La difusividad describe la velocidad a la cual las moléculas individuales penetran en el volumen de otro gas. Ambos parámetros son necesarios para explicar la velocidad con la que la nube de hidrogeno se dispersa en el aire.  Velocidad de difusión en el aire a NTP: la velocidad a la cual un combustible gaseoso se difunde en el aire.  Velocidad ascensional en el aire NTP: la velocidad a la cual el combustible gaseoso se eleva en el aire por las fuerzas de empuje.  Energía térmica radiada: energía emitida por radiación desde la zona de combustión hacia sus proximidades.  Quenching en el aire a NPT: la máxima distancia, entre dos superficies planas de acero, que evita la propagación de las llamas o chispas a través de dicha separación.  Distancia de inducción a la detonación a NPT: la distancia necesaria para que una deflagración se convierta en una detonación en una mezcla aire/hidrógeno.  Limitación de oxígeno: la concentración mínima de oxígeno que soportaría la propagación de la llama en una mezcla con concentraciones desconocidas de combustible, aire y nitrógeno. Si esta mezcla contiene menos de un 5% en volumen de oxígeno la llama no podrá propagarse.  Máxima distancia experimental de seguridad (MESG) en el aire a NTP: la combustión del combustible depende en gran medida de si el proceso ocurre en una zona total o parcialmente confinada, o bien en espacios abiertos dado que la sobrepresión puede provocar una situación de accidente. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 64 Para la estructura trasera y para el primer caso sin modificar: En los sucesivos ensayos se modificarán solo las barras de dos mm pasando a tres mm y cuatro mm sucesivamente, así mismo los apoyos tienen diez mm de espesor y las chapas dos mm., a las chapas no se les modificara el espesor. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 65 ANEXO H ACUERDO INTERNACIONAL SOBRE EL TRANSPORTE DE MERCANCIAS PELIGROSAS POR CARRETERA (ADR) El ADR o Acuerdo Europeo sobre el transporte internacional de cargas peligrosas por vía terrestre es un acuerdo europeo firmado por varios países en Ginebra el 30 de Septiembre de 1957 para regular el transporte de mercancías peligrosas por carretera. El acuerdo regula el embalaje, transporte, documentación y demás aspectos del transporte por carretera de las mercancías peligrosas, incluyendo la carga, descarga y almacenaje de las mismas, sea que el transporte se realice entre varios países o dentro del territorio de uno solo. Un aspecto importante es la determinación de las obligaciones y responsabilidades de cada uno de los intervinientes en las operaciones en orden a procurar evitar daños a las personas y cosas así como proteger al medio ambiente. En el punto 3.5.3 se describe el ensayo que deben soportar los bultos llenos al 95 por ciento o 98 si se trata de solidos, el bulto debe soportar: Una caída de 1,8 m sobre una superficie horizontal plana, rígida y no elástica, como la muestra se asemeja a forma de bidón, se dejara caer en las siguientes orientaciones:  En diagonal sobre el reborde de la parte superior, con el centro de gravedad en la vertical del punto de impacto.  Diagonalmente sobre el reborde de la base  De plano sobre el costado Nota: Cada una se ensayara en bultos diferentes pero idénticos. Una fuerza aplicada sobre la superficie superior durante 24 horas y equivalente al peso total, de los bultos idénticos que podrían apilarse hasta una altura de 3 metros (incluida muestra). En el punto 6.7.2 las disposiciones relativas a la construcción y ensayos a los que deben someterse las cisternas o estructuras dedicadas al transporte de materias por carretera. 6.7.2.7 indica que todas las cisternas portátiles deberán estar provistas de un equipo de descompresión, éstos estarán diseñados para cumplir con todas las especificaciones indicadas, el punto 6.7.2.12 nos indica el caudal de estos. El apartado 6.7.18 nos indica el tipo de normativa que debe tener aprobada nuestro vehículo para circular. El apartado 6.7.2.19 nos indica los controles y ensayos a pasar la periodicidad de estos (6.7.2.19.2),. En el apartado 6.7.2.2 indica las disposiciones relativas al diseño y construcción lo mas relevante es el apartado 6.7.2.2.12 que indica que la cisterna y sus medios de fijación debe soportar con la carga máxima autorizada. Las fuerzas estáticas siguientes aplicadas por separado:  En la dirección de transporte, dos veces el PBMA multiplicado por la aceleración de la gravedad (g)1;  Horizontal, perpendicularmente a la dirección de transporte, el PBMA (en el caso en que la dirección de transporte no esté claramente determinada, las fuerzas deberán ser iguales a dos veces el PBMA multiplicada por la aceleración de la gravedad (g)1; Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 66  Verticalmente de abajo a arriba, el PBMA multiplicado por la aceleración de la gravedad (g)1;  Y verticalmente de arriba abajo, dos veces el PBMA (la carga total incluyendo el efecto de la gravedad) multiplicado por la aceleración de la gravedad (g)1. Diseño y Cálculo de la Estructura de un Remolque para el Transporte de Botellas de Hidrógeno. 67 ANEXO I IMÁGENES ENSAYO ESTRUCTURA DETRÁS 2MM Se obtendrá la siguiente secuencia de imágenes cada cuatro segundos omitiendo las imágenes antes del contacto que nos describen los esfuerzos producidos en el choque para 2mm: