Estudo teórico e numérico de um vaso de pressão cilíndrico de paredes grossas

Abstract

Vasos de pressão são equipamentos versáteis com diversas aplicações industriais destinados principalmente ao armazenamento e processamento de fluido pressurizado. No contexto da Engenharia Mecânica, o estudo de vasos de pressão se limita frequentemente ao caso de vasos de paredes finas, cujas hipóteses feitas durante equacionamento dos esforços atuantes garantem resultados precisos e suficientes para o dimensionamento destes equipamentos. Vasos de pressão de paredes grossas requerem uma abordagem diferente, visto que a espessura da parede passa a exercer forte influência no campo de tensões atuantes no vaso. Para melhor compreensão do comportamento mecânico destes equipamentos, este trabalho apresenta um estudo acerca da distribuição de tensões em um modelo de vaso de pressão de paredes grossas dimensionado sob as especificações do código ASME Seção VIII Divisão II e analisado sob a ótica da teoria da elasticidade, através das denominadas soluções de Lamé, e simulado através do método dos elementos finitos. Os resultados obtidos através da análise por elementos finitos são coerentes com os valores obtidos pelas equações analíticas com uma diferença relativa máxima inferior a 2% para o caso analisado, validando assim os métodos utilizados. Destaca-se a validade da extensão de cada método e suas vantagens no que tange à análise global de esforços atuantes sobre vasos de pressão.

Pressure vessels are versatile equipment with several industrial applications intended mainly for the storage and processing of pressurized fluid. In the context of Mechanical Engineering, the study of pressure vessels is often limited to the case of thin-walled pressure vessels, whose considerations made during the analysis of the acting forces guarantee accurate and sufficient results for the design of these equipment. Thick-walled pressure vessels require special attention, since the wall thickness exerts a strong influence on the stress field acting on the vessel. For a better understanding of the mechanical behavior of these equipment, this work presents a study about the stress distribution in a model of a thick-walled pressure vessel dimensioned according to the specifications of the ASME Code Section VIII Division II and analyzed from the perspective of the theory of elasticity, through the so-called Lamé solutions, and simulated through the finite element method. The results obtained through the finite element simulation are consistent with the values obtained by the analytical equations with a maximum relative difference of less than 2% for the analyzed case, guaranteeing reliability to the methods used. The validity of the extension of each method and their advantages regarding the global analysis of forces acting on pressure vessels are also highlighted.