Vasos de pressão de material compósito: análise estrutural a partir de diferentes orientações de suas fibras

Abstract

Os vasos de pressão têm grande importância em vários ramos da indústria por possibilitar o armazenamento de fluido à alta pressão. Nas indústrias aeroespacial e aeronáutica, de hoje, os compósitos reforçados com fibras encontram uma ampla gama de aplicações nos tanques de combustível e nos cilindros de ar, graças a sua alta resistência específica e baixo peso. Neste contexto, softwares de análise estrutural por elementos finitos são ferramentas fundamentais para projetos de engenharia. Com isso, o objetivo deste trabalho é apresentar um estudo sobre vasos de pressão de materiais compósitos, junto de uma análise teórica e numérica utilizando o software ANSYS. Para isso, foram realizadas simulações em um cilindro de compósito modelado no módulo ACP do software ANSYS. Neste estudo, variaram-se as orientações das fibras e a sequência de empilhamento de camadas para avaliar o comportamento das tensões e, determinar uma condição ótima de orientação de fibra e de empilhamento de camadas. Os resultados obtidos confirmaram a eficiência do software em simular condições reais de carregamento e a análise de tensões indicou que a orientação de fibras em ±15° com uma sequência de empilhamento simétrica resultam na menor tensão normal nominal.

Pressure vessels are of great importance in a number of branches of the industry by enabling the storage of fluid at high pressure. In today's aerospace and aeronautics industries, fiber-reinforced composites find a wide range of applications in fuel tanks and air cylinders thanks to their high specific strength and low weight. In this context, finite element structural analysis software is an essential tool for engineering projects. With this, the objective of this work is to present a study on composite pressure vessels and a theoretical and numerical analysis using ANSYS software. For this, simulations were performed on a composite cylinder modeled on the ANSYS’s ACP module. In this study, the fiber orientations and the layer stacking sequence were varied to evaluate the stress behavior and to determine an optimum fiber orientation and layer stacking condition. The obtained results confirmed the efficiency of the software in simulating real loading conditions, and stress analysis indicated that fiber orientation in ± 15 ° with a symmetrical stacking sequence resulted in the lowest rated normal stress.