Ansys: modellazione di recipienti in pressione realizzati in laminati compositi

Autore: Marco Pisati, Luca Albertazzi e Giovanni Lovicario.

Nel corso di questi anni i recipienti in pressione in materiale composito stanno sostituendo sempre più l’utilizzo di materiali metallici, soprattutto per determinati campi applicativi come quello automobilistico, spaziale ed elettrico.

Se in passato, soltanto i componenti secondari che non avevano un ruolo strutturale venivano realizzati con materiali compositi, tutt’oggi questi materiali sono utilizzati anche per componenti strutturali, che devono resistere a determinate sollecitazioni.

A tal riguardo, recipienti in pressione in materiale composito vengono spesso utilizzati per diverse applicazioni per lo stoccaggio in pressione di gas naturale, carburante e idrogeno liquido. Inoltre, in presenza di acidi molto aggressivi, i materiali metallici non sono in grado di soddisfare determinati requisiti di progetto, generando problematiche rilevanti da un punto di vista realizzativo ed economico. Nel contesto di recipienti in pressione, i compositi sono realizzati tramite una fibra di rinforzo all’interno di una matrice polimerica (FRP). Con questo approccio si realizzano dei laminati con fibre lunghe con la medesima orientazione, che saranno a loro volta sovrapposti uno sopra l’altro in base alle esigenze progettuali e realizzative.

L’accrescente richiesta di progettazione utilizzando questi materiali porta all’esigenza di utilizzare un approccio ingegneristico diverso rispetto ai materiali convenzionali. Essendo materiali ortotropi, considerando la diversa orientazione dei laminati posizionati una sopra l’altro, è richiesta una progettazione più accurata.

Ansys offre tutti gli strumenti per effettuare la progettazione di prodotti ingegneristici realizzati con materiali compositi in modo semplice, intuitivo e veloce. Definendo le proprietà del singolo laminato e l’orientamento strato per strato che definiscono la struttura è possibile monitorare le proprietà elastiche del singolo laminato e del lay up globale. Questa tecnica permette al progettista di identificare l’orientamento ottimale di ciascun laminato in base alle proprie esigenze.

 

Partendo da una fase di pre-processing è possibile convertire facilmente un modello tridimensionale in un modello costituito da soli elementi shell, ottimizzando sia il processo di meshatura che il costo computazionale dell’analisi FE. Con Ansys Mechanical il processo di meshatura, definizione di condizioni di vincolo e carico risultano semplici e intuitivi. 

Dopo aver definito la mesh e le condizioni al contorno, si possono facilmente definire i laminati nelle varie zone del serbatoio. Impostando il materiale di base, spessore, angolo e numero del singolo laminato si definisce lo spessore della superficie di interesse. Nelle zone che presentano una maggior criticità strutturale è possibile aumentare lo spessore nella zona da rinforzare. Ansys grazie all’approccio lay up permette facilmente di effettuare questo inspessimento

Nella figura seguente si può notare come grazie alla metodolgia lay up si sia definita una zona con uno spessore maggiore rispetto allo spessore della virola e dei fondi. Mentre le superfici rosse indicano uno spessore di 8 mm (zona rinforzata), le superfici blu indicano lo spessore del serbatoio di 4 mm. Inoltre grazie ad un’ interfaccia user-friendly è possibile monitorare la corretta definizione dell’orientamento delle fibre di ogni singolo laminato. Nella figura di dettaglio si possono facilmente indentificare le frecce verdi che indicano l’orientamento delle fibre di tutti i laminati che caratterizzano lo spessore. In questo esempio, a puro scopo dimostrativo, è stata utilizzata la seguente configurazione (0°,+45°,-45°,+45°,-45°,+45°,-45°,90°).

Una volta che la configurazione dei laminati e le condizioni al contorno sono state definite correttamente, l’analisi FE calcola facilmente il campo degli spostamenti e il tensore degli sforzi. Essendo il materiale ortotropo, i termini del tensore degli sfrozi dovranno essere utilizzati a seconda del criterio di resistenza più idoneo per questo tipo di materiali. Con Ansys è possibile scegliere diversi criteri di resistenza a seconda delle proprie esigenze. A scopo dimostrativo, per questo esempio si è scelto di utilizzare il criterio di Tsai-Wu e Tsai-Hill per identificare i punti di failure del serbatoio. Una volta scelto il criterio, si possono plottare diversi indici che permettono di verificarne il grado di resistenza. In questo caso, il margine di sicurezza (mos) evidenzia la criticità del materiale quando il valore risulta inferiore a 0. 

L’immagine precedente evidenzia i punti più critici dove il margine di sicurezza risulta minore di 0. A questo punto è possibile approffondire maggiormente tale criticità, andando ad analizzare layer per layer. Attraverso una semplice procedura di sampling è possibile analizzare nel dettaglio i punti desiderati attraverso il lay up globale. Nella seguente figura si può osservare il margine di sicurezza di ciascun layer, identificando il layer più critico, in questo caso quello più esterno. Da questo grafico è possibile identificare e ottimizzare i vari strati con l’obbiettivo di progettare e realizzare un prodotto il più competitivo possibile.

Questo breve articolo ha l’obbiettivo di illustrare brevemente come Ansys è in grado di realizzare calcoli struttrali tenendo in considerazione tutte le caratteristiche meccaniche dei materiali compositi. In questo esempio dimostrativo si sono considerati laminati a fibra lunga con la medesima orientazione, ma ci sono anche strumenti e metodologie dedicate anche allo studio di compositi a fibra corta e con orientazione casuale. 

Grazie soprattutto ad un’ interfaccia user friendly, Ansys riesce in breve tempo a preparare un modello ottimale per il calcolo FE, considerando tutte le peculiarità di questi materiali ormai più che utilizzati nel mondo industriale. Con una solida robustezza e affidabilità dei risultati numerici, Ansys si dimostra uno strumento ingegneristico essenziale per la progettazione di prodotti sempre più competitivi ed innovativi da lanciare nel mercato.

 

Contributo di autori: M.P.: Contenuto tecnico, writing-original e contenuto media; L.A. technical writing-review. G.L.: comunicazione e writing-review.