Diseño y análisis FEM de equipos y conductos fabricados en plástico reforzado con fibras (FRP)

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Diseño y analisis FEM de equipos y conductos fabricados en FRP

Son muchos los sectores (industria química y de proceso, sector naval, aeronáutico o alimentario) y aplicaciones industriales en las que se requiere diseñar  y validar equipos fabricados con materiales especiales (FRP- Fiberglass Reinforced Plastic o plástico reforzado con fibra de vidrio), debido a los especiales requerimientos de resistencia a la corrosión para los que tienen que dar servicio. Es el caso de recipientes a presión, conductos, tuberías o tanques de almacenamiento, entre otros etc.

Su diseño y construcción está regulado por diferentes estándares americanos y europeos; cabe citar, entre otros:

  • ASME BPVC Section X, Fiber-Reinforced Plastic Pressure Vessels, que cubre el diseño y construcción de recipientes a presión, fabricados mediante tecnología FRP (laminados de plástico reforzado con fibras de carbono, vidrio o aramida), para presiones internas por encima de 15 psig, y externas entre 0 y 15 psig. Clasifica los equipos en Clase I, Clase II y Clase III.
  • ASME RTP-1 Reinforced Thermoset Plastic Corrosion-Resistant Equipment, que está enfocado a tanques y recipientes con presiones internas o externas de hasta 15 psig. Laminados tipo I, tipo II y tipo X.
  • Los estándares ASTM D-3982 (Contact Molded Duct and Hoods), ASTM D-6041 (Contact Molded Pipe), ASTM D-3299 (Filament Wound Tanks) y ASTM D-4097 (Contact Molded Tanks).
  • El estándar europeo BS EN 13923 Filament-wound FRP pressure vessels. Materials, design, manufacturing and testing, para recipientes a presión y cilindros de gas sometidos a preseiones inferiores a 20Mpa y a temperaturas entre -30 y 120ºC.
  • BS EN 13923 GRP tanks and vessels for use above ground.

En muchos casos, estos códigos y estándares requieren una determinación precisa de los estados tensionales y de deformación de los componentes laminados (FRP), para su validación y certificación, como es el caso de equipos de clase II según ASME Section X. Esto se puede realizar por medio de cálculos analíticos o mediante simulación.

El análisis de dichas tensiones y deformaciones, así como la orientación los esfuerzos respecto a la orientación de las fibras, resulta muchas veces compleja o inabordable mediante un análisis estándar por fórmula, siendo necesario el uso de metodologías de simulación como el método de los elementos finitos (FEM). Es el caso de geometrías especiales o de zonas con discontinuidades: aberturas, soportes, equipos con geometrías no cilíndricas ni esféricas, refuerzos, etc.

La dirección y el valor de la deformación y de las tensiones en la lámina, como resultado del cálculo por elementos finitos, se utilizan para validar cada componente frente a los requisitos y criterios de fallo del código correspondiente: limitaciones de tensión, deformación o pandeo. Estos cálculos se realizan para las distintas condiciones de operación, situaciones de izado y transporte, condiciones de viento y sismo, etc

Analisis FEM para el diseno y analisis de equipos y conductos fabricados en plastico reforzado con fibras FRP 1

Las herramientas de simulación mediante análisis FEM (análisis por elementos finitos), se utilizan de manera complementaria al diseño realizado mediante cálculos analíticos (por formula), ya que  resultan de gran ayuda para la optimización de materiales, el análisis de detalles constructivos, o bien para anticipar posibles deficiencias en el equipo, incluso en el caso de aquellos cuya certificación se realiza por medio de prototipos que se destruyen durante el ensayo (como los equipos construidos bajo el estándar ASME RTP-1).

Análisis FEM

Mediante el uso de software de análisis FEM es posible caracterizar de forma precisa las propiedades mecánicas y térmicas de materiales laminados, según el tipo de fabricación (filament winding, tape wrapping, spray up, vacuum infused…), el material de la matriz, y según la tipología y orientación de las fibras de refuerzo.

El código de referencia requerirá en ciertos casos la realización previa de ensayos para determinar las propiedades mecánicas de las láminas, según la dirección de la carga.

FRP

CADE dispone de una dilatada experiencia en el diseño y cálculo de equipos complejos fabricados con materiales FRP, ya sea mediante cálculo por fórmula y/o mediante simulación FEM

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