Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Otimização multiobjetivo de vaso de pressão tipo IV para armazenamento de hidrogênio usando método dos elementos finitos e metodologia de superfície de resposta
Autor(es): NEVES, Carlos Eustáquio dos Santos
Primeiro Orientador: ANCELOTTI JUNIOR, Antônio Carlos
metadata.dc.contributor.advisor-co1: MENDEZ, Yohan Ali Diaz
Resumo: As células de combustível de hidrogênio para veículos estão entrando no mercado automotivo e em muitos outros mercados, como sistemas de armazenamento estacionários e combustível aeroespacial para foguetes, oferecendo benefícios como a redução das emissões de gases nocivos, maior segurança energética e maior eficiência dos transportes. Um dos grandes desafios neste campo é o desenvolvimento de tecnologias para armazenar hidrogénio de uma forma que permita o transporte e armazenamento seguros desde o local de produção até ao consumidor final. O armazenamento de hidrogênio requer um recipiente sob pressão mais sofisticado em comparação com um tanque de combustível tradicional, por exemplo. O principal desafio do vaso de pressão para armazenamento de hidrogênio reside na sua construção e no projeto, particularmente na identificação de materiais alternativos e configurações de diferentes fibras que possam suportar a pressão interna nominal de trabalho. Neste estudo, simulações numéricas serão realizadas utilizando o Método dos Elementos Finitos (MEF) para avaliar diversas configurações de laminados, incluindo diferentes orientações e espessuras de fibra. O objetivo é avaliar a probabilidade mínima de falha. Para aumentar a eficiência computacional, a Metodologia de Superfície de Resposta (RSM) será utilizada para criar uma função objetivo, que será otimizada usando o Algoritmo Genético (AG). Os parâmetros ideais do vaso de pressão serão validados através do Método dos Elementos Finitos (MEF). Inicialmente, simulações numéricas serão realizadas utilizando FEM em um vaso de pressão composto tipo IV. Será considerado um liner de poliamida 6 (PA6) com trama de fibra de carbono, juntamente com diferentes orientações e espessura constante das camadas laminadas. O objetivo é minimizar o fator de segurança Tsai-Wu para cada combinação. Alguns dados obtidos do FEM serão usados para criar um modelo de superfície de resposta de fator inverso (IRF) personalizado. Este modelo será utilizado para determinar a resistência de reserva do material com base no Critério de Falha Tsai-Wu, que representa adequadamente a influência desses parâmetros na resposta mecânica do vaso de pressão. Posteriormente, será empregado o método de otimização multiobjetivo de algoritmos genéticos para encontrar os valores ótimos das variáveis de projeto que garantam o menor peso e a mínima probabilidade de falha. Os resultados demonstram a eficácia desta metodologia, que será então validada através do Método dos Elementos Finitos (MEF) para confirmar os parâmetros ideais do vaso de pressão.
Abstract: Hydrogen fuel cells for vehicles are entering the automotive market and many other markets, offering benefits such as reduced harmful gas emissions, enhanced energy security, and increased transportation efficiency. One of the major challenges in this field is the development of technologies for storing hydrogen in a manner that allows safe transportation and storage from the production site to the end consumer. Hydrogen storage requires a more sophisticated pressure storage vessel compared to a gasoline tank, for example. The primary challenge with hydrogen storage cylinders lies in their construction and design, particularly in identifying alternative materials and configurations of different fibers that can withstand the rated internal working pressure. In this study, numerical simulations will be conducted using the Finite Element Method (FEM) to evaluate various laminate configurations, including different orientations and fiber thicknesses. The objective is to assess the minimum probability of failure. To enhance computational efficiency, the Response Surface Methodology (RSM) will be utilized to create an objective function, which will be optimized using the Genetic Algorithm (GA). The ideal parameters of the pressure vessel will be validated using the Method of Finite Elements (MEF). Initially, numerical simulations will be performed using FEM on a type IV composite pressure vessel. A polyamide 6 (PA6) liner with a carbon fiber weave will be considered, along with different orientations and constant thickness of the laminated layers. The objective is to minimize the Tsai-Wu safety factor for each combination. Some data obtained from the FEM will be used to create a customized inverse factor (IRF) response surface model. This model will be used to determine the reserve strength of the material based on the Tsai-Wu Failure Criterion, which adequately represents the influence of these parameters on the mechanical response of the pressure vessel. Subsequently, the multi-objective optimization method of genetic algorithms will be employed to find the optimal values of the design variables that ensure the lowest weight and minimum probability of failure. The results demonstrate the effectiveness of this methodology, which will then be validated using the Finite Element Method (FEM) to confirm the ideal parameters of the pressure vessel.
Palavras-chave: Vaso de pressão compósito
Método dos elementos finitos
Metodologia de superfície de resposta
Algoritmo genético multiobjetivo
Fibra de carbono
Armazenamento de hidrogênio
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IESTI - Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Elétrica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3952
Data do documento: 29-Set-2023
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