Estudio estructural en autotanques que transportan...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A2a Materiales: Simulación en FSI, ANSYS

“Estudio estructural en autotanques que transportan gas LP, con diferentes

configuraciones de rompeolas”

Hernández-Morales J.J.a, Rodríguez-Morales E.a,*, Bautista-Jacobo J.L.b, Montes-Rodríguez J.J.b,

Toscano-Giles J.A.a

aTecnológico Nacional de México, Av. Tecnológico esq. Mariano Escobedo s/n, Col. Centro, Querétaro, Qro., 76000, México. bCentro de Ingeniería y Desarrollo Industrial, Av. Playa Pie de la Cuesta No. 702, Querétaro, Qro., 76125, México.

*Autor contacto. Dirección de correo electrónico: [email protected]

R E S U M E N

En este trabajo se realiza un análisis estructural de un autotanque que transporta gas LP. En el interior del autotanque se

encuentran colocadas unas estructuras llamadas rompeolas, cuya función es atenuar el oleaje que se genera. Este oleaje se

presenta en autotanques cuyos niveles de llenado son parciales, lo cual es así con el propósito de mantener la presión en el

tanque bajo límites permitidos, para disminuir riesgos durante el trasporte de estos líquidos.

El análisis estructural se realizó empleando el paquete computacional ANSYS Workbench (ANSYS INC.), usando la

aplicación FSI (Fluid Structure Interaction) de una sola vía, la cual se utiliza cuando un fluido interactúa con una estructura

y ejerce presión sin deformar significativamente la estructura, por lo que no cambia el movimiento del fluido. El estudio se

realizó para dos tipos de geometrías de rompeolas: a) en forma de cruz (+) y b) en forma de equis (X).

Palabras Clave: Rompeolas, Oleaje

A B S T R A C T

In this work a structural analysis of a road tanker transporting LPG is carried out. Structures called baffles, whose function

is to damp the sloshing that is generated. Sloshing occurs in road tankers whose filling levels are partial, which is so for

the purpose of maintaining tanker pressure under permitted limits, to reduce risks during transportation of these liquids.

Structural analysis was performed employing ANSYS Workbench (ANSYS INC.) software, using one-way FSI (Fluid

Structure Interaction) application, which is used when a fluid interacts with structure applying pressure without significant

structure deformation, so that fluid motion is not changed. The study was carried out for two baffle types: a) cross-shaped

(+) and b) X-shaped (X). As a starting point it is considered that in a road tanker without baffles the fluid energy due to its

motion is such that it destabilizes the vehicle when it is suddenly stopped, which can cause material damage around it.

Keywords: Keywords: Sloshing, baffles

1. Introducción

1.1 Autotanques para el transporte de Gas LP

El transporte de materiales y residuos peligrosos es una

actividad productiva que involucra una amplia gama de

productos y de vehículos para su traslado. En México, esta

actividad se realiza por cualquiera de los modos de

transporte, tales como el marítimo, el ferroviario, el aéreo y

el carretero. Sin embargo, el modo más utilizado en nuestro

país es el carretero, a través del autotransporte federal,

donde las unidades para el transporte de materiales

peligrosos representan el 11.1% del total de unidades

registradas para el año 2010 [1]. La demanda y uso de

sustancias peligrosas se ha generalizado y está en constante

crecimiento, no sólo en la industria, sino también en otros

sectores, lo cual representa un gran número de riesgos

ISSN 2448-5551 MM 28 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


sanitarios y ambientales importantes. Por lo anterior, el

tránsito en las carreteras con vehículos que transportan

materiales y residuos peligrosos se ha incrementado de

manera importante, demandando rutas para su operación,

un mayor número de unidades e incremento de sus

capacidades para el traslado. Esto significa que diariamente

están circulando unidades que representan un riesgo mayor

durante su operación y pudieran tener repercusiones que

vulneran la infraestructura del transporte, el medio

ambiente y a la población que reside en zonas aledañas a las

vías de comunicación terrestre.

El transporte de combustibles líquidos inflamables está

rodeado de algunas condiciones que deben tomarse en

cuenta durante el traslado. Por un lado, con la finalidad de

mantener confinado al material y evitar pérdidas, el

contenedor debe permanecer sellado durante el recorrido de

la unidad, desde el origen hasta su destino. Por otro lado,

documentos internacionales relacionados con el transporte

de materiales peligrosos indican que el llenado de los

contenedores para transporte terrestre (autotanques) no

debe ser completo, con la intención de minimizar riesgos y

mantener la presión interna por debajo de límites seguros

[2]. Una de las implicaciones asociadas a la existencia de

un espacio de expansión se refiere a la presencia de una

superficie libre en el líquido transportado, la cual

proporciona condiciones necesarias para el movimiento del

fluido (oleaje). Debido a la naturaleza del comportamiento

de los líquidos dentro de contenedores en movimiento, entre

la carga y el contenedor se produce una serie de fuerzas que

influyen en el comportamiento dinámico del vehículo en su

totalidad. Una de las principales razones de la generación

de tales fuerzas es el oleaje del líquido, que surge debido a

la inercia del fluido cuando el vehículo realiza un cambio

en la dirección de movimiento.

1.2 Fenómenos que se presentan en autotanques que

transportan fluidos

De acuerdo con algunos estudios realizados en el Instituto

Mexicanos del Trasporte, las interacciones que se presentan

entre el tanque, la carga y el vehículo, contribuyen

considerablemente en la reducción de los niveles de

estabilidad de los autotanques, principalmente en los

umbrales de volcadura. Cuando el contenedor presenta un

espacio libre de líquido, el movimiento del fluido se

manifiesta como un oleaje en la superficie libre. Este oleaje

se presenta transversal y longitudinalmente debido a los

cambios de velocidad y de dirección [3]. Para atenuar el

oleaje, se emplean unas estructuras colocadas en el interior

de lo autotanques conocidas como rompeolas, que pueden

ir desde dos o más. Aunque el efecto de estos elementos es

benéfico en primera instancia, también presenta algunas

desventajas: adicionar material al tanque modifica la

distribución de la masa vehicular, lo cual puede influir

negativamente en su estabilidad dinámica al modificar la

altura del centro de gravedad. Es aquí donde la selección de

los materiales juega un papel importante, pudiendo

manejarse como una alternativa para equilibrar las ventajas

del uso de elementos rompeolas, con las desventajas de

adicionar material que pudiera incrementar la altura del

centro de gravedad global del vehículo. Por tal motivo, es

importante que durante el traslado de carga líquida se

minimicen las fuerzas desestabilizadoras producidas por el

movimiento del fluido [3].

En México, el diseño de los autotanques incluye tres

rompeolas en forma de cruz (+), y tres en forma de equis

(X), que a su vez delimitan el espacio interno del tanque en

segmentos de aproximadamente la misma longitud. Existen

varios estudios que muestran simulaciones numéricas del

oleaje cuando se utilizan rompeolas, los cuales indican que

el flujo del combustible tiene que ser cambiado en el tanque

de combustible con el fin de tener oleajes reducidos. Así el

diseño de rompeolas juega un papel clave en la reducción

del oleaje [4].

1.3 Análisis estructural de autotanques que presentan

oleaje interior

Existen estudios cuyo propósito es investigar cómo la

interacción fluido-estructura afecta el comportamiento

dinámico de tanques que contienen algún tipo de fluido.

Para este propósito, se emplea un algoritmo de interacción

fluido-estructura (FSI, por sus siglas en inglés) usando el

método de los elementos finitos para el análisis. Se utiliza

un algoritmo arbitrario Euleriano-Lagrangiano (ALE) para

simular la interacción fluido-estructura, el movimiento de

los fluidos y la oscilación del tanque [5].

Se han propuesto modelos analíticos y numéricos para

evaluar los fenómenos del oleaje, pero la mayoría están

limitados por la geometría del tanque, el tipo de movimiento

que lo genera y la flexibilidad de la estructura. Sin embargo,

el aumento continuo de la potencia computacional y el

desarrollo de modelos de CFD permiten resolver las

ecuaciones de Navier-Stokes, incluso para fenómenos

transitorios largos. Además, varios paquetes

computacionales comerciales permiten el acoplamiento

automático entre diferentes tipos de análisis, por ejemplo un

análisis transitorio FSI bidireccional [6], también llamado

de dos vías (Two Way, en inglés). En esta investigación,

por la naturaleza del fenómeno bajo estudio, se emplea un

análisis de la interacción fluido-estructura de una sola vía

(One Way, en inglés).

2. Metodología

2.1 Sistema de estudio

El sistema a estudiar es un autotanque que transporta gas LP

a un 90% de su capacidad, el cual es un recipiente horizontal

cilíndrico de sección transversal circular, cuyo interior se

encuentra dividido por la presencia de rompeolas que son

en forma de cruz (+) y en forma de equis (X), tal como se

observan en la figura 1.



2 2 2

1 2 3 1 2 1 3 2 3

12 0

2oW v

E

Figura1. Rompeolas en forma de “+” y de “X”.

La geometría del autotanque se generó en el paquete

computacional de diseño SolidWorks®, y se exporta al

paquete computacional de simulación ANSYS

Workbench®. El análisis se separó en dos partes: se realizó

primero un estudio de flujo de fluidos empleando la

aplicación Fluent®, el cual fue realizado ya en una

investigación previa [4], para obtener el conjunto de datos

que se utilizaron en el análisis estructural empleando el

módulo Static Structural; a esta etapa de acoplamiento entre

Fluent y Static Structural se le denomina FSI. Se debe

poner especial atención al mallado que debe hacerse para

ambos análisis, ya que debe ser semejante, caso contrario

pueden tenerse problemas para la obtención de resultados

apropiados.

Las dimensiones del autotanque fueron proporcionadas por

la empresa Autotanques Nieto, S.A. de C.V., aunque la

empresa cuenta con autotanques de diversas capacidades

volumétricas, se trabajó con el que existe en mayor

cantidad: un vehículo T3-S2 (autotanque estándar). En la

tabla 1 se muestran algunas características [7].

Tabla 1. Características del tanque.

Presión máxima de trabajo 14.00 kg/cm2

Cabezales Semiesféricos

Diámetro Exterior 2.261 m

Longitud Total 14.453 m

Espesor de Placa del Cuerpo 0.0148 m

Espesor de Placa de Cabezales 0.008 m

Material Cuerpo y Cabezal ASTM A612

Material de rompeolas ASTM A36

Esfuerzo de cedencia: ASTM A36/250MPa, ASTM A612/344.7MPa

2.2 Suposiciones de la simulación

En adición a las suposiciones consideradas para el estudio

de flujo de fluidos previamente publicado [4], para el

presente estudio se consideran las siguientes suposiciones

para la realización de las simulaciones:

El sistema se encuentra en equilibrio térmico con

sus alrededores y no hay intercambio de calor entre

los fluidos y el autotanque, todos a una

temperatura de 15.5°C.

El sistema bajo estudio es tridimensional (3D).

Se utiliza una condición de soportes fijos (fixed

support), la cual considera que no existe

desplazamiento entre los diferentes componentes

estructurales del autotanque.

Los campos de presión del fluido generados del

análisis de flujo de fluidos son aplicados al cuerpo

del autotanque y a los rompeolas, para tiempos de

0, 0.5, 1 y 1.5 s después que el autotanque alcanza

el reposo como consecuencia del frenado; la

elección de dichos tiempos obedece al hecho de

que al tiempo de 1 s la energía cinética turbulenta

es máxima para los dos tipos de rompeolas

estudiados [4].

2.3 Condiciones iniciales y de frontera

Las condiciones inicial y de frontera son las siguientes:

Inicialmente, ningún componente del cuerpo del

autotanque, incluidos los rompeolas y sus

aditamentos de fijación presentan deformación

alguna.

En las fronteras de los elementos estructurales del

autotanque (cuerpo, rompeolas y elementos de

fijación de los rompeolas al cuerpo del autotanque)

se aplica una carga, la cual es resultado del campo

de presiones generado por el movimiento del

fluido a diferentes tiempos del fenómeno.

2.4 Ecuaciones

Se emplea el criterio de von Mises (criterio de la densidad

de energía de distorsión), el cual establece que la fluencia

inicia cuando la densidad de energía de distorsión en un

punto es igual a la densidad de energía de distorsión de una

prueba uniaxial en tensión o compresión, es decir:

(1)

donde Wo es la energía de deformación, E es el módulo de

elasticidad o módulo de Young, ν es el módulo de Poisson,

y 1, 2, 3 son esfuerzos principales.

La densidad de energía de distorsión es la asociada al

cambio de forma del medio continuo. La densidad de

energía total de deformación, W0, dada en la ecuación (1)

puede separarse en dos partes: una que produce un cambio



2 2 2 2

1 2 3 1 2 2 3 3 1

18 12oW

K G

volumétrico, Wʋ, y la otra que produce distorsión, Wd.

Manipulando algebraicamente la ecuación, se tiene:

(2)

donde K es igual a [3(1-2ν)] y G es el módulo de plasticidad.

En la ecuación anterior, el primer término es igual a Wʋ,

mientras que el segundo es igual a Wd.

2.5 Análisis numérico

El análisis estructural realizado en ANSYS Workbench está

basado en el método del elemento finito, MEF, y se parte de

hacer un mallado del dominio de cálculo estructural,

realizando de por medio un estudio de malla, con la

intención de encontrar aquella malla que permita obtener

resultados confiables [9]. El número total de elementos

empleados para el dominio fue de 19001. En la figura 2 se

muestra el dominio de cálculo (autotanque) ya mallado:

Figura 2. Autotanque mallado.

3. Resultados

Se secciona la geometría y se identifica cada parte del

autotanque (figura 3), de tal manera que se tienen dos

cabezales, 1 y 2, identificados con las letras A y B, tres

rompeolas, A, B y C, y dos secciones del tanque, A y B.

Cada rompeolas tiene 8 uniones al cuerpo del autotanque,

las cuales no se identificaron pues el rompeolas las define.

Figura 3. Secciones del dominio de cálculo.

De las simulaciones realizadas, se obtienen cuatro grupos

de resultados:

Esfuerzo Máximo Principal (Maximum Principal

Stress)

Tensión Equivalente de Von Mises (Equivalent

Von-Mises Stress)

Deformación Total (Total Deformation)

Deformación Elástica Equivalente (Equivalen

Elastic Strain)

A partir de los grupos de resultados obtenidos, se realizó

un análisis comparativo entre tipos de rompeolas, poniendo

énfasis en los esfuerzos generados en las uniones y demás

elementos.

3.1 Análisis de esfuerzos en las uniones de los rompeolas

al autotanque

En las figuras 4 y 5 se muestran las geometrías de los

autotanques con rompeolas en forma de cruz y de equis,

respectivamente. En dichas figuras pueden observarse los

valores del esfuerzo principal máximo en los rompeolas y

sus uniones con el cuerpo del autotanque.

Figura 4. Esfuerzo máximo para rompeolas en cruz.

Figura 5. Esfuerzo máximo para rompeolas en equis.

De los valores mostrados en las dos figuras anteriores,

puede observarse que estos son mayores para el rompeolas

en forma de cruz, en comparación con aquellos del

rompeolas en forma de equis. Puede verse también que en

ambos casos los esfuerzos de mayor magnitud ocurren en

las uniones de los rompeolas con el cuerpo del autotanque,



lo cual indica que las tensiones mayores se presentan ahí, lo

cual puede estar relacionado con la alta tasa de

agrietamiento que se presenta en esa zona en autotanques

en servicio que operan en territorio mexicano [10].

En las figuras 6 y 7 se muestran los valores del esfuerzo

equivalente (Von Mises), para los autotanques con los dos

tipos de geometrías de rompeolas.

Figura 6. Tensión de Von Mises para rompeolas en cruz.

Figura 7. Tensión de Von Mises para rompeolas en equis.

De las dos figuras anteriores puede observarse que el

esfuerzo de Von Mises a tensión para el rompeolas en forma

de cruz tiene valores más grandes que en el rompeolas con

forma de equis; la diferencia es de casi 10 MPa. De forma

semejante a lo observado en las figuras 4 y 5, los esfuerzos

de Von Mises mayores se presentan en las uniones de los

rompeolas con el cuerpo del autotanque, lo cual, al igual que

en el caso de los esfuerzos principales máximos, podría

explicar la alta incidencia de grietas que se han encontrado

en autotanques de este tipo que circulan por el territorio

nacional [10]

3.2 Análisis de las deformaciones en las uniones de los

rompeolas al autotanque

En cuanto a las deformaciones que se presentan, como

consecuencia de los esfuerzos generados en los rompeolas

y sus uniones al cuerpo del autotanque, las figuras 8 y 9

muestran los valores de deformación total para el rompeolas

con forma de cruz y para el rompeolas con forma de equis,

respectivamente.

Figura 8. Deformación total para rompeolas en cruz.

Figura 9. Deformación total para rompeolas en equis.

Puede observarse en las dos figuras anteriores, que en el

rompeolas con forma de equis los valores son cerca de 50%

menores que en aquel con forma de equis.

En las figuras 10 y 11 se muestran los valores encontrados

para la deformación elástica equivalente para los dos tipos

de rompeolas bajo estudio.



Figura 10. Deformación equivalente para rompeolas en cruz.

Figura 11. Deformación equivalente para rompeolas en equis.

De las dos figuras anteriores, puede observarse que el

comportamiento es semejante al observado para las

deformaciones totales, siendo las deformaciones elásticas

equivalente para el rompeolas con forma de equis cerca de

35% menores a los observados con el rompeolas en forma

de cruz. De forma análoga a lo observado para los

esfuerzos, para ambos tipos de rompeolas las

deformaciones elásticas equivalentes mayores se presentan

en las uniones de los rompeolas con el cuerpo del

autotanque.

4. Conclusión

Del estudio realizado se encuentra que el rompeolas en

forma de equis es el más adecuado de entre los dos tipos

analizados, ya que presenta esfuerzos menores y, por lo

tanto, sufre menores deformaciones, en comparación con el

rompeolas en forma de cruz, por lo que puede concluirse

que es el más conveniente para este tipo de autotanques. Los

resultados de los cuatro grupos de resultados obtenidos

sustentan la conclusión recién mencionada.

Las uniones de los rompeolas al cuerpo del autotanque, para

ambos tipos de rompeolas, son las regiones que sufren

mayores esfuerzos y, por lo tanto, presentan mayores

deformaciones, por lo que constituyen elementos que

requieren de atención especial. A pesar de que los esfuerzos

en estas zonas no sobrepasan el límite de cedencia para los

dos tipos de acero empleados ASTM A36 y ASTM A612,

el fenómeno de fatiga puede causar estragos ahí,

conduciendo a posibles agrietamientos.

Agradecimientos

Un sincero agradecimiento a todas las personas que

contribuyeron con este trabajo, en forma especial al

Instituto Tecnológico de Querétaro, que es parte

fundamental de este proyecto, así como al Centro de

Ingeniería y Desarrollo Industrial, por todas las facilidades

prestadas. En especial a mi familia que siempre me apoya y

cree en mí.

REFERENCIAS

[1]Norma Oficial Mexicana NOM-024-SCT2/2010, Especificaciones para la construcción y reconstrucción, así como los métodos de ensayo de los envases y embalajes de las sustancias, materiales y residuos peligrosos, (2010).

[2]Organización de las Naciones Unidas (2013).

Recomendaciones para el Transporte de Materiales Peligrosos, Regulaciones Modelo, Vol. 2, Edición 18.

[3]M. J. Fabela, J. A. Romero, “Análisis y evaluación del

comportamiento dinámico de vehículos autotanque al servicio de PEMEX Refinación” Informe final IF_EE01/03 del estudio ET-79_01 (EE01/03), (2003).

[4]J. Bautista Jacobo, E. Rodríguez Morales, J.J. Montes

Rodríguez, H. Gámez Cuatzin, “Effect of Baffles on the Sloshing in Road Tankers Carrying LPG A Comparative Numerical Study” Hindawi Publishing Corporation Mathematical Problems in Engineering Volume 2015, Article ID 359470, 9 pages, (2015).

[5]Z. Chunfeng, C. Jianyun, “FSI effects and seismic

performance evaluation of water storage tank of AP 1000 subjected to earthquake loading” Nuclear Engineering and Design 280, (2014) 372-388.

[6]S. Nicolici, R.M. Bilegan,J. “ Fluid Structure

interaction modeling of liquid sloshing phenomena inflexible tanks” Nuclear engineering and design 258 (2013) 51-56.

[7]Comunicación interna por Autotanques Nieto, S.A. de

C.V., diciembre (2011). [8] Y. Cengel, J. Cimbala, “Mecánica de Fluidos,

Fundamentos y Aplicaciones” Edit. Mc Graw Hill, pp 472-547 (2006).

[9] J. Celigueta “Método de Elementos Finitos para el

análisis estructural”, Tecnológico de la Universidad de Navarra (2008).



[10]J. Sagrero-Rivera “Integridad Estructural de

Recipientes para Transporte Terrestre de Líquidos a Presión usando Emisión Acústica” Tesis de Maestría, PICYT (2016).


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