Bem-vindo à parte 2 da nossa série especial de postagens técnicas sobre simulações computacionais na engenharia! Se você ainda não conferiu a primeira parte sobre a modelagem CFD, recomendamos que dê uma olhada aqui para ter uma visão completa do projeto. Na primeira parte, detalhamos a modelagem multifísica e a simulação CFD de uma célula de combustível utilizando o Simcenter STAR-CCM+.
Estudo de caso FEA
Nesta segunda parte da série, focaremos na modelagem e análise estrutural de uma célula a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC). Utilizando o software Solid Edge para a modelagem CAD e o Simcenter 3D para a análise de elementos finitos (FEA), buscamos validar a robustez estrutural e a resistência mecânica da célula sob várias condições operacionais. O Simcenter 3D é uma ferramenta de simulação que permite a integração de diversas físicas em um único modelo, como por exemplo no caso de uma PEMFC onde tem-se campos de pressão e temperatura, importados do STAR-CCM+ e ainda aplicação de aperto dos parafusos.
Relembrando, para validar o modelo em CFD, utilizamos a célula JRC ZERO∇CELL (BEDNAREK et al., 2021), escolhida por sua documentação técnica confiável e pela disponibilidade de dados experimentais na sua fonte, que é um relatório técnico do Joint Research Centre (JRC) (Figura 1). O JRC é o serviço de ciência e conhecimento da Comissão Europeia, sendo responsável por fornecer suporte científico e técnico à formulação de políticas da União Europeia, desenvolvendo e fornecendo métodos, modelos e dados.
Figura 1 – Recorte do relatório técnico do Joint Research Centre sobre a JRC ZERO∇CELL
Fonte: Adaptado de BEDNAREK et al. (2021)
A disponibilidade de desenhos técnicos da geometria da célula (Figura 2), dos materiais utilizados e de algumas condições de uso também favoreceram a sua escolha.
Figura 2 – Desenho técnico da montagem da JRC ZERO∇CELL, juntamente com a descrição das partes da célula
Fonte: Adaptado de BEDNAREK (2021)
1 Modelagem
Nesse tópico serão explicados e discutidos os pontos mais relevantes da modelagem FEA. A simulação foi desenvolvida com base nos dados e condições fornecidos pelo artigo. Resumidamente, os passos do estudo FEA foram os seguintes:
Geração da geometria completa do problema;
Adaptação da geometria para a análise FEA;
Definição das condições de contorno;
Geração da malha computacional (divisão dos corpos em pequenos elementos);
Execução do modelo e verificação dos resultados;
Caso os resultados não estejam coerentes, os passos dois, três e quatro são revisados;
Caso os resultados estejam coerentes, eles são então tratados.
A seguir, a modelagem será dividida em tópicos e mais bem detalhada.
1.1 Geometria
A geometria da PEMFC (Figura 3) foi desenvolvida com base nos desenhos técnicos de BEDNAREK (2021), referentes a JRC ZERO∇CELL. Para a análise FEA, foi necessário modelar todas as peças e geometrias fornecidas pelo documento, visto que todas terão impacto nos resultados de esforços e vedação da célula. Entretanto, pequenos detalhes foram removidos, como os chanfros de cunho estético ou de montagem e canais muito pequenos de escoamento de gases, visando uma simplificação na malha.
Figura 3 – Geometria (Vista Isométrica)
Figura 4 – Geometria (Vista Lateral)
1.2 Condições de Contorno
As condições de contorno em uma simulação estrutural são definições que especificam os esforços atuantes no sistema e a maneira como aquele sistema está fixado no espaço. Além disso, cabe escolher os materiais de cada componente com suas respectivas propriedades mecânicas – e térmicas, como neste caso.
1.2.1 Restrições
Como restrições, optou-se por uma condição de fixação em todos os eixos da face inferior da célula, visto que o artigo não traz especificamente como foi fixada a célula e que estamos focados na eficiência de vedação do sistema, ou seja, não precisamos nos preocupar com acúmulo de tensões na face inferior e nem com problemas de restrição excessiva do modelo. Abaixo deixa-se explícito a face de fixação.
Figura 5 – Condição de fixação do modelo
1.2.2 Materiais
Os materiais utilizados foram escolhidos com base nos dados fornecidos pelo artigo e usando os materiais da biblioteca padrão do Simcenter 3D, aplicando estes nas malhas de suas peças correspondentes. Abaixo tem-se uma imagem para cada material utilizado, mostrando suas respectivas peças e, em seguida, suas propriedades.
Figura 6 – Peças de Aço
Propriedades do Aço:
Densidade: 7829 kg/m³
Módulo de Elasticidade: 206940 MPa
Coeficiente de Poisson: 0.288
Coeficiente de Expansão Térmica: 1.128e-05 1/Cº
Figura 7 – Peças de AW2024T3
Propriedades do AW2024T3:
Densidade: 2794 kg/m³
Módulo de Elasticidade: 73119 MPa
Coeficiente de Poisson: 0.33
Coeficiente de Expansão Térmica: 2.16e-05 1/Cº
Figura 8 – Peças de Bronze
Propriedades do Bronze:
Densidade: 8852 kg/m³
Módulo de Elasticidade: 103400 MPa
Coeficiente de Poisson: 0.34
Coeficiente de Expansão Térmica: 1.782e-05 1/Cº
Figura 9 – Peças de Borracha
Propriedades da Borracha:
Densidade: 1200 kg/m³
Módulo de Elasticidade: 900 MPa
Coeficiente de Poisson: 0,4
Coeficiente de Expansão Térmica: 0 1/Cº
1.2.3 Esforços
Na simulação estrutural, teremos dois tempos, sendo o primeiro aplicando a pré-carga dos 4 parafusos e o segundo aplicando as condições de temperatura e pressão fornecidas pela análise CFD.
Para aplicar o aperto dos parafusos, utilizou-se os dados fornecidos pelo artigo e adotou-se uma estratégia para aplicar esse esforço devidamente. No Simcenter 3D, existe o carregamento chamado “Bolt Pre-Load”, ou seja, pré-carga do parafuso. Neste carregamento, é possível aplicar uma força em um dado eixo escolhendo-se uma face, por exemplo, assim essa face será comprimida no eixo escolhido. Sendo assim, o parafuso foi cortado ao meio transversalmente e utilizou-se outro recurso do Simcenter 3D, chamado “Mesh Mating”. Esse recurso unifica malhas de corpos separados, conectando os nós para que se tornem coincidentes, praticamente unificando as malhas dos corpos escolhidos.
Sendo assim, utilizando o “Mesh Mating” para cada parafuso cortado ao meio e aplicando o “Bolt Pre-Load” nas faces geradas pelo corte, tem-se o aperto dos parafusos sendo feito a partir desta face dada a força aplicada. A seguir é possível entender melhor o procedimento adotado.
Figura 10 – Parafuso cortado
Figura 11 – “Bolt Pre-Load”
Partindo para o segundo tempo da análise, foi feita a importação dos resultados obtidos na análise CFD no formato .csv, que no Simcenter 3D foi transformado em uma nuvem de pontos tabelados tanto para a temperatura quanto para a pressão. A seguir, a figura 12 mostra os campos de pressão e temperatura aplicados ao sistema. Nela é possível ver as malhas em que as condições foram aplicadas, as pequenas setas vermelhas indicando o campo de pressão e a região azulada que está sob as condições de temperatura extraídas da análise CFD.
Figura 12 – Campos de pressão e temperatura
2 Resultados
Como resultados, pode-se destacar a pressão de contato entre as placas ao redor da membrana e a resistência a fadiga do sistema.
2.1 Pressão de Contato
Para avaliar a eficiência de vedação da célula, é preciso analisar as forças que estão atuando para que as placas não percam seu contato. Foi considerado o pré-carregamento nos parafusos como também, os contatos entre as placas, podemos avaliar a pressão envolvida nesses contatos e comparar com os resultados obtidos no artigo para validar o modelo.
Figura 13 – Pressão de contato interface
Figura 14 – Pressão de contato
2.2 Resistência a Fadiga
Para analisar a resistência a fadiga é necessário simular que a carga imposta na análise estática será aplicada repetidamente no sistema. Para isso, usamos a ferramenta “Durability” do Simcenter 3D. Nesta análise, usamos como referência os limites de escoamento de cada material para calcular o fator de segurança. Abaixo a Figura 15 e Figura 16 mostram o fator de segurança do sistema, que se manteve acima de 2, e na Figura 17 a vida dos componentes, que se mostrou infinita (>1e+9).
Figura 15 – Fator de segurança (Vista Isométrica)
Figura 16 – Fator de segurança
Figura 17 – Vida (infinita)
3 Conclusão
Com este projeto, foi possível reproduzir digitalmente com precisão o modelo da célula de combustível PEM, demonstrando a capacidade do Simcenter 3D de integrar com o STAR-CCM+ para análises mais complexas e obter resultados físicos condizentes com os observados no mundo real. Além disso, foi possível garantir que para as condições testadas a célula está com um ótimo coeficiente de segurança contra falha por fadiga.
A integração do STAR-CCM+ e do Simcenter 3D permite que o projeto da célula de combustível seja completo, permitindo otimizações topológicas a partir dos dados de operação da célula, de forma a garantir resistência estrutural e estanqueidade sem correr o risco de falhas.
Quer saber mais e com mais detalhes? Agende agora uma reunião conosco ou entre em contato por um de nossos meios de comunicação! No próximo post apresentaremos a simulação sistêmica da integração da célula de combustível em um veículo híbrido no Amesim, a partir da integração dos resultados obtidos no STAR-CCM+ e no Simcenter 3D!
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4 Referências
BEDNAREK, Tomasz et al. Development of reference hardware for harmonised testing of PEM single cell fuel cells. 2021.
BEDNAREK, Tomasz (2021), “The JRC ZERO∇CELL design documentation”, Mendeley Data, V1, doi: 10.17632/c7bffdv7yb.1
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