Introducción/Objetivos

COMSOL Multiphysics® [2] ofrece un gran potencial para la modelización y simulación de sistemas basados en hidrógeno. Un excelente ejemplo es el estudio titulado “Investigation into hydrogen induced fracture of cable bolts under deep stress corrosion coupling conditions” [1] y publicado en la revista Tunnelling and Underground Space Technology de la Editorial Elsevier. En este trabajo se utiliza COMSOL Multiphysics® para modelizar la difusión de hidrógeno e investigar la fractura inducida en materiales sometidos a condiciones de estrés y corrosión.

Modelización/Simulación

Los autores implementaron en COMSOL Multiphysics® ecuaciones de transporte y mecánica de sólidos para modelizar las deformaciones relacionadas con la expansión del hidrógeno en la red cristalina del acero. El modelo se desarrolló de forma consistente con los resultados experimentales obtenidos empleando muestras de cable como las que se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Muestras de cable: (a) vista estereoscópica, (b) vista en sección (alambre central R1 = 2.95 mm, alambre helicoidal R2 = 1.6 mm, alambre helicoidal R3 = 2.95 mm).

Resultados/Conclusiones

La Figura 2 muestra la distribución de la concentración de hidrógeno difundido en las muestras con y sin esfuerzo después de 3 horas. Los resultados de la simulación revelaron que el flujo de difusión del hidrógeno está altamente correlacionado con los gradientes de estrés. En áreas de alta concentración de estrés, el hidrógeno tendía a acumularse, debilitando la estructura del material y promoviendo el inicio de fracturas. La expansión inducida por el hidrógeno también contribuyó significativamente a las tensiones internas, reduciendo la cohesión del material cerca de las puntas de grietas.

Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones numéricas llevadas a cabo en COMSOL Multiphysics® fueron coherentes con las observaciones experimentales, demostrando el enorme potencial para prevenir fallos estructurales cuando los materiales se exponen a hidrógeno.

Figura 2. Distribución de hidrógeno: a) distribución de esfuerzo de Von Mises (MPa), b) bajo esfuerzo, y c) sin esfuerzo.

Referencias

[1] Wu et al. Investigation into hydrogen induced fracture of cable bolts under deep stress corrosion coupling conditions. Tunnelling and Underground Space Technology, 2024, 147, 105729.