diseño extrusor
TRANSCRIPT
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
“DISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRUSORA DE LABORATORIO PARA REOLOGÍA CAPILAR”
Autor: M. I. Guillermo Alejandro Vargas García.
Asesor: Dr. Eduardo Pérez Pantoja.
APLICACIÓN DE ANSYS© PARA DISEÑAR UNA MÁQUINA
TITULO:
8 de Noviembre del 2001
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
CONTENIDO
• INTRODUCCIÓN.
• PLANTEAMIENTO.
• ANÁLISIS DEL HUSILLO.
• ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
• ANÁLISIS DEL CABEZAL.
• CONCLUSIONES.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
INTRODUCCIÓN
El cálculo analítico de los esfuerzos (térmicos y estructurales) es complicado, además para obtenerse se tendrian que hacer muchas simplificaciones (por ejemplo el momento polar de inercia “J”para el husillo), es por eso que se tuvo que recurrir a métodos más sofisticados, como el elemento finito (paquete ANSYS©)
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Este paquete computacional nos ayuda a encontrar los esfuerzos en todas la piezas a analizar, los cuales son ocasionados por las cargas estructurales y las térmicas.
Esta máquina se divide en tres sistemas:
1. Sistema mecánico.
2. Sistema térmico.
3. Sistema de control.
INTRODUCCIÓN
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
PLANTEAMIENTO.
• La máquina será utilizada para encontrar las propiedades reológicas del PVC.
• Deberá soportar una presión máxima de operación de 10000 psi (68,5 MPa).
• El husillo estará sometido a un par de 859.6 lb-pulg (97,1Nm)
• Deberá soportar la carga térmica, es decir, la temperatura y los esfuerzos térmicos.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
PLANTEAMIENTO.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
PLANTEAMIENTO.
Esquema de la máquina en 3D.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
PLANTEAMIENTO.
Corte de la máquina.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Condiciones de frontera para el Husillo.
Donde:
P = 10000 psi.
T = 859,6 lb-pulg.
g = 386,088 pulg / s2
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Se utilizó el elemento Solid73 el cual tiene 6 grados de libertad:
Ux, Uy, Uz, Rotx, Roty, Rotz.
El acero utilizado tiene como propiedades:
E = 29773 kpsi.
ρ = 0,2835992422 lb / in3.
σy = 135030 Psi.
Coef. Exp. Térmico = 7,6 μin / in °F
k = 570,988e-6 Btu / s in2 °F
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Modelo del Husillo.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Modelo del Husillo.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Modelo del Husillo.
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Modelo del Husillo.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL HUSILLO.
Resultados de los esfuerzos equivalentes de Von Misses(Psi).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.Condiciones de frontera para la recámara con su acoplamiento para análisis estructural.
Donde:
P = 10000 Psi.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Se utilizó el elemento Plane42, el cual tiene 2 grados de libertad:
Ux, Uy.
El acero utilizado tiene como propiedades:
E = 29008 kpsi.
ρ = 0,2817928776 Lb / in3.
σy = 129809 Psi.
Coef. Exp. Térmico = 6,1 μin / in °F
Cond. Térmica = 333,72e-6 Btu / s in2 °F
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Modelo de la recámara con su acoplamiento.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Resultados de los esfuerzos equivalentes de Von Misses(Psi).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.Condiciones de frontera para la recámara con su acoplamiento para análisis térmico-estructural.
Donde:
Q1 = 0,026819802 Btu / s in2 P = 10000 Psi.
Q2 = 0,006095796 Btu / s in2 h = 4,101e-3 Btu / s in2 °F
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Se utilizó el elemento Plane13, el cual tiene 5 grados de libertad:
Ux, Uy, Temp, Volt, Az.
El acero utilizado tiene como propiedades:
E = 29008 kpsi.
ρσ = 0,2817928776 lb / in3.
σy= 129809 psi.
Coef. Exp. Térmico = 6,1 μin / in °F
Cond. Térmica = 333,72e-6 Btu / s in2 °F
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Resultado de la distribución de temperaturas (°F).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DE LA RECÁMARA.
Resultados de los esfuerzos equivalentes de Von Misses(Psi).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.Condiciones de frontera del cabezal para análisis estructural.
Donde: P = 5000 psi.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Se utilizó el elemento Solid92 el cual tiene 3 grados de libertad:
Ux, Uy, Uz.
El acero utilizado tiene como propiedades:
E = 27992 kpsi.
ρ = 0,289018336 lb / in3.
σy = 34809 psi.
Coef. Exp. Térmico = 10 μin / in °F
Cond. Térmica = 216,875e-6 Btu / s in2 °F
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Modelo del cabezal.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Resultados de los esfuerzos equivalentes de Von Misses(Psi).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.Condiciones de frontera del cabezal para análisis térmico-estructural.
Donde: Q2, h (los mismos que para la recámara).P = 5000 Psi.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
Se utilizó el elemento Solid98 el cual tiene 6 grados de libertad:
Ux, Uy, Uz, Temp, Volt, Mag.
El acero utilizado tiene como propiedades:
E = 27992 kpsi.
ρσ = 0,289018336 lb / in3.
σy = 34809 psi.
Coef. Exp. Térmico = 10 μin / in °F
Cond. Térmica = 216,875e-6 Btu / s in2 °F
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Resultado de la distribución de temperaturas (°F).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
ANÁLISIS DEL CABEZAL.
Resultados de los esfuerzos equivalentes de Von Misses(Psi).
Uniendo Esfuerzos
I Conferencia Nacional de Usuarios de ANSYS
IngenieríaDiseñoAnálisis
Sim
ulació
n
Análisis
Ingeniería
Diseño
Simulación
Conferencia
2001
Colaboración
CONCLUSIONES
•Se obtuvieron buenos resultados con el paquete, por lo que se estima que los componentes diseñados son confiables.
•Es necesario contemplar la distribución de temperaturas en cualquier análisis, donde ésta se presente, ya que los esfuerzos térmicos pueden ser de gran magnitud, y combinados con los esfuerzos estructurales pueden hacer que la pieza falle.
Campos Acoplados (psi)Estructural (psi)σVON MISSES
3249214298Cabezal
2848022967Recámara