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Modelación estructural a la fatiga de un puente apilador mediante la técnica de submodelación
Javier Núñez Mussa
Universidad de Concepción - SKF
Indice
• Descripción del problema;
• Metodología del análisis;
• Antecedentes;
• Resultados;
• Conclusiones y perspectivas;
Descripción del problema
• Por lo solicitado por SKF Chile, se realizará un análisis de fatiga a
la estructura de un puente apilador mediante análisis de fatiga.
• El análisis deberá determinar zonas con problemas que deberán
ser estudiadas más en detalle.
Descripción del problema
• Objetivo general:
• Mediante la teoría del MEF aplicado a fatiga, analizar la
estructura de un puente apilador debido a sus cargas de trabajo
(carga del material).
• Objetivos específicos:
– Determinar historial de carga.
– Determinar zonas desfavorables debido a su carga.
– Utilizar la herramienta nCode acoplado con ANSYS para así
determinar los valores de vida de las zonas desfavorables.
– Utilizar discretización localizada (submodelación) para analizar
el problema y obtener mejores resultados de la modelación
Metodología del análisis
• Determinar historiales de carga a ingresar.
• Aplicar cargas máximas de historiales en la estructura.
• Del modelo global determinar zonas con altos valores de esfuerzo
a través de ANSYS Mechanical.
• Se ubicará el peso del tripper en las zonas que sean más
desfavorables.
• Se crearán modelos locales estáticos en ANSYS Mechanical que
representen las zonas más desfavorables.
• Estos modelos locales serán ingresados al softwares nCode en el
cuál se le ingresará los historiales de carga correspondientes.
• Obtener resultados de los modelos locales para determinar la vida
de las zonas más desfavorables.
Metodología del análisis
• Herramientas para el desarrollo del problema.
– nCode
• Permite acople directo con simulaciones MEF de ANSYS.
• Variados análisis a fatiga.
• Múltiples historiales de carga.
• Factores modificadores de carga.
• Ingreso de datos obtenidos de mediciones.
• Análisis multiaxial (criterio de planos críticos).
Metodología del análisis
• Herramientas para el desarrollo del problema.
– Análisis “Time Series” (herramienta nCode).
( )( )( )
, ,k k k ij k static
ij
k k
P t ScaleFactor Offsett
Divisor
σσ
⋅ + ⋅=∑
Metodología del análisis
• Herramientas para el desarrollo del problema.
– Submodelación:
Principio de Saint-Venant: el estado de la distribución de fuerzas es
reemplazado por un sistema equivalente, la distribución de esfuerzos es
alterado sólo cerca de los bordes.
Metodología del análisis
• Herramientas para el desarrollo del problema.
– Submodelación:
Ventajas
•Reducción de necesidad de crear
regiones de transición complicadas
en modelos sólidos.
•Permite experimentar con
diferentes diseños en las regiones
de interés (radios filetes, etc)
Desventajas
•Válida solamente para elementos
sólidos o cáscara.
•El principio detrás de la
submodelación asume que los límites
cortados están lo suficientemente
alejados de la zona de interés
Secuencia para la utilizar la submodelación
1. Creación y análisis del modelo
global
4. Análisis del modelo local
2. Creación del modelo local 5. Verificación
3. Realizar el corte de bordes
Metodología
• Geometría del modelo global:
– CAD facilitado por SKF
– Geometría trabajada en SpaceClaim Direct Modeler.
• Geometría de los modelos locales:
– Extraídas del posterior resultado.
– Se agregan detalles de pernos y filetes de soldadura.
Metodología
• Mallado del modelo global:
Nodos: 1.263.711 Elementos: 1.175.105
Metodología
• Mallado del modelo local (A):
Nodos: 463.288 Elementos: 84.925
Metodología
• Mallado del modelo local (B):
Nodos: 438.449 Elementos: 84.889
Metodología
• Mallado del modelo local (C):
Nodos: 592.366 Elementos: 112.310
Metodología
• Propiedades de los materiales:
– Acero ASTM-A36:
Metodología
• Propiedades de los materiales:
– Electrodo BS5400 Clase B:
Metodología
• Condiciones de borde:
– Restricción en dirección vertical en apoyos (orugas).
– Masa del tripper en zona desfavorable (8 ton aproximadamente).
– Peso propio de la estructura (aproximadamente 40 ton).
– Las cargas por material se aplicarán en diferentes zonas (5) en las cuales, para el modelo estático se aplicará los valores máximos.
Metodología
• Historiales de carga:
Metodología
• Casos a analizar:
– Caso I
– Caso II
Resultados
• Análisis de carga del modelo global
– Caso I
Resultados
• Análisis de carga del modelo global
– Caso II
Resultados
• Determinación de las zonas a utilizar submodelación:
Resultados
• Resultados estáticos de los modelos globales:
– Zona A, caso I
Esfuerzo máx. modelo global[MPa]
Esfuerzo max. modelo local[MPa]
254,57 10,58
Resultados
• Resultados estáticos de los modelos globales:
– Zona B, caso I
Esfuerzo máx. modelo global[MPa]
Esfuerzo max. modelo local[MPa]
141,30 90,86
Resultados
• Resultados estáticos de los modelos globales:
– Zona C, caso II
Esfuerzo máx. modelo global[MPa]
Esfuerzo max. modelo local[MPa]
106,32 65,86
Resultados
• Verificación:
– Ejemplo de toma de muestra de datos de distribución de esfuerzos.
Resultados
• Verificación:
Resultados
• Resultados a la fatiga de los modelos locales:
– Factores modificadores de la resistencia a la fatiga:
Resultados
• Resultados a la fatiga de los modelos locales:
– Zona B:
• Valores bajo los 109 ciclos para la zona del filete de soldadura.
• Valores bajo los 106 ciclos para la zona de la estructura delpuente apilador.
Resultados
• Resultados a la fatiga de los modelos locales:
– Zona C:
• Valores bajo los 109 ciclos para la zona del filete de soldadura.
• Valores bajo los 106 ciclos para la zona de la estructura delpuente apilador.
Conclusiones y perspectivas
• En la simulación DEM se obtuvieron valores de carga de hasta 212 [tonf] de sobre
la correa transportadora que soporta esta estructura.
• La simulación del modelo global del puente apilador entrega 3 zonas de valores
de altos esfuerzos, los cuales al analizar localmente se determino que uno de
ellos sólo presentaba un concentrador de esfuerzo y los otros dos presentan
valores máximo de esfuerzo de 90,86 [MPa] para el modelo de la zona B presente
en la zona del filete de soldadura inferior y 65,86 [MPa] en la zona en la zona de
las uniones apernadas para el modelo de la zona C.
• Las simulaciones a fatiga del modelo B entrega que la zona con una menor vida
es la zona del filete de soldadura inferior, alcanzando valores sobre los 3*106
ciclos, lo que implica en vida infinita, sin embargo, al aumentar esta carga en 1,6
veces, se presenta un valor de vida menor a 106 ciclos. Mientras que para la zona
C el resultado entrega en una vida infinita integra para toda la zona, y al amplificar
la carga en 7 veces, sólo se alcanzará una falla por carga estática.
Conclusiones y perspectivas
• Para un análisis más íntegro a la fatiga de este componente, se presume
ingresar al modelo un historial de carga obtenido de manera experimental
mediante sensores de vibración. De esta forma se englobarán todos los factores
que produzcan cargas variables al puente apilador.
• Un análisis interesante de realizar posteriormente sería obtener los modos de
vibrar del puente apilador y comparar con las frecuencias de las cargas variables
provenientes del funcionamiento normal de la correa y del tripper que soporta
esta estructura. Para observar que tan cerca se encuentran estas frecuencias de
las cargas en comparación con las frecuencias naturales de vibrar de esta
estructura.