1 Universidad Autnoma de Yucatn - Facultad de Ingeniera. Anlisis por elemento finito de un Poste desemforo vehicular en ANSYS. Integrantes: Russel Ay Serralta, Rodrigo Bolio Farah, Fernando Cupul Pia y Luis Lpez Escamilla. NDICE: Pgina 1. Introduccin2 2. Desarrollo del Modelo2 2.1 Materiales Empleados2 2.2 Tabla de propiedades de los materiales y dimensiones.3 2.3 Modelo de Elemento Finito en ANSYS4 3. Resultados5 3.1 Anlisis de falla y diseo7 4. Conclusiones9 Apndice A 10 Referencias12 2 Anlisis por elemento finito de unPoste de semforo vehicular en ANSYS. 1. Introduccin. El modelo que a continuacin se presenta escon la finalidad de analizar cmo es afectado un Poste desemforo vehicular con una fuerza de viento huracanado y ver si el semforo podra llegar a fallar por dicha fuerza. Para poder evitar as daos hacia otros edificios, peatones y/o automviles en esas temporadas de huracanes. 2. Desarrollo del modelo. El Poste de semforo vehicular como se puede observar en la Figura 1, se ver afectado por una fuerza puntual en el extremo superior izquierdo que es donde aplicaremos la fuerza que el viento ejerce sobre el semforo y es el punto ms critico. 2.1 Materiales Empleados. El Poste de semforo vehicularser construido caera de acero galvanizado (ASTM A53, con un dimetro nominal 4'', dimetro exterior de 114,3 mm y espesor de pared de 6,02 mm) con 3.7 m de alto y 2.2 m de ancho. Figura 1. Dibujo del Poste de semforo vehicular. F 3 2.2 Tablas de propiedades de los materiales y dimensiones. Dimetro Nominal Dimetro Exterior Espesor Nominal FluenciaModuloElasticidad 4 ''114.3 mm6.02 mm250 MPa200 GPa Tabla 1. Propiedades. Figura 2. CAD del Poste de semforo vehicular. Figura 3. CAD del Poste de semforo vehicular. 4 2.3 Modelo de Elemento Finito en ANSYS Datos de alimentacin para el modelado en ANSYS. Mdulo de elasticidad = 200 GPa Razn de Poasson = 0.3 Tipo de elemento = SOLID187 - Tetraedro de 10 nodos. Cuando el viento acta sobre una construccin, genera presiones sobre sus superficies, que varan segn la intensidad de la velocidad y la direccin del viento. La presin que ejerce el flujo del viento sobre una superficie plana perpendicular a l, se determina con la siguiente ecuacin2: (

)(1) Donde q ser la fuerza que se aplicara en el Poste de semforo vehicular, donde VD ser nuestra velocidad bsica de diseo (La cual ser 172 Km/h valor obtenido en el centro meteorolgico de la Facultad de Ingeniera durante las pocas de huracanes) y G el factor de correccin por temperatura y por altura con respecto al nivel del mar. Como la ciudad de Mrida est muy cercanoal nivel del mar la G se considera con un valor de 1, quedando as dndonos as una fuerza de 1391.63 N. Despus de haber ingresados las propiedades de los elementos y de exportar, pasamos al mallado de la geometra obteniendo 144868 elementos. En la figura 4 y figura 5podemos observar la geometra mallada. Figura 4. Vista de toda la geometra mallada. 5 Figura 5. Zoom de la geometra mallada. 3. Resultados Despus de haber solucionado el problema, calculamos un desplazamiento mximo, donde el ANSYS nos dio un valor de12.2 cm como podemos observar en la Figura 6. 6 Figura 6. Deformacin en el eje Z En la siguiente figura 7 podemos observar el esfuerzo mximo con un valor de 102 Mpa en el punto crtico de la geometra (en la base). Figura 7. Esfuerzo Mximo en punto crtico. 7 En la siguiente Figura 8 podemos observar en Ansys el criterio de Von Mises donde nos marca un valor mximo de 235 MPa. Figura 8. Criterio de Von Mises en ANSYS 3.1 Anlisis de falla y diseo A continuacin utilizaremos el criterio de Von Mises(para materiales dctiles) para el criterio de falla. NodoSY (MPa)SXY (MPa) 5516856.6520.01 18896355.519.63 18896255.6419.64 5465661.121.52 Tabla 2. Elemento 144861 NodoSY (MPa)SXY(MPa) 18844566.5526.42 5358168.3223.5 5437462.3922.1 8 5410864.922.32 Tabla 3. Elemento 144854 NodoSY (MPa)SXY(MPa) 18842068.9726.4 5304574.3123.36 5250677.4123.92 5250577.0623.59 Tabla 4. Elemento 144849 Las tablas 2,3 y 4 son importadas del ANSYS y nos muestran los esfuerzos cortantes y normales en cada uno de los elementos crticos delmodelo, a continuacin se calcular los esfuerzos mximos para que determinemos si fallara o no el sistema. Usaremos el promedio de los esfuerzos de cada elemento para poder hallar los esfuerzos mximos.

[

]

Criterio de Von Mises:

9 4. Conclusiones Mediante el mtodo de elemento finito podemos notar que el diseo de una estructura, en este caso un Poste de semforo vehicular, se simplifica bastante ya que cuando tenemos geometras demasiadas complicadas el proceso de solucin mediante mecnica de materiales es demasiado lento y complicado. Hay que mencionar que el uso del software ANSYS simplifica la solucin del problema pero para poder saber que lo q se est haciendo hay que tener una base de mecnica de materiales para que el resultado final sea algo coherente y lgico. 10 APENDICE A Resolucin mediante mecnica de materiales En esta seccin se mostrar la resolucin del modelo del proyecto mediante la mecnica de materiales. El semforo est sometido a vientos huracanados que generan una fuerza puntualP=1391.63N. Dicha carga se coloca en el extremo superior del semforo generando torques y momentos que sern establecidos a continuacin. La Fuerza provoca un torque (T) relacionado con la columna superior horizontal del semforo cuya medida es de 2.2m. Quedando as: ( )( ) 1391.63 2.2 3061.58(4) T N m Nm = =

Adems la carga P produce un momento (xM ) en funcin de la seccin vertical de 3.7m de longitud del modelo:( )( ) 1391.63 3.7 5149.03(5)xM N m Nm = =

Ahora se proceder a hallar los esfuerzos, ,x y xyooten el punto ms crtico hallado en el centro de la base donde se encuentra fijo el semforo: ( ) ( )4 4 4 4 6 41 14 422.05725(.05725 ) (.05124 ) 2.99(6)98589286.79 / 98.58(7)29310276.76 / 29.31(8)xee iMcy ITcxy Jc r mI r r m m e mN m MPaN m MPat tot= == = == = == = =

Se calculan los esfuerzos principales por la ecuacin: ( )22max,min 2 22max2min (9)106557196.6 / 106.557967909.81 / 7.96x y x yxyN m MPaN m MPao o o oo too+ ++= += == =

11 Con los esfuerzos principales calculados en el punto ms crtico ahora podemos determinar si el modelo fallar. Para esto aplicamos el criterio de falla de la mxima energa de distorsin tomando en cuenta que nuestro esfuerzo de fluencia250yMPa o = : ( )( )2 2 22 2 2 (10)106.55 106.55 7.96 7.96 250110.74 250y a a b ba a o o o > + +