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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.