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Curso de Simulación Estructural en ANSYS
Proyecto Final
Nelson Orlando Chiriboga Cedeño
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP)
Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL)
Guayaquil - Ecuador
[email protected]
Resumen
En el presente trabajo se aplicaron las técnicas de simulación y conocimientos adquiridos a
lo largo del curso de ANSYS, para el diseño de una tolva de alimentación. Esta tolva es parte
de una máquina dispensadora y empacadora de granos de cacao en sacos, la cual debe ser lo
más económica posible. Para ello se empleó el software antes mencionado para determinar
el diseño más óptimo, procurando seleccionar el espesor de plancha para que el conjunto
soporte las condiciones de trabajo. Se modelaron los sólidos con diversos espesores y se
seleccionó la mejor alternativa en base a los resultados de los esfuerzos del programa.
Los objetivos propuestos para este trabajo son los siguientes:
Aplicar el conocimiento adquirido sobre simulación estructural en ANSYS a un
problema de aplicación real.
Determinar los factores de seguridad estático y de fatiga para la simulación.
Escoger el diseño más adecuado en base a los factores de seguridad obtenidos
anteriormente.
Palabras Clave: Simulación Estructural, ANSYS, Tolva de Alimentación
Abstract
In this work, simulation techniques and knowledge acquired during the course of ANSYS
were used to design a feed hopper apply. This hopper is part of a vending and packing
machine of cocoa beans bags, which must be as economical as possible. For this, it was used
the aforementioned software to determine the most optimal design, trying to select the
material thickness to support the working conditions. The solids were modeled with various
thicknesses and selected the best alternative based on the results of the program's efforts.
The objectives for this work are:
Use the knowledge acquired about structural simulation with ANSYS in a practical
case of real life.
Determine the design static and fatigue factors for the simulation.
Choose the more adequate design based on the previously obtained design factors.
Key Words: Structural simulation, ANSYS, Feed Hopper.
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Introducción
Para el proyecto de la materia integradora
se diseñó una máquina que tome los granos
de cacao secos y los almacene
momentáneamente, los dispense con la
masa adecuada y los empaque en sacos de
yute para su posterior distribución y venta.
Uno de los componentes principales de
esta máquina fue la tolva de alimentación,
con capacidad de 250 kg de producto.
Para realizar el diseño, la base del análisis
fue la norma ENV 1991-4. Esta norma
indica todas las fuerzas y esfuerzos a los
que están sometidas estructuras tales como
silos, tolvas y demás.
Los diagramas de cuerpo libre se detallan
a continuación:
En la sección constante o vertical de la
tolva, las presiones que se aplican a las
paredes son la presión vertical (Pvf), la
presión horizontal (Phf) y la presión de
fricción (Pwf). Estas actúan como se puede
observar en la imagen adyacente.
Presiones en las Paredes Laterales
Fuente: Norma ENV 1991-4
El efecto más importante en el diseño de
tolvas es la acción de las presiones del
producto sobre los cambios de sección.
En el cambio de ángulo de la tolva se
concentran varias presiones
simultáneamente, es decir, esta es la
sección crítica de la misma y donde hay
que cuidar mayormente el diseño para
evitar la falla por fatiga.
Las presiones que actúan sobre la parte
inclinada de la tolva son Pn1, Pn2, Pn3 y
Ps.
Presiones en los Cambios de Sección
Fuente: Norma ENV 1991-4
Para establecer el espesor del material de
la tolva, se puede seguir el procedimiento
de la normativa, sin embargo es algo
engorroso y no está exento de errores de
cálculo.
Otra alternativa es emplear un programa
de simulación y con la interpretación de
los resultados determinar cuál es el espesor
adecuado para la tolva con respecto a las
condiciones de trabajo.
Cabe recalcar que las presiones se las
calculó con las ecuaciones de la norma,
quedando el análisis de esfuerzos y
determinación de espesores para ser
realizado con la simulación. Los valores de
las presiones calculadas fueron los
siguientes:
Phf=1.49 kN/m2
Pvf=2.55 kN/m2
Pwf=0.81 kN/m2
Pn1=3.01 kN/m2
Pn2=1.22 kN/m2
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Pn3=3.76 kN/m2
Ps=3.83 kN/m2
Estos datos serán ingresados en la interfaz
del programa para el análisis por medio de
elementos finitos.
Equipos e Instrumentación
Para establecer el diseño más óptimo de la
tolva, el que permita ahorrar en materiales
de construcción y se adapte a un factor de
seguridad que asegure la integridad la
máquina en su funcionamiento, se
emplearon los siguientes programas de
dibujo y simulación:
SolidWorks
ANSYS
Procedimiento Experimental
Los pasos que se siguieron para esta
simulación se detallan a continuación:
Primeramente se dibujaron varios
modelos de la tolva, con las
medidas del plano respectivo
(adjunto en anexos), con espesores
diversos, desde 4 mm hasta 6mm.
Cabe recalcar que el elemento es
simétrico por lo que el CAD está
dibujado a la mitad, para ahorro de
recursos del programa de
simulación.
En la interfaz del programa
ANSYS escogemos el módulo de
Static Structural para realizar la
simulación. El material será por
defecto acero estructural ASTM
A36.
En la parte del mallado, escogemos
la preferencia física Mechanical y
una relevancia del 85%. En
Mallado global, en Sizing
escogemos la opción On
Curvature, con relevancia fina. Y
adicionalmente, un mallado local
en las caras internas de la tolva,
con la opción Refinement. Todas
estas configuraciones fueron
resultado de un contínuo prueba y
error para mejorar la calidad del
mallado, el cual fue de 0.799.
El siguiente paso es la colocación
de las presiones antes señaladas en
las caras respectivas del sólido.
Para la presión trapezoidal se
colocó solamente la presión Pn1, la
cual es la mayor. La presión Ps se
colocó en toda la sección inclinada.
El resto de presiones se colocaron
tal y como se muestra en el
diagrama de la tolva. Cabe recalcar
que la simulación de las presiones
se efectuará como si la tolva
estuviera todo el tiempo llena de
producto. Esto en condiciones de
trabajo normales no sucede, ya que
existen sensores de nivel en la
misma que indican cuando se
deposita el producto y cuando deja
de caer material a la tolva. Esto
depende de la tasa de trabajo de la
máquina. El cual es intermitente.
Esta condición de diseño es más
desfavorable que la condición de
trabajo del elemento.
Además se colocará como
restricción un Fixed Support en el
corte de la tolva, ya que es un
cuerpo a la mitad, y otro en los
bordes superiores de la sección
cuadrada, ya que aquí descansará
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sobre la estructura destinada a
soportar a la tolva.
También se añadió la gravedad
para que la simulación sea más
realista.
En cuanto a los aspectos de la
solución que deseamos,
añadiremos el Equivalent Stress
(Von Mises), un Stress Tool y su
respectivo factor de seguridad y
finalmente un Fatigue Tool con
factor de seguridad. En este
apartado de fatiga, la teoría a
utilizar será la de Goodman, y la
variación de la carga será desde
cero hasta un máximo.
Se procede a verificar que todos los
parámetros sean correctos y
corremos el programa.
Se repite el procedimiento para la
tolva de 5 mm. La calidad del
mallado es de 0.832.
Resultados
Una vez realizada la simulación y
basándonos en las imágenes de los
resultados del ANSYS tenemos lo
siguiente:
Para el caso de la tolva de espesor de 4mm,
considerando que el acero es el estructural
A36, con 250 MPa de esfuerzo de fluencia,
en el gráfico de los esfuerzos equivalentes
el máximo valor que se tiene es de 104.2
Mpa. Debajo de la resistencia del material,
por lo que no habría falla por fluencia
mientras la máquina esté operativa y con
las cargas respectivas.
Este punto donde se encuentra el máximo
esfuerzo del material, es en la parte
inferior de la tolva, en la descarga al
tornillo alimentador. Es lógico que en este
punto de unión entre la placa inclinada y la
pared de la tolva se de este fenómeno.
Aquí todo el material cargará con mayor
fuerza, y al haber un cambio de sección,
los esfuerzos se concentrarán. Esto
coincide con el análisis de la norma
consultada, donde la sección crítica es la
parte inclinada de la tolva. Prácticamente
la sección con ángulo de inclinación es la
que más sufre de todo el conjunto.
Para la tolva de 4 mm los factores de
seguridad fueron de 2.39 el estático y 1.39
el de fatiga. Se puede considerar emplear
una plancha de este espesor para la
manufactura de la tolva. Sin embargo
seremos un poco conservadores con
respecto al factor de seguridad por fatiga.
Tomando el sólido de 5 mm de espesor, en
el sólido coloreado, podemos observar que
el máximo esfuerzo desciende hasta 67.2
MPa, es decir un 40% menos que en el
caso del sólido de 4 mm de espesor. El
esfuerzo se encuentra en la misma
ubicación del caso anterior. Se puede
observar también que los esfuerzos en la
placa inclinada de la tolva son menores.
No sufre tanto esta parte.
Los factores de seguridad son de 3.72 para
el caso estático, considerable aumento con
respecto al factor estático de la tolva de 4
mm y de 2.16 para la fatiga. Ahora, con
estos valores, la tolva tendrá mayor
resistencia aumentando un milímetro de
espesor a la plancha y sería la opción a
escoger para la manufactura de la tolva de
almacenamiento.
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Conclusiones y
Recomendaciones
Para finalizar este curso de simulación
estructural en ANSYS, se realizó este
proyecto para establecer una aplicación
práctica de lo aprendido en el curso. En
este caso se analizó el espesor ideal para
una tolva de almacenamiento de granos de
cacao, mediante el método de elementos
finitos con el programa antes mencionado.
Se logró determinar el espesor más
adecuado (5 mm) y que brinde la seguridad
en la operación y trabajo de la máquina
completa.
Logramos determinar los factores de
seguridad en el caso estático y fatiga para
ambas tolvas, siendo Ns=3.72 y Nf=2.16,
del sólido con espesor de 5 mm. Por lo
tanto este espesor es el indicado para el
material componente de la tolva. También
serviría un espesor de 4 mm, al ser sus
factores mayores que 1, sin embargo,
seremos un poco precavidos y tomaremos
el espesor de 5 mm. Ambos espesores son
comerciales y de fácil compra.
Como recomendación de mi parte, sería
bueno trabajar un poco más en las
colocaciones de las fuerzas o presiones.
No todas serán colocadas simplemente en
una cara de un sólido, también puede haber
magnitudes cuyo efecto sea en un área
pequeña.
Esta pequeña recomendación, de ahí todo
el contenido visto fue excelente.
Referencias Bibliográficas/
Fuentes de Información
ESPOL, Formato Reporte de
Laboratorio de Mecánica de Fluidos.
Norma ENV 1991-4: Bases de Proyecto
y Acciones en Estructuras. Parte 4:
Acciones en Silos y Depósitos.
Proyecto de Materia Integradora:
“Diseño de una máquina dispensadora
y empacadora de granos de cacao en
sacos de 50 kg”. Autores: Daniel
Avilés, Nelson Chiriboga, 2015.
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Anexos
Resultados de la simulación de la Tolva de 4 mm de espesor:
Esfuerzo Equivalente de Von Mises.
Max: 104.2 MPa
Factor de Seguridad Estático
Min: 2.39
Factor de Seguridad por Fatiga
Min: 1.39
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Resultados de la simulación de la Tolva de 5 mm de espesor:
Esfuerzo Equivalente de Von Mises.
Max: 67.2MPa
Factor de Seguridad Estático
Min: 3.72
Factor de Seguridad por Fatiga
Min: 2.16
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600
800
89 M10
200
600
AB
55 200 R20
M4 Detalle A
Doblado 56.8° 5
Detalle B
Doblado 18.4°
5
Detalle C
Pestaña a 90°
Espesor de plancha: 5 mm
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
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DISEÑADO:
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA
APROBADO: TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:1:15 HOJA 1 DE 1
A4
C
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL
-
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FECHA: FECHA: TOLVA DE ALIMENTACIÓN
Acero A36
Avilés, Chiriboga
31/08/2015
Tolva
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ELEMENTO PIEZA DESCRIPCIÓN CANTIDAD Longitud
1 Tornillo Sinfín - 1
2 Tapa con Pie - 2
3 Artesa Inferior - 1 595
4 Tolva 5 mm de espesor 1
5 Artesa Tubular - 1 537
6 Descarga - 1
7 Tapa sin Pie - 1
8 Rodamiento de Bolas 1.5 in 2
9 Pernos de los Rodamientos M12 8 38
10 Tuerca de los Rodamientos M12 8
11 Pernos de Unión M10 24 25
12 Tuercas de Unión M10 28
13 Pernos de Unión a la Base o Estructura M10 4 60
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DISEÑADO:
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA
APROBADO: TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:2:15 HOJA 1 DE 1
A4
C
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL3
FECHA: FECHA: SISTEMA DOSIFICADOR
Acero A36
Avilés, Chiriboga
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Tabla de Elementos
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ELEMENTO SISTEMA DESCRIPCIÓN CANTIDAD
1 Estructura que Soporta la Tolva y el Sistema de Dosificación L 75x75x6 1
5 Base para las Bolsas Incluye la celda de carga 1
6 Máquina Cosedora con pedestal 1
7 Transportador de Rodillos - 1
10 Reductor Reducción a 36 RPM 211 Motor 1 HP 212 Plataforma de Acceso a el Elevador - 1
13 Sistema Dosificador Tornillo transportador de 6 in 9
14 Tolva de Alimentación 5 mm de espesor 2
15 Elevador de Cangilones - 1
16 Tablero de Control - 1
17 Balanza Electrónica 100 kg 1
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DISEÑADO:
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA
APROBADO: TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:2:15 HOJA 1 DE 2
A4
C
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL3
FECHA: FECHA: DOSIFICADORA Y ENSACADORA
Acero A36
Avilés, Chiriboga
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Tabla de Elementos
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ELEMENTO SISTEMA DESCRIPCIÓN CANTIDAD
1Estructura que Soporta la Tolva y el Sistema de Dosificación
- 1
2 Base para las Bolsas Incluye la celda de carga 1
3 Máquina Cosedora - 1
4 Transportador de Rodillos - 1
10 Reductor Reducción a 36 RPM 1
11 Motor 1 HP 1
12 Plataforma de Acceso a el Elevador - 1
13 Sistema Dosificador Tornillo transportador de 6 in 9
14 Tolva de Alimentación 5 mm de espesor 2
15 Elevador de Cangilones - 1
16 Tablero de Control - 1
17 Balanza Electrónica 100 kg 1
B
C
D
1 2
A
321 4
B
A
5 6
DISEÑADO:
MATERIAL:
NO CAMBIE LA ESCALA
APROBADO: TÍTULO:
N.º DE DIBUJO
ESCALA:2:15 HOJA 2 DE 2
A4
C
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL3
FECHA: FECHA: SISTEMA COMPLETO
Acero A36
Avilés, Chiriboga
31/08/2015
Tabla de Elementos
