OPTIMIZACIÓN EN EL DISEÑO DE OPTIMIZACIÓN EN EL DISEÑO DE RECIPIENTES A PRESIÓN DE TAPAS RECIPIENTES A PRESIÓN DE TAPAS
PLANASPLANASMEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE REFUERZOSMEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE REFUERZOS
María Laura GodoyMaría Laura Godoy
Luis María ArrienLuis María Arrien
Leonel Osvaldo PicoLeonel Osvaldo Pico
Área Estructuras – Departamento de Ingeniería CivilÁrea Estructuras – Departamento de Ingeniería Civil
Área Mecánica – Departamento de Ingeniería ElectromecánicaÁrea Mecánica – Departamento de Ingeniería Electromecánica
Facultad de IngenieríaFacultad de Ingeniería
Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos AiresBuenos Aires
II CAIM 2010Segundo Congreso Argentino de Ingeniería
MecánicaSan Juan - Noviembre 2010
ObjetivosObjetivos
Realizar verificaciones y aportes al diseño, en lo referente a soluciones constructivas en la fabricación de recipientes a presión, basándose en los estados tensionales generados.
En particular, se analiza el comportamiento mecánico de una caldera de casco cilíndrico y tapas planas con refuerzos interiores que vinculan el casco con sus tapas, contemplando la optimización de los anclajes en cuanto a dimensiones, ubicación y cantidad de los mismos.
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Tensiones y desplazamientos
mayores a los admisibles
IntroducciónIntroducción
Planas, toriesféricas, semielípticas, semiesféricas,
cónicas,toricónicas, abombadas, etc.
INCLUSIÓN DE INCLUSIÓN DE RIGIDIZADORERIGIDIZADORE
SS
Soluciones constructivas
RECIPIENTES SOMETIDOS A PRESIÓN RECIPIENTES SOMETIDOS A PRESIÓN INTERNAINTERNA
TIPOS DE TIPOS DE TAPASTAPAS
PLANASPLANAS
Alternativa sencilla
y económica
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DescripciónDescripción
Trabajo: Trabajo: 1kg/cm1kg/cm22
Diseño y prueba: 4 Diseño y prueba: 4 kg/cmkg/cm22
PRESIÓPRESIÓNN
100 100 ºCºC
150 ºC (hogar)150 ºC (hogar)TEMPERATURATEMPERATURA
MATERIAL: ACERO SAE MATERIAL: ACERO SAE 10101010
ESTADOS DE ESTADOS DE CARGASCARGASHAZ DE TUBOS
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Modelo 1Modelo 1 → 8 riostras p= 1 kg/cm2 y temperatura
Modelo 2Modelo 2 → 8 riostras p= 4 kg/cm2 y temperatura
Modelo 3Modelo 3 → 4 riostras p= 1 kg/cm2 y temperatura
Modelo 4Modelo 4 → 6 riostras p= 1 kg/cm2 y temperatura
Modelo 5Modelo 5 → 6 riostras p= 4 kg/cm2 y temperatura
Modelo 6Modelo 6 → sin riostras p= 1 kg/cm2 y temperatura
Modelos analizadosModelos analizadosII CAIM 2010
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MODELIZACIÓN ESTRUCTURALMODELIZACIÓN ESTRUCTURAL
GeometríaGeometría AccionesAccionesCondicioneCondicioness
de bordede borde
Material Material constitutivoconstitutivo
Definición del Definición del malladomallado
Tipo de elementoTipo de elemento
Tipo de análisisTipo de análisis
Hipótesis Hipótesis simplificativassimplificativas
Modelo computacionalModelo computacionalII CAIM 2010
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MEFMEF
Modelo computacionalModelo computacionalII CAIM 2010
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Haz de Haz de tubostubos
HogarHogar
RiostrasRiostrasChimeneaChimenea
TIPO DE ELEMENTOTIPO DE ELEMENTOElemento tipo plate rectangular de cuatro nodos y modelo material isotrópico
CONDICIÓN DE SUSTENTACIÓNCONDICIÓN DE SUSTENTACIÓNApoyado sobre el suelo
ESTADO DE CARGAESTADO DE CARGAPresión interna + temperatura
MATERIALMATERIAL
Acero SAE 1010
adm= 1,2 x 108N/m2
E= 2,05 x 1011 N/m2
= 7870 kg/m3
= 0,29
= 1,22 X 10-5 1/ºC
Material refractario
E=3 x 1010 N/m2
= 801 kg/m3
= 0,1
= 7 X 10-6 1/ºC
MALLADOMALLADO
Modelo computacionalModelo computacionalII CAIM 2010
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Desplazamientos en la tapaDesplazamientos en la tapaModelo 1Modelo 1 (8 riostras)(8 riostras)
Resultados obtenidosResultados obtenidosII CAIM 2010
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Desplazamientos en la tapaDesplazamientos en la tapaModelo 6Modelo 6 (sin riostras)(sin riostras)
Resultados obtenidosResultados obtenidosII CAIM 2010
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Tensiones en la tapa - Modelo 6Tensiones en la tapa - Modelo 6
Resultados obtenidosResultados obtenidosII CAIM 2010
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MODELOMODELOCantidad Cantidad
de de riostrasriostras
Estado de cargaEstado de cargaP+TP+T
Tensiones Tensiones máximas en la máximas en la tapa [x 10tapa [x 108 8 Pa]Pa]
Desplazamientos Desplazamientos máximos en la máximos en la
tapa [mm]tapa [mm]
11 88 1 x 101 x 1055 Pa + T Pa + T 1,161,16 0,70,7
22 88 4 x 104 x 1055 Pa + T Pa + T 1,691,69 2,02,0
33 44 1 x 101 x 1055 Pa + T Pa + T 2,092,09 1,61,6
44 66 1 x 101 x 1055 Pa + T Pa + T 1,211,21 1,31,3
55 66 4 x 104 x 1055 Pa + T Pa + T 1,851,85 3,53,5
66 Sin riostrasSin riostras 1 x 101 x 1055 Pa + T Pa + T 2,592,59 2,42,4
Tensiones y desplazamientos máximos en la Tensiones y desplazamientos máximos en la tapatapa
Resultados obtenidosResultados obtenidosII CAIM 2010
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Los recipientes con tapas planas requieren el empleo de refuerzos para lograr la redistribución de las tensiones.
Obviamente, el empleo de refuerzos o arriostramientos disminuyen los desplazamientos en la tapa.
La disposición de 8 riostras presenta una mejor redistribución tensional y desplazamientos menores.
Es posible adoptar un modelo simplificado sin orificios de conexiones, dado que la mayor concentración de tensiones se produce en los encuentros entre los refuerzos y la tapa plana y entre ésta y la chimenea.
Análisis de resultadosAnálisis de resultadosII CAIM 2010
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Importancia de los métodos numéricos para el análisis del comportamiento tenso-deformacional de recipientes a presión.
La utilización de esta metodología de análisis representa una adecuada herramienta que permite la optimización del diseño de una manera rápida y eficaz.
Como resultado de este análisis fue posible comparar diferentes tipologías de recipientes, que condujeron a la adopción de soluciones constructivas adecuadas, como ser la incorporación de riostras, variando su número y distribución.
ConclusionesConclusionesII CAIM 2010
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