Reporte Final Curso ANSYS

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. 

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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.

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.

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

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

Pn3=3.76 kN/m2 Ps=3.83 kN/m2

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.

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:



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

sobre la estructura destinada a soportar a la tolva. 

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



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

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

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

Esta pequeña recomendación, de ahí todo el contenido visto fue excelente. Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información 

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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.

Anexos

Resultados de la simulación de la Tolva de 4 mm de espesor:

Esfuerzo Equivalente de Von Mises. Max: 104.2 MPa

Resultados de la simulación de la Tolva de 5 mm de espesor:

Esfuerzo Equivalente de Von Mises. Max: 67.2MPa

2

1

3

4

5

6

A

A

   0    0    6

B M 1  0  

A

  9   8    0    0    2

B

800

R  2    0   

200

B

600

 55 5

Doblado 18.4°

Doblado 56.8°

C

5

C

 M 4

Detalle A

Detalle B

DISEÑADO:

Pestaña  a 90°

D

APROBADO:

TÍTULO:

FECHA:

TOLVA DE ALIMENTACIÓN

Avilés, Chiriboga FECHA:

31/08/2015 NO CAMBIE LA ESCALA

Espesor de plancha: 5 mm

MATERIAL:

Detalle C

Acero A36

N.º DE DIBUJO

Tolva

A4

2

1

3

4

PIEZA

ELEMENTO A

4 11

10

12 5

9

1 8

B

2

6

7

DESC RIPCIÓN

CANTIDAD

1

Tornillo Sinfín

-

1

2

Tapa con Pie

-

2

3

Artesa Inferior

-

1

4

Tolva

5 mm de espesor 

1

5

Artesa Tubular 

-

1

6

Descarga

-

1

7

Tapa sin Pie

-

1

8

11

Rodamiento de Bolas Pernos de los Rodamientos Tuerca de los Rodamientos Pernos de Unión

12 13

9 10

3

6

5

1.5 in

A

595 537

2

M12

8

M12

8

M10

24

Tuercas de Unión

M10

28

Pernos de Unión a la Base o Estructura

M10

4

 

Longitud

38

B

25

60

C

C

DISEÑADO:

APROBADO:

TÍTULO:

Avilés, Chiriboga D

FECHA:

FECHA:

31/08/2015

SISTEMA DOSIFICADOR

NO CAMBIE LA ESCALA MATERIAL:

Acero A36

N.º DE DIBUJO

Tabla de Elementos

A4

2

1

3

4

6

5

10 11 A

A

3 1

8

12 2 6 B

B

7 9

5 C

5 6

  SISTEMA Estructura que Soporta la Tolva y el Sistema de Dosificación Base para las Bolsas Máquina Cosedora con pedestal

7 10 11 12

Transportador de Rodillos Reductor Motor Plataforma de Acceso a el Elevador

13

Sistema Dosificador 

14

Tolva de Alimentación

15

Elevador de Cangilones

ELEMENTO 1

D

DESCRIPCIÓN

CANTIDAD

L 75x75x6

1

Incluye la celda de carga

1 1

Reducción a 36 RPM 1 HP Tornillo transportador de 6 in 5 mm de espesor  

1 2 2 1

-

1

9 2

16

Tablero de Control

-

1

17

Balanza Electrónica

100 kg

1

C

4

DISEÑADO:

APROBADO:

TÍTULO:

FECHA:

DOSIFICADORA Y ENSACADORA

Avilés, Chiriboga FECHA:

31/08/2015 NO CAMBIE LA ESCALA MATERIAL:

Acero A36

N.º DE DIBUJO

Tabla de Elementos

A4

2

1

3

4

5

6

A

A

B

B

ELEMENTO C

1

SISTEMA Estructura que Soporta la Tolva y el Sistema de Dosificación

DESCRIPCIÓN

CANTIDAD

-

1

2

Base para las Bolsas

Incluye la celda de carga

1

3

-

1

4

Máquina Cosedora Transportador de Rodillos

-

1

10

Reductor

Reducción a 36 RPM

1

11

Motor

1 HP

1

12

Plataforma de Acceso a el Elevador 

D

13

Sistema Dosificador 

14

T olv a d e A lim en ta ci ón

C

DISEÑADO:

APROBADO:

TÍTULO:

Avilés, Chiriboga

-

1

Tornillo transportador de 6 in

9

5 mm de es pe so r  

2

FECHA:

FECHA:

31/08/2015

SISTEMA COMPLETO

NO CAMBIE LA ESCALA MATERIAL:

Acero A36

N.º DE DIBUJO

Tabla de Elementos

A4