Especialización Especialización en Mantenimiento
ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS EN ESTRUCTURA DEL PUENTE GRÚA DE HERRERÍA
Por:
Carlos Eugenio Lovera Luis Carlos Buelvas Martinez Gustavo Adolfo Patiño Cruz
Presentado a:
Dr. Wilfredo Montealegre Rubio
Universidad Nacional de Colombia Facultad de Minas Departamento de Ingeniería Mecánica Especialización en Mantenimiento Medellín, Colombia, 2017
Elementos Finitos
Contenido 1. 2. 3. 4. 5.
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Introducción ………………………………… ……………………………………………………………… ………………………………….. …….... 3 Objetivos..………………………………………………... Objetivos..………………………………………………....................................... .................................... 4 Puente grúa……... grúa……... ………………………………………... ………………………………………......................................5 ...................................5 Denominación de las Zonas……………………………………………………… Zonas………………………………………………………5 5 Análisis Estructural utilizando el método de elementos finitos (Software Inventor )……………….………….............................................................. )……………….………….............................................................. ……..7 ……..7 5.1. Puntos de análisis………………… análisis…………………………………………… ……………………………………… ……………......8 ......8 5.2. Análisis estructural sin carga (diseño del montaje)........................... …..… ..…..8 5.3. Análisis estructural con el peso de diseño 150 kg………………….. kg………………….. …… . …… . 11 5.4. Análisis estructural con el máximo peso 450 kg………………………… kg…………………………… … 16 5.5. Resultado…………………………………………………………………… Resultado……………………………………………………………………..20 ..20 5.5.1 Análisis estructural sin carga zona 2…………………………… 2………………………………….. …….....20 ...20 Propuestas de Mejora …………………………………………………… ……. ……. 22 6.1 Análisis estructural aplicando la mejora………………………… mejora……………………………………. …………..23 .23 6.1.1 Resultados obtenidos aplicando la mejora………………………… mejora………………………………… ………24 24 Conclusiones…………………………………………………… Conclusiones………………………… …………………………….. ….. ……………25 ……………25 Referencias……………………………………………………………………. Referencias……………………………………………………………………. 26 Anexos………………………………………………………… Anexos…………………………… ………………………………………………26 …………………26
Elementos Finitos
1. Introducción Talleres es un área de la división mantenimiento en la empresa Mineros S.A donde se fabrican y reparan piezas en general, a su vez se divide en Aéreas o secciones (Soldadura, Mecanizado, Herrería, Bobinado, Prensado, Fresado, entre otras), sus principales servicios o productos son: Reparación de equipos hidráulicos, reparación de transmisiones mecánicas cerradas (cajas reductoras), reparación de bombas centrifugas, reparación de herramientas de izaje de carga, fabricación y reparación de piezas en general por proceso mecánico y metalistería, ensamble y desensamble y reparación de equipos mecánicos y tubería para descargue de dragas, reparación de motores eléctricos de AC y DC, fabricación de estructuras metálicas entre otras. En la sección de Herrería se diseñó un puente grúa, para movilizar y/o izar piezas pequeñas (150 kg), estas piezas se transportan hasta la sierra eléctrica, además se utiliza para organizar el área de herrería. La estructura o puente ha mostrando desplazamiento de sus rieles o canales, debido al izaje de piezas de mayor tamaño y volumen, estos oscilan en un rango medio de 450 Kg. Apoyándonos del método “Elementos Finitos” a través del uso de Auto Desk Inventor 2013,se desarrollará este trabajo con el fin de realizar simulaciones a la estructura sin carga, después se realizará con cargas de diseñó previamente mencionadas (150 kilos), y después con cargas de 450 kilos, además se verificará el factor de seguridad de las canales en ambos escenarios y así poder analizar los comportamientos de desplazamientos, sacar conclusiones y proponer mejoras y/o rediseño en la estructura, para que pueda soportar la nueva carga de 450 Kg..
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2. Objetivos
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•
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Verificar la estabilidad de la estructura con las cargas de diseño, carga de trabajo y con la carga máxima de movimiento de 450 kilogramos, verificando así el factor de seguridad para cada uno de estos escenarios. Establecer alternativas de modificación a la estructura utilizando el mínimo de material y así elevar el factor de seguridad d el sistema. Calcular la zona de máxima deformación de nuestro sistema estructural.
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3. Puente Grúa Sección Herrería El estudio o análisis se centra en el puente grúa ubicado en la zona de Herrería del Taller Mecánico, este equipo o estructura es utilizada para el izaje de piezas y/o materiales de un punto “A” a un punto “B”. A continuación se describe: función principal y elementos que componen la estructura.
Función principal: Transportar e izar de manera seguro cargas de un punto a otro.
tem Descripción A Canal (riel) en C de 4” X 4,4 lb/ft de 6 m Pie de amigo (ángulo) de 75 mm X 75 mm X 8mm, long.2m B C Pie de amigo (ángulo) de 75 mm X 75 mm X 8mm D Polipasto de 1 ton E Viga transversal de 700 kg. F Testeros peso total 40 kg. Tabla 1: Componentes de la Estructura
Figura 1. Estructura Rieles y Soportes
Cant. 6 4 4 1 1 2
Figura 2. Estructura Rieles y Soportes
4. Denominación de la Zonas: El estudio se separa en dos zonas donde se aprecia de manera considerable (Deformaciones de la estructura del puente grúa). Zona 1 (figura 3) se visualiza la mayor deflexión de los canales, encontrando la máquina de corte debajo la misma. En este punto el material se deja izado mientras se realiza el mecanizado.
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Zona 1
Figura 3. Estructura punto critico de deflexion del canal en “C”
Zona 2 (figura 4) , Aquí encontramos el área donde, los puntos de apoyo se encuentran, con la mayor separación entre si y se diferencia geometricamente al resto de los soportes
Zona 2
Figura 4. Estructura rieles y soportes
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5. Análisis Estructural utilizando el método de elementos Finitos (Software AutoDesk Inventor 2013) Utilizando el software AutoDesk Inventor, se realizó el análisis de la estructura, específicamente en los canales en “C”, utilizando la siguiente metodología: • •
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Se realizó el análisis estático de la estructura sin carga (análisis de diseño). Se analizó desplazamientos del componente “A” (tabla 1) , aplicando cargas de 150 kg y esfuerzos von mises (especificaciones de diseño), esta carga se aplicó en la viga transversal en tres secciones previamente definidas, al igual que en dos tramos de la estructura del componente “A”. Se analizó desplazamientos del componente “A”, aplicando cargas de 450 kg (este es el peso máximo, de las piezas que llegan a herrería) y esfuerzos von mises. Esta carga se aplicó en la viga transversal en tres secciones previamente definidas, al igual que en dos tramos de la estructura del componente “A”.
Figura 5. Estructura en el software Inventor
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5.1 Puntos de Análisis: El estudio del puente grúa se efectúa de la siguiente manera: •
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Se realizará un análisis de deformación en la zona 1 y zona 2 sin carga para determinar cuál es el punto de mayor deformación (la única carga que actúa es su propio peso). Se realizará el análisis en el punto 1 (25%) en las zonas 1 y 2 con carga de 150Kg. Se realizará el análisis en el punto 2 (50%) en las zonas 1 y 2 con carga de 150Kg. Se realizará el análisis en el punto 3 (75%) en las zonas 1 y 2 con carga de 150Kg. Se realizará el análisis en el punto 1 (25%) en las zonas 1 y 2 con carga de 450Kg. Se realizará el análisis en el punto 2 (50%) en las zonas 1 y 2 con carga de 450Kg. Se realizará el análisis en el punto 3 (75%) en las zonas 1 y 2 con carga de 450Kg.
Figura 6. Puntos de análisis
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5.2 Análisis estructural sin carga (diseño del montaje) Zona 1 Se realizan tres mediciones en tres puntos diferentes para v er el comportamiento de la viga, su desplazamiento y el factor de seguridad (la única fuerza que actúa es el peso).
Figura 7. Analisis desplazamiento sin carga En el análisis estructural (sin carga), se observa que hay un desplazamiento máximo de 8,475 milímetros sobre el riel en “C “ por donde se desplaza la viga, esto se puede evidenciar como lo muestra la figura 3.
Figura 8. Von mises sin carga
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Figura 9. Factorde seguridad sin carga
Figura 10. Factor de seguridad de la estructura sin peso
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5.3 Análisis estructural con el peso de diseño 150 kg Se aplica un peso de 150 Kg. para analizar el su desplazamiento y el factor de seguridad en los canales en “C” que es nuestro punto crítico.
Figura 11. Estructura con una carga de 150 Kilogramos
El siguiente análisis es al 25% de la longitud del carro para este caso el punto 1
Figura 12. Desplazamiento con una carga de 150 Kilogramos punto 1, 25%
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Figura 13. Factor de seguridad con una carga de 150 Kilogramos punto 1 (25%)
Figura 14. Von mises con una carga de 150 Kilogramos punto 1 (25%)
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5.3.1 Análisis estructural con el peso de diseño 150 kg El siguiente análisis es al 50% de la longitud del carro en este caso el punto 2
Figura 15. Desplazamiento con una carga de 150 Kilogramos punto 2, 50%
Figura 16. Factor de seguridad con una carga de 150 Kilogramos punto 2, 50%
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Figura 17. Von mises con una carga de 150 Kilogramos punto 2, (50)%
El siguiente análisis es al 75% de la longitud del carro en este caso el punto 3
Figura 18. Desplazamiento con una carga de 150 Kilogramos punto 3, 75%
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Figura 19. Factor de seguridad con una carga de 150 Kilogramos punto 3, 75%
Figura 20. Von mises con una carga de 150 Kilogramos punto 3, 75%
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5.4 Análisis estructural con el máximo peso 450 kg Se realizan tres mediciones en tres puntos diferentes para v er el comportamiento de la viga, su desplazamiento y el factor de seguridad.
Figura 21. Desplazamiento con una carga de 450 Kilogramos punto 1, 25%
Figura 22. Factor de seguridad con una carga de 450 Kilogramos punto 1, 25%
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Figura 23. Von mises con una carga de 450 Kilogramos punto 1, 25%
Figura 24. Desplazamiento con una carga de 450 Kilogramos punto 2, 50%
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Figura 25. Factor de seguridad con una carga de 450 Kilogramos punto 2, 50%
Figura 26. Von mises con una carga de 450 Kilogramos punto 2, 50%
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Figura 27. Desplazamiento con una carga de 450 Kilogramos punto 3, 75%
Figura 28. Factor de seguridad con una carga de 450 Kilogramos punto 3, 75%
Figura 29. Von mises con una carga de 450 Kilogramos punto 3, 75%
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5.5 Resultados Analisis con el propio peso en la zona 1, se observó que el desplazamiento con el peso propio es de 8,475 milimetros
Figura 30. Desplazamiento peso propio zona 1
5.5.1 Análisis estructural sin carga (diseño del montaje) Zona 2
Figura 31. Desplazamiento peso propio zona 2
Al realizar el analisis en la zona 2, vemos que el desplazamiento con el peso propio es de 7,127 milimetros es decir 1,348 milimetros menos que la zona 1, por este motivo no se realizaon mas analisis en esta Zona ,se realizarà analisis de deformaciones,von mises y seguridad sòlo en la zona 1. (ver Tab. 2)
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Tab.2 Comparacion de las dos Zonas Sin Carga Zona 1 Deformación (mm)
8,475
Deformación (mm)
Factor de seguridad
0,63
Factor de seguridad
Von Mises (MPa)
326,8
Von Mises (MPa)
Puntos
1
2
25%
50%
Evaluación
75%
con carga de Convergenci 150 Kg a 150 Kg
7,127
con carga de 450 Kg
Convergenci a 450 Kg
Deformació n (mm)
12,83
0,063
10,510
4,430
Factor de seguridad
0,64
3,074
0,5
2,240
Von Mises (MPa)
334,66
3,074
447,46
2,240
Deformació n (mm)
13,92
1,407
13,36
0,046
Factor de seguridad
0,6
1,047
0,41
0,055
352,42
1,047
507,64
0,055
14,99
0,063
15,75
0,127
Factor de seguridad
0,55
0,562
0,350
0,081
Von Mises (MPa)
427,68
0,141
600,398
0,081
Von Mises (MPa) Deformació n (mm) 3
Sin Carga Zona 2
Tab. 3 Resultados obtenidos de los diferentes analisis
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6. Propuestas de Mejora Soldar un refuerzo (barra calibrada de 1 pulgada) en la parte inferior de los canales en” C”. Como lo muestra la figura 32 y 33
,
Figura 32. Refuerzo de canal en C
Figura 33. Refuerzo de canal en C
A continuacion realizaremos el analisis de las deformaciones, factor de seguridad y von mises de la estructura aplicando la mejora
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6.1. Análisis estructural aplicando la mejora
Figura 34. Von mises reforzada con 450 Kg al 25%, punto 1
Figura 35. Von mises reforzada con 450 Kg al 50%, punto 2
Figura 36. Von mises reforzada con 450 Kg al 75%, punto 3
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6.1.1 Resultados obtenidos aplicando la mejora Refuerzo Zona 1 Puntos
con carga de 450 Kg
1
25%
Von mises
116,3 Mpa
2
50%
Von mises
127,8 Mpa
3
75%
Von mises
148,6 Mpa
Como podemos evidenciar , si soldamos a las canales en “C” un refuerzo, en este caso la barra calibrada de 1 pulgada, se reduce la deformacion en el punto mas critico de 600,398 Mpa a 148,6 Mpa (Ver Tabla 5), es decir, se mejora el diseño y se lleva a condiciones seguras dentro de los limites de fluencia del materia utilizado en la estructura, en este caso ASTM A-36 (ver Anexo), de igual modo es una solucion practica debido a los bajos costos que se utilizarìa en la mejora de la estructura.
Puntos 1 2 3 TABLA: 5
25% 50% 75%
ANALISIS DE RESULATDO Carga de 450 Kg con el refuerzo o mejora Von mises 116,3 Mpa Von mises 127,8 Mpa Von mises 148,6 Mpa
Carga de 450 Kg en condiciones de diseño 447,46 507,64 600,398
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7. Conclusiones
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Se verificó que la mayor deflexión se concentra en la zona 1, debido a que al realizar el análisis con el propio peso nos arrojó un resultado mayor que en la zona 2. Se obtuvo convergencia en los cálculos realizados por debajo al 3 por ciento, esto se debe al refinamiento de la malla en zonas donde se consideraba la mayor concentración de esfuerzos y deformaciones. Es recomendable antes de diseñar estructuras, sobre todo si se trata de manejo e izamiento de cargas soportarse en software que realicen an álisis de elementos finitos, con la finalidad de evitar modificaciones a futuro que pueden generar costos adicionales. Se debe realizar una mejora en la estructura, en este caso fijar una barra calibrada de 1 pulgada, para restablecer condiciones de operatividad y seguridad. Los máximos esfuerzos obtenidos están por encima del límite de fluencia del Acero ASTM – A-36 (componente principal de los materiales de estructura), se hace necesario sacar de funcionamiento el puente grúa. Aplicando la mejora, los esfuerzos máximos obtenidos, están por debajo del límite de fluencia del Acero ASTM – A-36 , lo que garantiza que no estará trabajando en la zona plástica del material y se puede trabajar el puente en condiciones segura.
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8. REFERENCIAS http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d1844977c5c8440cb9a3a967f89 09c3a&ckck=1 http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=d1844977c5c8440cb9a3a967f89 09c3a&ckck=1 https://es.wikipedia.org/wiki/Fluencia#/media/File:Fluencia.jpg https://www.youtube.com/watch?v=HAYclE_9up4 http://www1.ceit.es/asignaturas/Estructuras2/Criterios%20convergencia.pdf http://help.autodesk.com/view/INVNTOR/2017/ESP/?guid=GUID-BC41A1F7-AE33-45198856-5850A21B3492 https://knowledge.autodesk.com/es/support/inventor-products/learnexplore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2014/ESP/Inventor/files/GUID-E039A3C5-8266-470C98E6-78CD3090F36F-htm.html
9. Anexo (Tabla de propiedades del materia ASTM a-36)
