caldereria

XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica Santander, España – 5-7 junio de 2002

TRAZADOS GEOMÉTRICOS APLICADOS A DESARROLLO DE ELEMENTOS DE CALDERERÍA Alejandro Toscano Becerra, José Miguel Sánchez Sola, Juan Pablo Contreras Samper, Rafael Gómez Ortiz, Mariano Marcos Bárcena, Manuel Sánchez Carrilero, Miguel Álvarez Alcón Universidad de Cádiz, España Escuela Superior de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial Correo electrónico: [email protected]

RESUMEN Los desarrollos geométricos en formato gráfico se aplican en multitud de ocasiones en la construcción de estructuras metálicas, depósitos, calderas, conducciones, .... Para sus análisis, se parte de un modelo 3D que nos da información de su geometría. En el presente trabajo se desarrolla, de una forma ordenada, algunas de las posibilidades que presentan los métodos gráficos para la obtención de trazados de calderería. El desarrollo de este trabajo presenta una estructura ramificada que facilita una visión global, así como aspectos específicos de los casos considerados. El conjunto de configuraciones analizadas se clasifican inicialmente en: desarrollos prismáticos, piramidales, cilíndricos, cónicos, cambios de sección o tolvas, intersecciones y otros desarrollos. Dentro de cada ramificación se analizan las opciones correspondientes a rectos, oblicuos, de bases paralelas, no paralelas, .... Cada caso, se aborda con diversas configuraciones, visualizándose de forma evolutiva los trazados correspondientes. Los ejemplos que se presentan, se desarrollan mediante técnicas de “paso a paso”, que permiten una exposición clara del devenir de su trazado, teniéndose en cuenta las geometrías de las piezas y empleando el método más apropiado (rectificación, traslación, triangulación, simetría,...), para ellos. Palabras claves: Desarrollos, Tolvas, modelado 3D, calderería, interpolación de curvas splines, Curvas Nurbs.

ABSTRACT The geometric developments in graphic format are applied an many occasions in the construction of metallic structures, deposits, boilers, conductions,.... To analyse them start with a 3D model that gives us information about it geometry. In this work present, some of the possibilities that the graphic methods for the obtaining of boiler drawing are developed in an orderly way. The development of this work it presents a ramifyed structure that facilitates a global vision, as well as specific aspects for each particular case. The analyzed configurations, are classified initially to: prismatic developments, pyramidal, cylindrical, conical, section changes or chutes, intersections and other developments. Inside each ramification are analysed the options corresponding to vertical, oblique, of parallel bases, bases not parallel,.... Each case is approached with diverse configurations, visualizing in an evolutionary way its corresponding layouts. The examples presented, are approached by means of "step by step" techniques, that allows a clear of the evolution of its, taking into account the geometries of the pieces and using the most appropriate method (rectification, traslation, triangulation, symmetry,…), for them. Keywords: Development, chutes, modelling 3D, boiler, interpolation curves spline, Curves Nurbs,

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Introducción

El continuo desarrollo de los medios informáticos permite establecer nuevas formas de exposición en Ingeniería Gráfica. Los entornos multimedia amplían las posibilidades didácticas a la hora de exponer, trazados geométricos laboriosos. Éste es el caso de los desarrollos que se emplean en calderería. La multitud de configuraciones que existen al componer elementos, codos, reductores, pantalones, carcasas, etc, implican la necesidad de una exhaustiva clasificación. En el presente trabajo, se ha desarrollado con intención de cubrir dos objetivos considerados fundamentales, por un lado, emplear conceptos y métodos geométricos (casi desaparecido en los nuevos planes de estudios), y por otro, como se ha comentado anteriormente, perseguir una exposición sencilla, optándose por soportes informáticos, dada su gran adaptabilidad. Es decir, se ha empleado métodos de rectificación, traslación, triangulación, simetría, abatimientos, etc, para la obtención de los trazados geometricos aplicados a desarrollos de elementos de calderería. Para la exposición, se ha realizado una clasificación ordenada de algunos de los casos posibles del entorno industrial, ramificándose hasta el caso practico dimensionado. Una vez seleccionado el caso a estudiar, se presenta la evolución del trazado paso a paso, con comentarios clarificadores del proceso, que permiten un perfecto seguimiento de todo el trazado. Los elementos considerados se han clasificados, en los siguientes grupos: Desarrollos prismáticos, cilíndricos, piramidales y cónicos: En estos apartados se analizan los prismas, pirámides, cilindros y conos, bien rectos u oblicuos y con bases paralelas, no paralelas, regulares, irregulares, según proceda. Igualmente se desarrollan diversos sectores, empleados en el diseño de tolvas, depósitos, carcasas y conducciones de gran diámetro. Cambios de sección o tolvas: Se analizan algunas de las posibles configuraciones de tolvas, sin descuidar la posición y orientación de sus bocas o bases. Dando lugar, a tolvas con bases paralelas o no paralelas, centradas (equiaxiales) y descentrada. Y por último, tolvas con bases de distintas secciones, es decir, poligonales, cuadrada-circular, poligonales giradas, otras secciones. Intersecciones: En el sexto apartado se abordan algunos de los múltiples casos que se presentan en calderería y se analizan los casos más usuales, entre los cuales: Intersecciones entre tubos cilíndricos, cónicos y cilíndricos-cónicos con igual o distinto diámetro, con injerto perpendicular u oblicuo y ejes que se corten o crucen, según el caso seleccionado. Así como, otras disposiciones en las que se incluyen esféricos, prismáticos. No se ha profundizado, en los elementos prismáticos y piramidales, debido a que es bastante frecuente que su formación se obtenga mediante técnicas de unión, como soldadura, remachado, atornillado. En el último apartado, se abordan otros desarrollos, que por su geometría se excluyen de los apartados anteriores, como esféricos, analizándose los métodos de construcción mediante troncos de cono, husos inscritos y tangentes. Se concluye con los difusores cónicos, cilíndricos y cilíndricos-cónicos. La clasificación comentada puede verse con mayor detalle en la figura 1.

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METODOLOGÍA

Partiendo de la posibilidad de disponer de un sistema de Diseño Grafico Asistido por Ordenador (CAGD, Computer-Aided Graphics Design). En el caso estudiado en el

presente trabajo, el modelado 3D se ha llevado a cabo haciendo uso del programa Autocad 2000 y 3D Studio Max 3. Mediante el empleo de las técnicas de modelo, estos

Figura 1: Clasificación de los casos considerados

sistemas proporcionan toda la información geométrica de los elementos a desarrollar, así como diferentes formas de representación, desde las más sencillas como la representación mediante líneas de frontera (boundary edge) o estructura de alambre (wire frame), hasta otras con mayor complejidad como las que conducen a una visión fotorrealista del objeto. Todo lo cual, permite la obtención de vistas ortográficas que definen claramente al elemento. ANÁLISISDE DE ANÁLISIS ELEMENTOS ELEMENTOS

VISTAS VISTAS ORTOGRÁFICAS ORTOGRÁFICAS

MODELO3D 3D MODELO

NO DIMENSIONES DIMENSIONES

MÉTODOS MÉTODOS

VERIFICACIÓN VERIFICACIÓN

SI DESARROLLO DESARROLLO Figura 2: Esquema de la Metodología Los valores de las dimensiones, en ocasiones permite la elección del método mas apropiado y su posterior comprobación, para concluir con su desarrollo. La metodología realizada para la elaboración de este trabajo s puede observar en la figura 2.

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VISUALIZACIÓN DE LAS RESOLUCIONES

Para la visualización de los casos prácticos que se recogen en este trabajo, se han desarrollado unos módulos o rutinas que nos permite la resolución evolutiva (paso a paso). Los casos estudiados se resuelven en pantalla, permitiéndole al alumno seguir fácilmente el devenir en el proceso de resolución. En cualquier momento el alumno tiene acceso a cada una de las secuencias del proceso, permitiéndole avanzar o retroceder en las misma, hasta su optima asimilación. De igual forma, la rutina desarrollada se esta acoplando en un enlace de la pagina web de nuestro departamento, con intención de continuar la línea orientada al desarrollo de aulas y laboratorios virtuales en distintas áreas del Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial de la Universidad de Cádiz. Tras la pantalla de presentación de la figura 3, existe la posibilidad de avanzar para continuar la visualización de los casos que se han considerados o bien volver a la ubicación anterior, es decir, salirse de la aplicación, mediante el posicionamiento del cursor sobre los iconos que se encuentran ubicados en la parte inferior derecha e izquierda de esta pantalla de presentación. Al avanzar en la aplicación se accede a la pantalla de selección, figura 4. En ella, se presenta la clasificación estructurada en siete grupos o apartados de los casos considerados, éstos se ramifican hasta abordar el caso practico deseado.

Figura 3: Pantalla de presentación

Figura 4: Pantalla de selección Como se ha comentado anteriormente, en la pantalla de selección se presentan los siete apartados que se analizan en esta aplicación. Pulsando sobre cualquiera de los apartados, por ejemplo, si pulsamos sobre el botón de acción de Desarrollos cilíndricos, se entra en la pantalla que se muestra en la figura 5, y tras la selección de los cinco

casos abordados, por ejemplo, si pulsamos sobre el 3.2.1, se muestra la pantalla de la figura 6 en donde se visualizan el modelo 3D, vistas ortográficas y las dimensiones que hacen posible su ejecución.

Figura 5: Pantalla de selección de desarrollos cilíndricos.

Figura 6: Pantalla de desarrollos cilíndricos oblicuos con bases paralelas

Figura 7: Visualización intermedia del desarrollo comentado En la figura 7, se puede observar la rectificación del cuadrante de circunferencia y los puntos definidores del desarrollo lateral, mediante la traslación de las generatrices del cilindro oblicuo de sección circular. La curva de cierre se ha realizado mediante

NURBS que permiten una cierta flexibilidad de unión de los puntos de interpolación bajo unas direcciones tangentes. En la figura 8 se presente el desarrollo lateral completo del cilindro.

Figura 8: Trazado del desarrollo lateral del cilindro oblicuo de sección circular Es conveniente, observar como en cada una de las secuencias mostradas en la esquina superior derecha aparecen unos iconos que mediante indicación con el ratón, permiten avanzar o retroceder en la evolución del trazado.

Figura 9: Proceso para la obtención del desarrollo de la tolva indicada

Con objeto de presentar otra aplicación, si sobre la pantalla de presentación de la figura 4, se optase por el apartado 5, se visualizaría el desarrollo de cambios de sección - tolvas, que en el 5.3.2, se abordan las de distintas secciones cuadrada-circular, como se muestra en la figura 9. En ésta figura, se muestran tres instantáneas del trazado del desarrollo de la tolva representada. En la primera pantalla, se indican las dimensiones de la tolva. En la siguiente, se aplica abatimiento y giro para la obtención de las magnitudes del triángulo y generatrices respectivamente, con texto explicativo de cada paso, la representación de los diversos arcos dan lugar finalmente, al desarrollo lateral de la figura.

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Consideraciones finales

A partir de los resultados obtenidos, puede considerarse que, en su conjunto, la metodología propuesta presenta las siguientes ventajas: Solventa los trazados manuales sobre las chapas con el uso de cordeles y tizas que en ocasiones pueden resultar engorrosos. Se consiguen desarrollos mas exactos, evitándose los ajustes finales mediante amoladoras o otras técnicas. Mejoras en la transferencia de información en paralelo, reduciendo el ciclo diseñofabricación. Proporciona claridad en la resolución de los casos a estudiar. Se promueve la participación e implicación del alumno. En breve, pueden llevarse desde sus casas vía internet o de otras aplicaciones, previa explicación del profesor. Se incentiva la aportación de nueva ideas, sobre temas que a los alumnos le resulten complicados o arduos. Se incorporan resoluciones de paso a paso, siempre con las opciones de seguir o volver atrás e incluso su reinicialización. Se estimula al profesor en una posible reorganización de la metodología, empleándose el método mas idóneo para los diferentes temas de estudios. Y en sentido contrario, se puede apuntar: Método desconcertante desde el punto de vista de frecuencia alta de cambio. La enseñanza virtual a distancia requiere unos medios de los que no siempre dispone un alumno medio. Escasa valoración académica del esfuerzo de realización.

Referencias 1) AYALA, J., Trazado y Calculo de Caldereria. Urmo, S.A. de Ediciones. Bilbao, 1975. 2) FERRER MUÑOZ, José Luis y SALVADOR HERRANZ, Gustavo. Tratado de Dibujo con Autocad 2000i. 1ª Edición. Paraninfo. Madrid, 2001. 3) TODD PETERSON, Michael. Descubre 3D Studio Max 3. 1ª Edición. Prentice Hall. Madrid, 2000. 4) LARBURU ARRIZABALAGA, N. Calderería Técnica. Trazados Fundamentales. 2ª Edición. Paraninfo. Madrid, 1990. 5) LARBURU ARRIZABALAGA, N. Calderería Técnica. Trazados Especiales. 2ª Edición. Paraninfo. Madrid, 1990. 6) LOBJOIS, D. Trazado de Planchistería y Calderería. Desarrollo de formas poliédricas, cilíndricas y cónicas. 1ª Edición. Ceac. Barcelona, 1990. 7) LOBJOIS, D. Trazado de Planchistería y Calderería. Desarrollo de piezas complejas e intersecciones. 1ª Edición. Ceac. Barcelona, 1990. 8) DIEGUEZ GONZÁLEZ, Agustín. Dibujo Geométrico y Normalización. 1ª Edición. Mcgraw-hill. México, 1974. 9) SANZ ARRANZ, J.M.; NIETO OÑATE, Mariano et al. Integración del Diseño y la Fabricación en las Construcciones Metálicas de Calderería. Actas del VI Congreso de Expresión Gráfica en la Ingeniería. Toledo, 1994. 10) SÁNCHEZ SOLA, José Miguel et al. Método Gráfico para la Simulación del Corte Térmico de Chapas. XII Congreso Internacional de Ingeniería Grafica. Valladolid, 2000. 11) SÁNCHEZ SOLA, José Miguel et al. Trazado gráfico para la simulación de procesos de corte térmico de chapa aplicados a intersecciones de tuberías. I Jornadas de Avances científicos en Ingeniería Industrial y Civil. Algeciras, 2001.