Ingeniería Mecánica (Mag.)

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Análisis de deflexiones y esfuerzos en tuberías de acero de pared delgada enterradas bajo vías de acarreo de camiones mineros por el método de los elementos finitos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-07-20) Vilca Terrazas, Nicher Saul; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente estudio analizó el comportamiento de las tuberías de acero de diámetros nominales desde 36” hasta 48” las cuales se encuentran enterradas en cruces de caminos mineros (Haul Road) sometidas a cargas superficiales de vehículos con carga bruta máxima de 625 toneladas (Peso bruto, incluye peso de material acarreado). Se desarrolló un análisis para determinar las variables más relevantes de una instalación que afectan los resultados de cálculo de esfuerzos y deflexiones por medio de un estudio paramétrico por el método de los elementos finitos. En general las zanjas se componen de una tubería apoyada sobre una cama de arena fina o material similar, por un relleno lateral instalado por medio de capas delgadas compactadas y un relleno superior compactado sobre la tubería. Para el estudio de la investigación se propuso un modelo de elementos finitos que considera la no linealidad del material de suelo, la no linealidad del contacto entre la tubería y el suelo, la no linealidad de la geometría del suelo y las cargas laterales residuales debido a la compactación de distintas capas del suelo durante la etapa constructiva y para su validación se utilizaron datos experimentales desarrolladas en el centro de investigación de infraestructuras enterradas (CUIRE) de la Universidad de Texas Arlington (UTA). El estudio demostró la importancia que tiene una adecuada selección de las propiedades de los materiales de suelos que componen una zanja, así como la importancia de considerar adecuadas condiciones de instalación de las tuberías a fin de obtener en lo posible menores costos de una instalación que permita tener esfuerzos en la tubería por debajo de los admisibles. Los mejores resultados se mostraron durante la variación del ancho de la zanja y la elección de materiales de relleno lateral con mayor grado de elasticidad, sin embargo, existen otros factores que podrían llegar a incrementar las deflexiones en la tubería tales como la variación de la altura de cama de tubería o la altura del relleno superior. Adicionalmente, se verificó en dónde se ubica la mayor carga de esfuerzos en la tubería luego de la aplicación de las cargas muertas y cargas vivas. Así mismo, se determinó en qué nivel afecta la relación del diámetro y el espesor de la tubería y para cuál de estas relaciones será necesario tener un mayor cuidado durante el análisis. El presente estudio paramétrico permitió comprender las afectaciones en los resultados de deflexión y esfuerzos de la tubería y cuyas conclusiones se pueden generalizar para instalaciones convencionales ya que dependen de las mismas variables.
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Análisis modal de una bomba turbina vertical
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-12-04) Huamantalla Orosco, Julio Augusto; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
La bomba turbina vertical es un modelo de bomba centrífuga muy usado en la minería y en la agroindustrial nacional. En el presente trabajo de tesis se realizó un análisis modal de una bomba turbina vertical modelo B12H-H-3 de la firma Hidrostal. El objetivo principal es conocer las frecuencias naturales de este modelo de bomba con el fin de que esto ayude en el proceso de diseño de nuevos modelos de bombas turbina vertical y prevenir así posibles problemas de resonancia. Primero, se realizó una introducción sobre las bombas centrífugas haciendo énfasis en la bomba turbina vertical. Es importante conocer lo especial de este modelo de bomba ya que parte de este equipo se instala sumergido dentro del fluido a bombear; además, su particular diseño permite instalarlo no solo a diferentes profundidades, sino también, se puede armar con diferentes etapas, esto quiere decir, que se pueden emplear varios impulsores en su configuración, según la aplicación lo requiera. Luego, se obtuvieron las frecuencias naturales mediante cálculos analíticos, simulación computacional y ensayos experimentales. Los cálculos analíticos aportaron el conocimiento teórico que existe detrás de la vibración de sistemas continuos, el cual ayuda a predecir la forma de los modos de vibración de la bomba en estudio, que fue validado con la simulación computacional y los ensayos experimentales. La simulación computacional se realizó empleando el software ANSYS, el cual es muy usado en la ingeniería moderna. Para la prueba experimental, se realizaron tres métodos que son: Bump test, Run up – Coast down y el análisis modal operacional (OMA), los cuales fueron realizados en el laboratorio de hidráulica de la empresa Hidrostal S.A. Los resultados mostraron que la cantidad de agua que se encuentra alrededor de la bomba sumergida influye significativamente en la variación de las frecuencias naturales de la bomba turbina vertical, para las condiciones de ensayo establecidas en el presente trabajo de tesis. Las frecuencias naturales de la simulación computacional en vacío (sin agua) difieren en gran medida sobre los resultados obtenidos en los ensayos experimentales, los cuales se realizaron con la bomba sumergida en agua.
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Artificial tactile sensors for surface texture detection - analytical and numerical investigations
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Scharff, Moritz; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Behn, Carsten
Natural vibrissae fulfill a lot of functions. Next to object distance detection and object shape recognition, the surface texture can be determined. Inspired by the natural process of surface texture detection, the goal is to adapt it by technical concepts. Modeling the vibrissa as an EulerBernoulli bending beam and the vibrissa-surface contact with respect to Coulomb's Law of Friction, the first approach is formed by the group of Steigenberger and Behn. Due to the surface contact, the vibrissa gets deformed. Initiating a linear movement of the beam support in the way that the bearn tip gets pushed, first the beam tip is sticking to the surface. The acting friction force prevents a movement of the beam tip until the static friction coeflicient is reached. The displacement of the support corresponds to changes in the acting forces and moment. Out of these changes the coeflicient of static friction can be determined. Advancing the present model, the effects of an elastic support, a conical shape of the considered beam, a natural pre-curved (stress free) beam and an inclined contact plane on the resulting forces and moments are analyzed in an analytical way, and then discussed by numerical simulations in performing parameter studies. All these special features of the beam as a tactile sensor are successfully studied. The results for the conical beam shape are only of theoretical relevance. In a next step, a quasi-static model is compared to experimental data to verify the concept. The displacement is represented by a linear, stepwise change of the support of the sensor. By image processing the deformations of the beam for every support position are analyzed. This information is compared to the simulation. The concept in principal is confirmed by the experiments.
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Artificial tactile sensors for surface texture detection-finite element models and numerical treatment
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Darnieder, Maximilian; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Behn, Carsten
The biological example of vibrissa-type sensors in the animal realm is attributed with impressive sensing capabilities. A recently discovered ability is the surface discrimination task. Preceding research on the topic elaborated certain hypotheses for the functionality of the sensor. The scientiﬁc work is predominantly based on an empirical approach closely related to the biological example. Complex and highly nonlinear mechanical interrelations and tribological aspects of the contact frequently remain unconsidered. In the interplay between the properties of the biological example and the desired technical realization of the sensor concept, the present thesis incrementally develops a complex mechanical model. Its purely numerical treatment is based on the ﬁnite element method framed in the software package ANSYS. Following three modeling stages, the nonlinear structural model is successively implemented ﬁrstly enhancing the contact formulation and secondly including dynamic eﬀects in the computation. The attributes of the biological example like elastic support, pre-curvature and conicity are incorporated and their eﬀects are related to the desired sensor function. Beside the characteristic of the sensor system, elaborated through parameter studies, special emphasis is placed on the determination of the working range and its limiting borderlines as well as the uncovering of problematic aspects of the concept. The complex picture of the static behavior of the sensor system is complemented by a ﬁrst dynamic calculation in close proximity to an experiment, which is conducted in parallel. The juxtaposition of the outcomes are interpreted and a proposal for a measurement strategy is outlined.
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Das Stoßspektrum von Spinnennetzen
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-08-19) Tietsch, Volker; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
Die vorliegende Arbeit präsentiert Grundlagen, Versuchstechniken und neue Erkenntnisse des Systems Spinnennetz. Die bereits vorhandenen Kenntnisse über dieses Vorbild aus der Natur werden erweitert und bemerkenswerte Eigenschaften identifiziert. Spinnenseide ist ein herausragendes Biopolymer, dass herkömmliche synthetische Fasern in einer Reihe von Eigenschaften übertrifft. Der Bionik und Materialforschung ist es ein Anliegen diese Fähigkeiten zu nutzen. Besonders die Fähigkeiten der Seide zur Absorption kinetischer Energien stechen hervor. Neuste Fortschritte in der rekombinaten Herstellung versprechen, diesen Werkstoff in naher Zukunft in großen Mengen synthetisch herstellen zu können. Zu Beginn wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Spinnenseide und -netz, sowie den bisherigen Forschungsstand gegeben. Außerdem werden die notwendigen mathematischen Grundlagen zur Analyse von Schwingungen erarbeitet. Dabei wird außerdem das Shock Response Spectrum (SRS) und dessen Berechnungsmethoden erläutert. Anhand verschiedener Quellen wird ein standardisiertes SRS entworfen und in Form eines Matlab-Skriptes implementiert. Für die Versuche werden Netze der Spinnenart Argiope Argentata verwendet. Zur Vermessung wird ein Versuchsaufbau entworfen und aufgebaut, um die Netze mit Projektilen in Schwingung zu versetzen. Die resultierenden Schwingungen werden mit Interferometern aufgezeichnet. Mit einer Reihe von Auswertungsskripten werden die Messungen detailliert analysiert, um Eigenschaften zu identifizieren und zu quantifizieren. Außerdem wird das SRS des Netzes berechnet. Dabei zeigt sich, dass das Netz ein dynamisches System ist, dessen Eigenschaften nur beschränkt durch bisherige, lineare Modelle beschrieben werden können. Insbesondere die Steifigkeit kann als dynamischer Parameter ausgemacht werden. Eine Reihe weiterer Parameter, wie z.B. die Energiedissipation werden quantifiziert. Im Anschluss wird ein erweitertes Modell entwickelt, dass die dynamischen Parameter berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messergebnissen zeigt die sehr gute Übereinstimmung des erweiterten, dynamischen Modells. Um weitere Details der Eigenschaften zu untersuchen, werden außerdem die viskoelastischen Materialeigenschaften in ein dynamisches Materialmodell aufgenommen. Ergebnis der Arbeit sind neue Kenntnisse über das System Spinnennetz, die die Erwartungen übertreffen. Zum Abschluss wird ein detaillierter Ausblick gegeben, um das Forschungsthema im breitem Umfang fortzusetzen. Die Arbeit präsentiert dazu mehrere Ansätze.
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Design of a counter torque device used in a torque standard machine = Erzeugung des gegendrehmoments in einer drehmoment-normalmesseinrichtung
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-09) Pino Samalvides, Eduardo Anibal; Theska, René; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Winter, Simon
In the last years, the increase in the need of higher accuracy in science, research and technology in precision engineering created an obligation to produce a new torque standard machine for precise measurement of torque. This thesis deals with the design and implementation of a Counter Torque Device which will be used in a new Torque Standard Machine based on moving mass developed in the faculty of precision engineering at the TU Ilmenau. This new Torque Standard Machine must have a measuring range from 1 mNm to 1 Nm and a lower relative uncertainty Ur :S 1x1O-5 (k = 2). In order to achieve this aim, the fundamentals and the state of the art are shown at the beginning of the thesis. After the specific requirements are compiled in a requirements list, then based on physical and technical principles different possible solutions are developed and evaluated, from this evaluation optimal solution is founded, implemented and tested.
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Diseño de un módulo de enseñanza del sistema motriz de fajas transportadoras
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-01-21) Neira Alatrista, Gustavo Alberto; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
Este documento de tesis tiene el propósito de diseñar un módulo de enseñanza del sistema motriz de fajas transportadoras, con el objeto de analizar su comportamiento bajo la variación de algunos parámetros de trabajo. Se hace una descripción y análisis de su comportamiento, trabajando en condiciones de diseño, y variando dichas condiciones en rangos que el equipo pueda soportar. El desarrollo del presente estudio se hace en seis capítulos. En el primer capítulo se muestra el estado del arte, iniciando en la descripción de una faja transportadora, sus usos y clasificación, así como mostrando sus partes principales, tanto del sistema motriz como del equipo. El segundo capítulo se enfoca en el análisis de la posición del brazo de torque y como esto afecta a las reacciones que se generan en los apoyos del sistema motriz, de igual manera se analiza el sentido de giro que el sistema motriz debe entregar a la polea motriz de la faja transportadora. En el tercer capítulo se desarrolla la influencia de la variación de la velocidad; esto es posible lograr a través de un variador de frecuencias; y su influencia en el funcionamiento del equipo, así como las fuerzas que estas generan en los apoyos. En el cuarto capítulo se analiza las implicancias que tiene la variación de la carga transportada en el equipo y estructura de soporte, de igual manera se presenta en gráficos comparativos los valores de las reacciones para distintos valores de carga. En el quinto capítulo se desarrolla la importancia de la teoría de escalamiento mecánico, como herramienta de diseño y de predicción de fallos y errores de diseño, y también se desarrollan las simulaciones con herramientas computacionales tanto del sistema real como del modelo a escala. Se verifica el resultado en el modelo computacional con el desarrollo analítico para la primera frecuencia del sistema real. Finamente, en el capítulo seis, se desarrolla un análisis de los costos que supone la fabricación del modelo a escala, detallándolo por partidas.
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Diseño de un módulo educativo a escala de una zaranda vibratoria
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-26) Leon Paro, Luis Isaac; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
En el presente trabajo se diseña un módulo de una zaranda vibratoria, utilizando el principio de similitud y el teorema Pi (π) de Buckingham, los cuales proporcionan las leyes de escalamiento de los parámetros dinámicos más importantes como: masa, rigidez, fuerza y frecuencia de excitación. Se tomó como referencia una zaranda de la marca HAVER, de la cual se conocen todos los parámetros dinámicos de manera experimental. Finalizado el diseño se realizó el análisis modal, utilizando para ello modelos conceptuales discretos (Sistemas de uno, tres y seis grados de libertad), que replican las frecuencias naturales de la zaranda como “cuerpo rígido”. Adicionalmente se efectuó un análisis modal computacional utilizando el método de los elementos finitos, para evaluar las frecuencias naturales del cuerpo de la zaranda en “modo rígido” y en “modo flexible”. Se comprobó que las frecuencias naturales y modos de vibración del módulo escalado proporcionan valores re-escalados cercanos a los valores experimentales. Las desviaciones en los resultados se explican ya que por cuestiones de diseño se necesitó realizar cambios en la posición del centro de gravedad, lo cual afectó fundamentalmente a las frecuencias de la zaranda como un “cuerpo rígido”. Finalmente, hay una diferencia del 20% en la frecuencia torsional del cuerpo de la zaranda, debido a que no se escaló la rigidez torsional del sistema.
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Estudio de las vibraciones de una chancadora de quijada, del laboratorio de Ingeniería de Minas de la PUCP
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-02-21) Aguirre Zaquinaula, Norman Osvaldo; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente trabajo tiene como objetivo analizar, diseñar y construir una cimentación para el montaje de una chancadora de quijada y seleccionar un aislador de vibraciones que disminuya la transmisibilidad de las fuerzas producidas por la máquina, a los alrededores; realizando para ello una investigación teórica experimental. El funcionamiento de la chancadora de quijada produce ruidos y vibraciones que ocasionan malestar y perturbaciones en el ambiente de trabajo y salas contiguas, que son consecuencia de defectos en la cimentación, el montaje y posiblemente originadas en el diseño mismo de la máquina. Para ello se ha obtenido mediciones de los parámetros modales de la maquina sin carga y con carga, determinando su frecuencia natural, la transmisibilidad de las fuerzas producidas por la máquina en su funcionamiento y después calcular la rigidez del material del aislador necesario, seleccionarlo y verificar que el montaje de la chancadora disminuya la transmisión de las vibraciones. El análisis de la cimentación de la máquina se ha realizado en un bloque de hormigón rígido en reposo sobre la superficie del terreno y el apoyo de la máquina. Considerando que el modo traslacional en el eje z, puede ocurrir independientemente de cualquier otro movimiento; se ha hecho el estudio correspondiente, teniendo en cuenta que el funcionamiento de la máquina produce una fuerza vertical, que pasa por el centro de gravedad de la máquina y la cimentación. Bajo esta condición, la cimentación sólo vibra en la dirección vertical respecto a su posición media de equilibrio estático. Este estudio experimental, establece una base teórica-práctica para el control de las vibraciones en la chancadora de quijada y que además servirá para la solución de problemas de vibraciones en la cimentación de máquinas en muchas ramas de la industria y servicios. Los resultados serán útiles para tomarlos como referencia en posteriores diseños de cimentaciones.
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Estudio de las vibraciones torsionales bajo régimen transitorio en un mecanismo de transmisión por engranajes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2013-10-23) Chiroque Suárez, Carlo Mario; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente trabajo de tesis tiene por objetivo desarrollar un modelo conceptual de un sistema de transmisión por engranajes (sistema ramificado) para determinar sus frecuencias naturales y modos de vibración torsional, así como, analizar la respuesta del sistema a una fuerza impulsiva sinusoidal que simula la etapa de arranque (régimen transitorio). En el primer capítulo se establece el fundamento teórico de las vibraciones torsionales y se describe la fenomenología que se produce durante la etapa de arranque. En el segundo capítulo se desarrolla el modelo conceptual del mecanismo de transmisión, se obtiene el sistema de ecuaciones diferenciales de movimiento empleando las ecuaciones de Lagrange y se seleccionan los parámetros del mecanismo de modo que las frecuencias torsionales se encuentren en una gama que permitan realizar el análisis modal y el análisis bajo régimen transitorio. En el tercer capítulo se evalúa inicialmente el sistema torsional de un grado de libertad; se analiza el comportamiento de la frecuencia natural, la razón de duración del pulso y la respuesta del sistema cuando variamos los parámetros del sistema torsional. Para el sistema de tres grados de libertad se definieron seis casos de análisis, cada caso considera la variación de uno de los parámetros del sistema y se procede a analizar el comportamiento de las frecuencias naturales, modos de vibración torsional y respuesta del sistema bajo régimen transitorio. Para obtener las curvas características se elaboraron algoritmos de cálculo en MatLab. Finalmente, se procedió a analizar el sistema equivalente de tres grados de libertad por el Método de los Elementos Finitos para obtener las frecuencias naturales de vibración torsional principalmente. La simulación se realizó en la plataforma CAD-CAE de Solidworks.
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Estudio del manejo de materiales granulares en la industria minera mediante el método de elementos discretos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-27) Anton Tasayco, Victor; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente trabajo de investigación denominado Estudio del Manejo de Materiales en la Industria Minera mediante el Método de Elementos Discretos (Discrete Element Method - DEM), ha sido elaborado con la finalidad de aportar con la aplicación de esta metodología de cálculo en nuestro medio, aplicado a flujos granulares. Particularmente se ha considerado la aplicación a la industria minera, debido que el Perú es un país minero muy importante y la aplicación de esta metodología aportaría a dar soluciones, que permitan incrementar la producción en esta industria. En el primer capítulo, se presenta los antecedentes, lineamientos teóricos y trabajos de investigación previos respecto a la metodología DEM. Así mismo se presentan ciertas aplicaciones de interés e importancia. Se ha considerado también dar a conocer una síntesis del estado de la aplicación DEM en nuestro país. En el segundo capítulo, se define el material granular como conjunto de partículas discretas confinadas, así mismo se describen y clasifican los materiales granulares. Además de técnicas recomendadas para la caracterización del material, descripción de la fenomenología que producen los materiales granulares al manipularlos. En el tercer capítulo, se describe la metodología para simular flujos granulares, además de la secuencia de iteración de la metodología propuesta, considerando las limitaciones y restricciones. Así mismo se mencionan las herramientas computacionales que brindan soporte para trabajar con la metodología DEM. En el cuarto capítulo, se mencionan las consideraciones experimentales propuestas, mediante el uso de software de simulación DEM. En el presente trabajo de investigación, se exponen los factores de importancia a considerar en la etapa de simulación DEM, así mismo se bridará una técnica de análisis de sensibilidad para lograr calibrar el modelo de simulación. Este análisis de sensibilidad se basa en los parámetros que puedan brindar la mejor aproximación en el modelo de simulación DEM, en comparación con los valores obtenidos el experimento en laboratorio. El modelo planteado para la calibración es el caso de la prueba del ángulo de reposo, esta prueba vincula los valores obtenidos en pruebas experimentales (el caso de la investigación, valores obtenidos de la bibliografía especializada) con los valores a calibrar en el software de simulación. Los resultados obtenidos mediante el procedimiento elaborado en este trabajo y plasmados en el ejemplo de calibración, están dentro de los rangos de error, propios de esta metodología de simulación para flujos granulares.
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Finite-elemente-analyse des schwingungsverhaltens eines Spinnennetz-analogen polymernetzes
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-02-07) Bottner, Paul; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Witte, Hartmut
Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Ausarbeitung eines Schwingungsmodells von Spinnen-netzen und deren Umsetzung in der kommerziellen Software ANSYS Workbench 15. Der bis-herige Wissensstand des Systems Spinnennetz ist dazu ebenso eingeﬂossen wie Kenntnisse der Materialeigenschaften. Einem Überblick über den bisherigen Forschungsstand bezüglich den besonderen Eigenschaften der Spinnenseide und des Netzes folgen die mathematischen Grundlagen der Modellbildung. Im weiteren Verlauf beschäftigt sich die Arbeit mit dem Aufbau und der Erläuterung des Material- und Schwingungsmodells sowie der zu untersu-chenden Geometrie des Netzes. Es folgt die Implementierung in ANSYS. Zur Umsetzung und Analyse werden Randbedingungen aus der Literatur zusammengetragen und sinnvolle Annahmen getroﬀen. Es folgt eine Validierung des Finite-Elemente-Modells (FE-Modells) mit bisherigen Messungen. Mit Hilfe der Software LTSPICE und unter Nutzung elektrischer Analogien können fehlende Parameter bestimmt und in Ansys implementiert werden. Der Vergleich mit den Messergebnissen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung des FE-Modells. Mittels Parameterstudien kann der Einﬂuss verschiedener Größen auf die Schwingungs-frequenz einer symmetrischen Netzgeometrie nachgewiesen und quantiﬁziert werden. Im Anschluss erfolgen die Untersuchungen eines asymmetrischen Netzes sowie der Auswirkung unterschiedlicher Anregungspunkte auf den Schwingungsverlauf. Ergebnis dieser Arbeit ist ein belastbares und für weitere Untersuchungen nutzbares FE-Modell. Anregungen diesbe-züglich liefert die Arbeit im Ausblick. Des Weiteren werden weitere interessante Fragestel-lungen für zukünftige Forschungsaufgaben genannt.
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Influencia de la variabilidad de parámetros de diseño en uniones con juntas mecánicas, para aplicaciones en codos de radio mayor de servicio de pulpa minera
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-04-13) Peñaloza Arraya, Gustavo Arturo; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente trabajo de investigación permite establecer un modelo analítico lineal de una junta mecánica semirrígida Victaulic estilo 77, utilizada para unir codos de radio mayor (1.5D, 3D, 5D) con tuberías rectas de acero al carbono en servicios de transporte a presión de pulpa minera. En la industria minera peruana el traslado de pulpa mediante tuberías es ampliamente utilizado, permitiendo aislar la pulpa de entornos sensibles. Sin embargo, la pulpa genera abrasión y consecuentemente desgaste en cambios de dirección, especialmente en codos. El reemplazo de estos últimos elementos casi siempre se realiza en parada de planta donde el tiempo para su sustitución es limitado. El presente trabajo, mediante el modelo antes descrito, permite garantizar un diseño de disposiciones de tuberías confiables bajo la norma ASME B31.3, donde es posible utilizar codos con uniones Victaulic estilo 77 sin ningún tipo de soporteria para algunos casos presentados, ahorrando tiempo valioso en el desmontaje y montaje. Gracias al modelo se puede establecer el nivel de flexibilidad de este tipo de juntas comparando su comportamiento con uniones de tubería rígida y flexible, lo que permite concluir que este tipo de conexión se apega más al comportamiento de una unión flexible, próxima a un tipo de unión articulada. Adicionalmente, con los resultados se obtienen recomendaciones de ubicación y cantidad de soportes para tuberías rectas e instalaciones que involucran codos de radio superior. Estas recomendaciones permiten diseñar los soportes estructurales típicos donde realmente son necesarios.
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Investigation of different compliant mechanisms
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-14) Sea Ordaya, Alexander Javier; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
The use of flexible mechanisms has been increasing in the recent years. This is due of the advantages that offer with respect to rigid mechanism. However, the method to study them become more complicated. Just to mention, the mathematical equations to investigate their behavior are of a higher level, so the assistance of calculation software is required. For this reason an analytical model is developed to facilitate the study of compliant mechanism. To do this, a review of the theory involved in the calculation of compliant mechanism is made and applied in the development of the analytical model. In this case the equations derived from the Euler-Bernoulli Beam Theory were used. In order to have a contrast of results, a software that use the Finite Element Method was used. After the simulation of the structures in both models, the relative errors were obtained. In the case of the simulations to obtain the displacement due to external forces, only the first node of the structures were defined as “Clamp” and the external forces were applied to the rest of the nodes. For this investigation, nine structures were simulated. To obtain a representative relative error, an average of them were calculated, which are 5.69% and 4.28% in the x and y axis respectively. Subsequently, because in all the cases, the first node is fixed, the moment at that node were obtained and compared. The average relative error found was 1.74%. After that, the simulations to obtain the forces due to the rotation of the structures were carried out. To make the simulations, the structures rotate in the range of -0.4 rad and 0.4 rad with steps of 0.1 rad. For this investigation, 4 structures were simulated and 14 parameters were defined. The maximal relative error found was 5.05%. Finally, an study of the behavior of the normalized moment at the first node of the 4 structures when the 14 parameters vary was carried out. In this investigation it was found on one hand that the parameters R1 and R2 from the structure 3 have good influence in the curves but on the other hand, the parameters R1 and α from the structure 4 have almost no influence.
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Schwingunesverhalten von Spinnennetzen
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-08-12) Baümer, Richard; Alencastre Miranda, Jorge Hernán; Witte, Hartmut
Wissenschaftliche Arbeiten zeigen einen Zusammenhang zwischen der Eigenfrequenz des Spinnennetzes, dessen Geometrie, dem Eigengewicht der Netzspinne und der äquivalenten Vorspannung. Hypothese dieser Masterarbeit ist, dass die Eigenfrequenz von Spinnennetzen konstant ist. Die vorliegende Masterarbeit zeigt jedoch, dass dies nur bedingt richtig ist. Wir belegen dies mit unseren Experimenten mit verschiedenen Individuen der Spinnenart Argiope Argentata durch Ermittlung derer Eigengewichte und der Eigenfrequenzen der erbauten Spinnennetze. Unsere Daten zeigen, dass die Webnetzspinne die Netzvorspannung nicht proportional zu ihrem Eigengewicht erhöht, so dass die Eigenfrequenz für verschiedene Netze nicht konstant bleibt. Es wird das Vorhandensein eines Eigenfrequenzbereichs vermutet, da ihr Gewicht und ihre Möglichkeiten zur Vorspannung in einem bestimmten Bereich liegen. Eigenfrequenzen von Spinnennetzen werden mit dem in dieser Arbeit erweiterten Schwingungsmodell und auf Basis verö entlichter Arbeiten berechnet.
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Theoretical and experimental investigations of multiple contact points between a biologically inspired tactile sensor and various objects
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-15) Fischer Calderón, Juan Sebastián; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
The somatosensory system of mammals includes sensory hairs (vibrissae) for tactile perception during near field exploration. Interacting with the environment, the tactile hair transfers mechanical stimuli to the hair follicle (follicle-sinus complex). The follicle-sinus complex transduces the singnals and transmits them to the central nervous system. Rats, e.g., are able to characterize objects with regard to their surface and geometric shape. Inspired by the biological paragon, the implementation of a vibrissa-like tactile sensor is an object of engineering research. According to the sensory organ, the function of a technical vibrissa is based on the recording of stimuli by the artificial hair shaft and their measurement at the support. This enables the detection of technically relevant information. In this context, the present work focuses on the task of object contour reconstruction. For that purpose, the support reactions are determined during scanning of an object. Previous investigations have been restricted on scanning objects with convex contours. This is due to the limitation of mechanical models to single-point contact scenarios. Goal of the present work is the consideration of multiple contact points between sensor shaft and object contour. The sensor shaft is modelled as a Euler-Bernoulli beam. The mathematical/theoretical description of the deformation of the beam during quasi-static scanning results in a multipoint boundary value problem with switching point. In order to simulate scanning sweeps along two different object types, the corresponding multipoint boundary value problems are solved by applying a shooting method incooperating a Runge Kutta Method of 4th order. The support reactions are calculated during scanning. It shows that multi-point contacts can be identified in the support reactions. The simulation is validated by experiments using selected examples.
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Theoretical and numerical investigations of the parametric resonance of the mechanical vibrissa
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-02-25) Perez Tineo, Cesar Augusto; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
In nature, vibrissae are tactile hairs of mammals used as sensor elements for the exploring the surrounding area. These hairs, also known as whiskers, can be found in different locations on an animals body. Mystacial vibrissae are distributed over a whiskerpad on a muzzle. Carpal vibrissae are located on the downside aspect of the forelimbs of mammals. The vibrissal hair has a conical shape and grows from a special heavily innervated hair follicle incorporating a capsule of blood. As the hair itself has no receptors along its length, the vibrissa may be considered as a system for transmitting forces and torques that arise from the contact between the hair and an object to sensory receptors inside the follicle. The present thesis deals with the vibrational motion of vibrissae dur- ing natural exploratory behaviour from the mechanical point of view. The phenomenon of the parametric resonance of the vibrissa is investigated the- oretically and numerically. In the first part of this thesis, two mechanical models of an elastic beam are presented based on findings in the literature. The first model considers a straight beam with the linearly decreasing radius of the circular cross-section. The second model takes into account the circu- lar natural configuration of the cylindrical beam. Within these models, the small transverse vibration of the beam under a periodic following force at the tip are analysed using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. In the second part of the thesis, the numerical analysis of the problems is performed based on the finite element method using ANSYS 16.2 software. For each model, the dynamical response of the system on the parametric excitation is simulated for different frequency values. It is shown theoretically and numerically that at specific ranges of the excitation frequency the phenomenon of the parametric resonance of the beam takes place. That means that the amplitude of vibrations of the beam increases exponentially with time, when it is stimulated within one of the frequency ranges of the parametric resonance. These ranges depend on the geometrical and material parameters of the beam model, as well as the am- plitude of the periodic excitation.
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Uso de la simulación numérica como alternativa a los ensayos destructivos contemplados en las Normas ISO 3449 y 3471. Caso de estudio cargador frontal modelo HS10E
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-07) Rojas Asto, Pavel; Alencastre Miranda, Jorge Hernán
El presente trabajo desarrolla un procedimiento general para la simulación por elementos finitos de dos ensayos destructivos contemplados en las normas ISO 3449, para el impacto de objetos en caída libre, y la ISO 3471, para volcadura de equipos móviles. El procedimiento propuesto abarca la compresión de la solicitud del diseño a evaluar (donde se realiza una lista de exigencias para tener claros los puntos de mejora y las restricciones del estudio), las evaluaciones preliminares (que permiten identificar las necesidades para la simulación), el tipo de simulación a realizar, la selección del programa computacional , la geometría de la estructura que se requiere analizar, la definición de las cargas, los apoyos y los materiales involucrados en el análisis, el preprocesamiento (donde se realiza la generación de la maqueta virtual, en la cual se asignan las propiedades del material, las generaciones de la malla en la estructura, los apoyos y cargas, estas últimas definidas en las evaluaciones preliminares), el post procesamiento (en donde se determina los resultados y graficas que se solicitará al programa) y la interpretación de los resultados. Para determinar la eficacia de este procedimiento se realizó el análisis de la estructura de un equipo móvil, el cual fue sometido a este procedimiento, determinándose que para el caso de la simulación para la norma ISO 3449 se requiere una simulación del tipo explicita por estar relacionado con el análisis de impacto y para el caso de la simulación de la norma ISO 3471 se requiere una simulación del tipo no lineal, tanto por superar los límites de fluencia del material como por tener grandes deformaciones plásticas. Los resultados obtenidos son coherentes con el resultado analístico y como el comportamiento esperado de la estructura, el cual se demuestra que el procedimiento propuesto cumple con el objetivo y permite hacer repetitivo el análisis hasta obtener resultados satisfactorios para el diseñador antes de someter la estructura al ensayo destructivo, reduciendo los costos y tiempo de mejora en las estructuras que requiere de dichos ensayos.