Ingeniería Mecánica (Lic.)
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Ítem Texto completo enlazado Desarrollo de un algoritmo para el diseño de árboles en cajas reductoras de velocidad con engranajes cilíndricos y ejes horizontales paralelos considerando resistencia a la fluencia, resistencia a la fatiga y deflexiones(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-03-27) López Ochoa, Alexander Richard; Valverde Guzmán, Quino MartínEste trabajo de tesis presenta el desarrollo e implementación de un algoritmo para el diseño de árboles en cajas reductoras de velocidad con engranajes cilíndricos y ejes horizontales paralelos. El cual tiene como inputs a las cargas, condiciones de trabajo, y parámetros geométricos de rodamientos y engranes; y como outputs a los diámetros, factores de seguridad a la fluencia y fatiga y deformaciones. Con este algoritmo se consigue en el diseño de árboles de cajas reductoras, una reducción de tiempos de cálculo respecto a los métodos actuales tales como el cálculo manual. La presente tesis forma parte de un proyecto de mayor alcance con el objetivo principal de diseñar una caja reductora de media y alta potencia. Esto conduce a que el algoritmo esté concebido como parte de un módulo de cálculo de árboles, dentro de un sistema inteligente de diseño de cajas reductoras. Asimismo, este sistema inteligente establece interacciones entre el módulo de árboles y los módulos orientados a los otros componentes de la caja reductora. Este algoritmo es implementado en la plataforma Visual Basic for Applications (VBA) que se encuentra en el software Autodesk Inventor. El desarrollo e implementación del algoritmo se inicia con la recopilación de información en textos de diseño y normas técnicas internacionales acerca de procedimientos para el diseño de árboles. Con esta información se tipifican los árboles para este tipo máquinas. A continuación, se genera una librería de los árboles que es utilizada para el diseño de los mismos considerando sus formas constructivas principales y las relaciones entre sus longitudes y diámetros. Los parámetros de entrada requeridos para el cálculo de los árboles son las cargas, condiciones de trabajo y parámetros geométricos de rodamientos y engranes. Los criterios definidos para el cálculo de los árboles son el análisis de resistencia a la fluencia, análisis de resistencia a la fatiga y análisis de deflexiones. Finalmente, se obtienen los diámetros de cada sección considerando factores de seguridad a la fluencia y fatiga y deformaciones menores a las máximas admisibles. De este modo se automatiza el proceso de diseño de los árboles y su modelamiento en 3D, pudiendo así realizar pruebas con ejemplos de aplicación y visualizar de forma gráfica los resultados. Estas pruebas son las que validan el correcto funcionamiento del algoritmo realizado.Ítem Texto completo enlazado Análisis estructural y modal de la hélice de un aerogenerador de 3kW de potencia mediante simulación numérica computacional(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-07-05) Yupa Villanueva, Renatto Marcello; Franco Rodríguez, Rosendo; Valverde Guzmán, Quino MartínEn la presente tesis se hizo un estudio del comportamiento estructural y modal de la hélice de un aerogenerador de eje horizontal de 3kW en condiciones extremas de operación. Primero se realizó un análisis aerodinámico para determinar las cargas del viento sobre la hélice. En este estudio se utilizó el software ANSYS CFX para obtener el patrón de flujo, el campo de presiones, el campo de velocidades y el torque resistente. Los resultados de la simulación aerodinámica se verificaron en forma cualitativa mediante el patrón de flujo teórico y en forma cuantitativa por medio del cálculo de la potencia generada. En ambos casos se obtuvo una adecuada correspondencia. Posteriormente se realizó el estudio del comportamiento estructural de la hélice usando el software ANSYS MECHANICAL, con la finalidad de obtener el estado de esfuerzos, los desplazamientos y el factor de seguridad de la hélice. Los resultados de la simulación estructural se verificaron indirectamente mediante cálculos analíticos usando la teoría clásica del laminado. Se puede afirmar que la hélice opera en forma segura con un factor de seguridad de 1.86, considerando el material ortotrópico del cual está fabricada. Asimismo, se hizo un estudio modal para obtener las frecuencias naturales y sus respectivos modos de vibración, con la finalidad de determinar las velocidades críticas de funcionamiento de la hélice. El análisis modal fue verificado utilizando un modelo matemático de un grado de libertad, correspondiente a una viga en voladizo. Con el análisis modal se comprobó que la hélice no entraría en resonancia en el régimen de trabajo extremo (400 r.p.m.), ni por debajo de este, ya que las velocidades críticas están por encimas de 450 r.p.m.Ítem Texto completo enlazado Diseño del sistema motriz de un molino de martillos con capacidad de procesamiento de 4 ton/h de cal hidratada(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-25) Párraga Córdova, Jhonnatan Harol; Valverde Guzmán, Quino MartínEl presente documento de tesis comprende el diseño del sistema motriz de un molino de martillos con capacidad de procesamiento de 4 Ton/h cal hidratada, el cual posee conexión fija de los martillos y tiene como objetivo principal fragmentar y reducir el tamaño del material hasta obtener una granulometría de malla N° 100. EL diseño del sistema motriz del molino comprende: árbol de transmisión; pines de soporte; martillos; disco porta ejes; disco asegurador; separadores de discos; selección de motor eléctrico; fajas de transmisión y rodamientos. Dentro del proceso de elaboración de la tesis se realizaron ensayos experimentales, tales como el ensayo de impacto y el ensayo para determinar el índice de trabajo (work index). Estos ensayos se realizaron con el fin de poder calcular la potencia de molienda: el ensayo de impacto nos arrojó un valor de velocidad de rotura de 7.67 m/s y por lo tanto una potencia de 36.2 kW; mientras que el ensayo de work index arrojó un valor de índice de trabajo de cal hidratada de 14.62 kw/Ton/h y por lo tanto una potencia de 194 kW. Finalmente se elige el valor de 36.2 kW para la potencia de molienda que nos garantiza el cumplimiento de la capacidad de procesamiento y la fragmentación de los granos de cal hidratada. Se realizó el dimensionamiento de todos los componentes. Destaca que el árbol de transmisión se verificó por resistencia, fatiga, deformación transversal y verificación dinámica. En la verificación por fatiga se obtuvo un F.S fatiga de 3.5, que es mayor al factor de seguridad recomendado de 2.5. El máximo valor de deformación transversal es de 0.064 mm/m que es inferior al máximo valor permitido para árboles 0.5 mm/m . En la verificación dinámica la velocidad del sistema en frecuencia natural resulta ser de 3574.8 rpm y como la velocidad del sistema es 1800 rpm se tiene que la zona de trabajo del árbol de transmisión es el lado subcrítico, lo cual es admisible. Finalmente, se puede afirmar que se realizó un correcto dimensionamiento del árbol de transmisión. El motor eléctrico se seleccionó de manera adecuada ya que el tiempo de aceleración, 2.4 segundos fue menor al tiempo de rotor bloqueado, 20 segundos. Además, se calculó la vida nominal en horas del rodamiento 2312k resultando ser 49 mil horas, lo cual supera el rango establecido (20 – 30 mil horas) para el tipo de carga.Ítem Texto completo enlazado Estudio mediante elementos finitos de la interacción suelo - tubería en tuberías enterradas debido a una falla del suelo del tipo lateral(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-05-14) Silva Cueva, Jonathan; Valverde Guzmán, Quino Martín; Yépez Castillo, HerbertEn esta tesis se presenta un procedimiento para el análisis de tuberías enterradas sometidas a un deslizamiento de suelo del tipo lateral, mediante la simulación por software de elementos finitos. Para desarrollar el mencionado procedimiento, se realizó inicialmente un estudio de los diferentes modelos analíticos y computacionales relacionados con el análisis de tuberías enterradas. Con el estudio de los métodos analíticos, se seleccionó el método de Kennedy para la realización del análisis de una tubería enterrada que es afectada por un deslizamiento de suelo lateral. Posteriormente, mediante el estudio de los métodos computacionales, se realizó la simulación del mismo problema tratado en el cálculo analítico utilizando el software de elementos finitos ANSYS Mechanical, el problema estudiado considera los efectos del deslizamiento lateral del suelo sobre la tubería enterrada. Los resultados obtenidos mediante simulación fueron comparados con los obtenidos por medios analíticos para su validación. Por lo que el modelo de elementos finitos desarrollado puede ser implementado para la ubicación de zonas críticas en tuberías de gran longitud afectadas por fallas del suelo. Luego de realizada la simulación se procede al análisis de resultados, para lo cual se presentan gráficas que muestran el comportamiento de la tubería a lo largo del tramo analizado. En la simulación se usó un caso real, una tubería enterrada de acero API 5L X70 de diámetro exterior 0,3556m (14”) con un espesor de 0.0048m sometida a un deslizamiento lateral del suelo de 0,7m. Los ángulos de falla estudiados son de 0°,45° y 90° con respecto a la posición inicial de la tubería. Al analizar los resultados, se tiene que la zona crítica a lo largo de la tubería se encuentra en el plano de falla del suelo.Ítem Texto completo enlazado Análisis de la fluctuación de las cargas sobre el conjunto eje-impulsor de un agitador de eje vertical mediante simulación numérica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-03-23) Lozano Salas, Agustín Armando; Valverde Guzmán, Quino Martín; Franco Rodríguez, RosendoEl presente trabajo de investigación está enfocado en realizar el estudio de las cargas fluctuantes generadas por el movimiento rotacional del conjunto eje-impulsor en un agitador vertical, a partir de los datos obtenidos del estudio fluido-dinámico en régimen transitorio del sistema utilizando simulación numérica. Este estudio se basa en la problemática del movimiento oscilatorio presente en el eje durante la operación del equipo. Para lograr este objetivo, se utilizó la metodología MRF (movil reference frame) utilizada en investigaciones precedentes de sistemas agitados. En primer lugar, los resultados obtenidos a partir del análisis numérico, utilizando el software ANSYS, fueron validados con las pruebas realizadas en el laboratorio. Estas pruebas fueron realizadas con un modelo a escala que cumple con todas las especificaciones técnicas de un análisis dimensional. Las variaciones presentes en el análisis son inferiores al 12% lo que comprueba el correcto trabajo realizado en el sistema numérico. Una vez realizada la validación y el estudio de las cargas dinámicas, se pueden obtener conclusiones que permiten cuantificar efectos pocas veces tomados en cuenta como el comportamiento de las cargas generadas en cada uno de los álabes, este efecto es bastante estable a lo largo del tiempo debido a que cada uno de los álabes aplica esfuerzos cortantes al fluido generando campos turbulentos a lo largo de su recorrido. Por lo tanto, la frecuencia de aplicación de las cargas coincide con la frecuencia del movimiento rotacional del eje. Una vez cuantificado este efecto, se determina que el álabe tiene un factor de seguridad cercano a la unidad cuando se lo verifica utilizando la teoría debido a la fatiga, lo cual exige un mayor análisis y cuidado durante su diseño. Además, se comprueba que el impulsor tiene una frecuencia cuyo valor es exactamente el triple de la frecuencia a la que gira el eje y el comportamiento de sus cargas está relacionado con su número de álabes. A su vez, mediante la verificación del cálculo de la falla debido a la fatiga se demuestra que el sistema está sobredimensionado excesivamente cuando se analiza el eje.Ítem Texto completo enlazado Determinación de deformaciones y tensiones residuales en tuberías unidas por soldadura utilizando simulación numérica para su aplicación en gasoductos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-03-17) Curi Grados, Osmar Giordano Adolfo; Franco Rodríguez, Rosendo; Valverde Guzmán, Quino MartínEl objetivo principal de la presente tesis es presentar un procedimiento que permita calcular las deformaciones y tensiones residuales que se producen en las tuberías en el proceso de soldadura. Este análisis se realiza mediante simulación numérica, basada en el método de los elementos finitos y para ello se utilizan las herramientas del software ANSYS. El procedimiento considera los parámetros del proceso de soldadura, las dimensiones de las tuberías y de la junta, las propiedades físicas, térmicas y mecánicas del material, dependientes de la temperatura y las condiciones de contorno, tanto térmicas como estructurales. Se aplicó la técnica del birth and death o técnica del elemento quieto para modelar la deposición del material de aporte. Asimismo, se empleó el modelo del doble elipsoide de Goldak para simular el efecto de la fuente de calor. En primer lugar, se resuelve el problema térmico y se obtiene un campo de temperaturas para cada paso de tiempo. Los resultados obtenidos son los datos de entrada para la solución del problema estructural, es decir, para determinar las tensiones residuales y deformaciones, ya que éstas se producen debido a los cambios de temperatura durante la soldadura. Todos los resultados obtenidos fueron comparados con datos de resultados experimentales disponibles en la literatura para validar el procedimiento. Se observa que los resultados obtenidos por simulación tienen una correlación cercana con los resultados experimentales. Finalmente, se aplicó el procedimiento a un caso de estudio, la soldadura en un gasoducto. Se obtuvieron resultados de temperaturas, de tensiones residuales axiales y circunferenciales y de deformaciones axiales. Los resultados de las tensiones residuales se compararon con los valores estimados según la norma API 579 / ASME FITNESS FOR SERVICE y demuestran que el procedimiento desarrollado en la presente tesis puede ser utilizado como una herramienta alternativa en el diseño y el control de la integridad de uniones soldadas en gasoductos basados en normas.Ítem Texto completo enlazado Estudio de los efectos de la dilatación térmica en tuberías mediante simulación numérica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-07-13) Vásquez Ponce, Martín Javier; Valverde Guzmán, Quino MartínEsta tesis establece un procedimiento de análisis de las tensiones generadas por la dilatación térmica en tres arreglos de tuberías: una tubería simple enterrada, una tubería con un cambio de dirección de 90° y una tubería enterrada con un cambio de dirección de 90°. Para darle solución a cada uno de los casos se analizan los esfuerzos térmicos por dos vías diferentes: la simulación numérica mediante el programa ANSYS y por teorías de resistencia de materiales. El planteamiento de estos dos métodos da la ventaja de corroborar los valores obtenidos verificando que sean similares entre sí y a la vez analizar los comportamientos complejos de ciertos parámetros en la tubería. Para plantear el análisis por resistencia de materiales se explica los siguientes conceptos: dilatación térmica, esfuerzo térmico, longitud virtual entre apoyos, modelo analítico del terreno, flexión en vigas, vigas sobre fundación elástica y teorías de falla. Junto con los conocimientos anteriores es posible, para cada caso, simplificar el modelo teórico y así obtener valores de tensión crítica por medio del procedimiento realizado con los conceptos estudiados. Luego se plantea el estudio por simulación numérica usando modelos lineales para las tuberías y de resortes para el terreno. Se confirma la validez de la simulación como método de análisis al contratar valores con el planteamiento teórico y obtener porcentajes de similitud del grado del 83 – 98 %. Además es posible analizar con mayor profundidad cada caso ya que la simulación da las herramientas suficientes para ver el comportamiento de la dilatación y fuerza a lo largo de la tubería y obtener los esfuerzos máximos (que varían de 35 a 166 MPa según el arreglo de tubería) para realizar un análisis de fallas.Ítem Texto completo enlazado Desarrollo de un algoritmo para el diseño de árboles de transmisión de cajas reductoras de engranajes cilíndricos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-07-08) Soto Jaimes, Jean Carlos; Valverde Guzmán, Quino Martín; Franco Rodríguez, RosendoEl presente trabajo de tesis está enfocado en desarrollar un algoritmo para el diseño de árboles de transmisión de cajas reductoras mecánicas de engranajes cilíndricos con distribución uniforme. Asimismo, este algoritmo fue implementado a través de Microsoft Visual Studio Ultimate 2012, el programa que surge a partir de la implementación recibe el nombre de PRODIAT (Programa para el Diseño de Árboles de Transmisión). La implementación del algoritmo se realizó con el fin de proporcionarle una mayor facilidad de uso. El algoritmo se basa en cuatro etapas fundamentales: propiedades mecánicas del material y velocidad de giro, configuración de cargas, análisis de resistencia estática y análisis de resistencia a la fatiga. La primera etapa consiste en reconocer las propiedades mecánicas del material que el usuario ha seleccionado. La segunda etapa se encarga de calcular las reacciones en los apoyos a partir del reconocimiento del tipo de árbol que se diseñara (árbol de entrada, intermedio o salida), la cantidad y tipo de transmisiones que agregue el usuario. La tercera etapa se encarga de mostrar los diagramas de fuerzas internas y dimensionar el diámetro que debe tener una determinada sección de análisis seleccionada por el usuario; este cálculo se realiza según la teoría de falla de Von Misses. Se debe mencionar que no se ha considerado el peso de los componentes de transmisión ni del propio árbol, esto debido a que las cajas reductoras que se contemplan trabajan en el rango de media y alta potencia. Se utilizó el método analítico para obtener las expresiones que representan las fuerzas internas en todas las configuraciones de cargas (número de cargas y tipo de cargas. Finalmente, la cuarta etapa realiza el cálculo del factor de seguridad a la fatiga (según la expresión de la recta de Goodman modificada) para la sección seleccionada por el usuario, para lo cual el algoritmo debe de leer previamente los datos correspondientes a los factores que afectan la resistencia a la fatiga (factor de superficie, tamaño, temperatura, carga, confiabilidad y concentradores). Finalmente, para validar los resultados obtenidos mediante el uso de PRODIAT se utilizaron diversos ejemplos de diseño de árboles extraídos de textos de Diseño en Ingeniería Mecánica. Con el empleo de PRODIAT, se ha conseguido disminuir aproximadamente en un 75% el tiempo empleado para el análisis estático y de resistencia a la fatiga hecho en el diseño de árboles.Ítem Texto completo enlazado Estudio de la integridad estructural de tuberías fisuradas aplicando simulación por elementos finitos en el marco de la norma API 579(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-06-02) Herrera García, Edward César; Yépez Castillo, Herbert; Valverde Guzmán, Quino MartínLa susceptibilidad de un componente de presentar fallas en servicio y los numerosos incidentes ocurridos, como por ejemplo en el gasoducto de Camisea, han generado incertidumbre acerca de la integridad estructural de dichos componentes. Ante la necesidad de contar con fundamentos teóricos y criterios técnicos para la evaluación de la integridad de componentes en servicio, han surgido en el mundo normas que posibilitan la toma de decisiones. API 579 es un norma que describe las técnicas de evaluación para equipos a presión utilizados en la industria petroquímica, cuya finalidad es la de diagnosticar la integridad estructural de un componente cuando presenta algún tipo de defecto mientras que está puesto en servicio. Las técnicas de API 579 pueden ser utilizadas para evaluar recipientes a presión diseñados y construidos con códigos ASME BPVC, como también sistemas de tuberías con ASME B31.3, API 650 y 620. Por ello, el presente trabajo de tesis tiene por objetivo evaluar la integridad de una tubería fisurada, basándose en la norma API 579 y simulación numérica por el método de los elementos finitos (MEF). A partir de la norma se implementan procedimientos de evaluación para el caso específico de una tubería fisurada, complementándose dichos procedimientos con simulación computacional enfocada en la determinación de ciertas variables. Los resultados de la evaluación, a partir de los procedimientos implementados y de los modelos computacionales desarrollados, son contrastados con el trabajo del autor H. Sanzi [12], quien es un investigador dedicado al tema de integridad estructural; obteniendo una diferencia de nomas del 9.5%. Finalmente, se realiza un caso aplicativo tratando de evaluar un modelo con las características del primer incidente ocurrido en la línea de transporte de Camisea, de donde se puedo observar que solo considerando el efecto de la presión interna en un modelo de tubería fisurada, se produciría la fuga del hidrocarburo antes de la propagación de la fisura y ruptura del componente.Ítem Texto completo enlazado Estudio del efecto del fluido sobre las frecuencias naturales y modos de vibración de agitador 4PBT45 mediante simulación numérica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-06-01) Ackermann Zambrano, Jean Pierre; Valverde Guzmán, Quino MartínEn el presente trabajo, se estudian los efectos de diferentes fenómenos físicos sobre las frecuencias naturales de un agitador 4PBT45 (modificado en estudios preliminares para obtener un bajo consumo de potencia y alto grado de mezcla) utilizando la herramienta de simulación computacional ANSYS Mechanical, a partir de escenarios simplificados en diferentes condiciones de operación. El proyecto comienza con el análisis de los álabes aislados, para luego estudiar el comportamiento del impulsor por separado y verificar qué sucede con los modos de vibración. Se realiza la simplificación del impulsor a un rotor axisimétrico, con la misma masa y momento de inercia polar, para comparar los efectos en contraste con el agitador original, a través de escenarios estáticos y dinámicos en vacío de cada uno de los modelos. Además, se realiza el modelamiento numérico del agitador estático sumergido y se prueban diferentes propiedades de fluidos. Prácticamente, las variables que se monitorean son: cómo gobiernan las frecuencias locales de los álabes sobre el impulsor, en base al factor de participación de masa; cuáles modos de vibración se ven afectados por la rotación en vacío y cuánto varían las frecuencias debido a dicho fenómeno y por qué; cuán factible es reemplazar el impulsor por un disco y en qué casos da buenos resultados; y cuánto repercute el efecto del fluido envolvente sobre las frecuencias naturales en el sistema estático y cómo se comportan para diferentes tipos de fluidos. En general, se determina que las frecuencias naturales varían en diferentes cantidades dependiendo del fenómeno estudiado. Algunas frecuencias tienden a disminuir o a aumentar en diferentes grados conforme se incrementan las revoluciones, mientras que otras se mantienen constantes. También, se determina que casi todas las frecuencias disminuyen entre 0.5% y 20% por el efecto del fluido dependiendo principalmente de la densidad del mismo y del modo de vibrar. Por otro lado, se encuentra una expresión analítica que permite calcular la frecuencia natural bajo el efecto de un fluido B, conociendo la frecuencia dentro de un fluido A, a partir de la relación de sus densidades, bajo ciertas hipótesis y condiciones. Además, se consigue una variación entre 1% y 6% entre las frecuencias obtenidas mediante simulación numérica y las calculadas analíticamente, reduciendo el sistema a un grado de libertad, para los modos más importantes. Por último, se conocen los alcances de la herramienta computacional en este tipo de simulaciones y sus limitaciones para desarrollar escenarios más complejos.