Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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Modelado numérico de la vibración inducida por flujo turbulento en tuberías horizontales mediante modelos multifísicos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-18) Blas Cajas, Michael Anderson; Franco Rodríguez, Rosendo
En el presente trabajo se modela numéricamente la vibración inducida por flujo interno turbulento en tuberías horizontales biempotradas utilizando modelos multifísicos. Existen pocos trabajos que exploren la vibración inducida por flujo utilizando este enfoque, a su vez que no presentan una metodología clara para su aplicación. Este trabajo se centra en la definición de un modelo numérico detallado del fenómeno, que consta del modelado del flujo, la tubería y su interacción. En el modelo numérico del flujo, se empleó el Método de Volúmenes Finitos junto con el modelo de turbulencia tipo LES, WMLES SOmega. Se aplicó la condición de periodicidad para reducir el costo computacional de simular un flujo turbulento completamente desarrollado. En el modelo numérico de la tubería, se empleó el Método de los Elementos Finitos junto al método de integración temporal HHT-𝛼�� generalizado. Se consideró el modelo elástico-lineal para el material de la tubería. En el modelo de la interacción fluido-estructura, se empleó el acoplamiento unidireccional (1-way) modificando la densidad de la tubería para incluir el efecto de la inercia del fluido. La implementación del modelo numérico definido se realizó en el software ANSYS 2020 R1. Posteriormente, se aplicó el modelo implementado para evaluar la influencia de la velocidad del flujo en la respuesta vibratoria del sistema flujotubería. Se consideró una tubería horizontal biempotrada de PVC, de 20,4 mm de diámetro y 1,53 m de largo, que transporta agua como fluido, considerando cuatro velocidades de flujo distintas. Los resultados de esta aplicación muestran una adecuada correspondencia con estudios experimentales y analíticos al determinar las amplitudes y frecuencias fundamentales de vibración del sistema, y capturar el aumento de la amplitud de vibración conforme se incrementa la velocidad del flujo. Esto sugiere que el modelo numérico definido es adecuado y puede ser una herramienta importante para estudiar el fenómeno de vibración inducida por flujo en tuberías.
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Automatización del diseño de árboles de transmisión para cajas reductoras de engranajes cilíndricos y ejes paralelos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-17) Delgado Marin, Alec Gonzalo; Franco Rodríguez, Rosendo
El diseño de árboles de transmisión es una tarea habitual en la industria de maquinarias, para la cual se han desarrollado softwares especializados y procedimientos normalizados a lo largo de los años. No obstante, el nivel de automatización y optimización es limitado, tiene un enfoque general, y requiere de la intervención y experiencia de un diseñador en la mayoría de los casos. Por ello, el objetivo de la presente tesis consistió en desarrollar un algoritmo que diseñe árboles de transmisión con un alto grado de automatización, orientado específicamente a árboles para cajas reductoras de engranajes cilíndricos, ejes paralelos y distribución horizontal, para cajas reductoras de una, dos y tres etapas. El proceso de desarrollo del algoritmo implicó la recopilación de normativas y recomendaciones especializadas relacionadas con el diseño de árboles destinados a cajas reductoras. Luego, se estableció un conjunto de árboles tipificados teniendo en cuenta tanto su ubicación dentro de la caja reductora como los diversos tipos de uniones para transmitir potencia (uniones por chaveta, uniones estriadas y piñón solidario). Asimismo, con el fin de automatizar el proceso de diseño, se elaboraron los modelos CAD paramétricos de estos árboles, definiendo las variables dimensionales dependientes e independientes. Además, se estableció un procedimiento que permite automatizar los cálculos de tensiones y deformaciones mediante el modelado por elementos finitos (FEM). Sobre esta base, se implementó la verificación del diseño de los árboles según las normas técnicas DIN 743 para árboles, DIN 6885 para las uniones por chavetas y DIN-ISO 14 para uniones estriadas. A fin de optimizar el diseño, se incorporó un proceso iterativo que minimiza el volumen del árbol y asegura un factor de seguridad definido por el usuario, obteniéndose como resultado el modelo CAD del árbol óptimo. Todo el algoritmo fue implementado en el software comercial Autodesk Inventor, empleando el módulo Inventor Nastran para los cálculos por FEM. Por último, para verificar el trabajo realizado, se aplicó el algoritmo en el desarrollo de dos ejemplos relevantes. Los resultados obtenidos mostraron una tendencia similar en el diseño de cinco árboles, los cuales principalmente presentaron factores de seguridad mayores a los obtenidos mediante métodos analíticos, mostrando la capacidad de minimizar el volumen de material y evidenciando el carácter conservador de los métodos convencionales.
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Procedimiento para el análisis del crecimiento de fisuras por fatiga en componentes de acero bidimensionales utilizando simulación numérica
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-12-03) Berrios Barcena, David Reynaldo; Franco Rodríguez, Rosendo
En la presente investigación se estudia el comportamiento a la fractura de componentes mecánicos bidimensionales sometidos a cargas cíclicas. El trabajo tiene como objetivo general implementar un procedimiento flexible, basado en simulación numérica, capaz de analizar el crecimiento de fisuras por fatiga en modo mixto I+II y se centra en el estudio de un acero de alta resistencia denominado comercialmente Chronit T1-500 (DIN W N°: 1.8721). La investigación tiene una componente experimental muy importante, a través de la cual se realiza una caracterización completa del material estudiado. Para obtener datos experimentales relevantes para la posterior implementación del modelo numérico, se diseñaron probetas especiales tipo TDCB, capaces de capturar trayectorias suficientemente largas y curvadas, representativas del modo mixto. En el trabajo se detalla todo el proceso de diseño, fabricación y ensayo de las probetas utilizadas, así como las técnicas y equipos empleados para medir la trayectoria de la fisura y sus parámetros de crecimiento, dentro de ellos, un equipo pulsador de alta frecuencia y la técnica DIC, en combinación con software CAD. La metodología experimental desarrollada constituye uno de los principales aportes del trabajo. La componente numérica de la investigación se basa en el método XFEM, existente en la plataforma utilizada ANSYS Mechanical APDL. Para implementar el procedimiento se desarrollaron algoritmos y escribieron códigos en el lenguaje propio de la mencionada plataforma. En este proceso, se estudiaron los parámetros más influyentes en la precisión de los resultados y se establecieron los criterios para el cálculo de los factores de intensidad de tensiones. Asimismo, fue necesario resolver dos problemas críticos del método XFEM: la tendencia de la fisura a propagar dos veces por el mismo elemento y la tendencia de la fisura a pasar por un nodo, situaciones no admitidas en el software utilizado. El procedimiento implementado permite utilizar tres criterios diferentes para determinar la dirección de propagación de la fisura, un modelo de crecimiento y dos criterios diferentes para determinar el rango del factor de intensidad de tensiones equivalente. Adicionalmente, existe la posibilidad de añadir fácilmente otros criterios y modelos nuevos, lo que constituye otro importante aporte para esta y futuras investigaciones. La ecuación de NASGRO es el modelo de crecimiento implementado que ofrece mejores resultados. Sin embargo, la obtención de los cuatro parámetros que lo definen es una tarea compleja. En este sentido, se desarrolló e implementó un novedoso algoritmo para la calibración de dicho modelo, basado en datos experimentales y resultados numéricos. El procedimiento numérico se validó con los resultados experimentales de cinco probetas tipo TDCB, obteniéndose una excelente correspondencia. Finalmente, se aplicó con éxito en el análisis de dos probetas tipo TDCB con diferentes espesores y en una palanca acodada usando dos materiales diferentes.
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Evaluación de secuencias de soldadura en una carcasa de caja reductora uitlizando simulación numérica computacional
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-06-08) Loaiza Miranda, Walter Guillermo; Franco Rodríguez, Rosendo
El presente trabajo de tesis tiene como objetivo evaluar diferentes secuencias de cordones de soldadura en una carcasa soldada de caja reductora y seleccionar la secuencia más adecuada. El criterio de selección se basa en las distorsiones producidas por la soldadura, considerando como mejor alternativa aquella que presente las menores distorsiones en las superficies de trabajo. Para lograr este objetivo se implementó un procedimiento numérico de simulación de soldadura basado en un análisis termo-estructural secuencialmente acoplado, donde el campo estructural depende del campo térmico. Para resolver el problema térmico se consideraron las propiedades térmicas del material dependientes de la temperatura, el modelo de fuente de calor de doble elipsoide presentado por Goldak, así como un coeficiente combinado de convección-radiación como condición de frontera térmico. Para resolver el problema estructural se consideraron las propiedades mecánicas del material dependientes de la temperatura, un modelo de material termo-elasto-plástico, así como las restricciones de desplazamiento necesarias para estabilizar el modelo como condiciones de frontera estructural. En ambos problemas se aplicó la técnica birth and death para simular la deposición del material. El procedimiento propuesto fue validado con resultados experimentales en una junta a tope y una en T. Luego, se aplicó el procedimiento en la carcasa objeto de estudio, tanto en la base como en la tapa. Se evaluaron tres secuencias de soldadura para la base y tres para la tapa. Como resultado se obtuvo las desviaciones de planitud en el plano de división entre la base y la tapa, y en el plano de apoyo de la base, así como las desviaciones de cilindricidad en los alojamientos de los rodamientos. Los resultados más favorables se obtuvieron para la secuencia de soldadura en la que se empleó el paso peregrino (back step) y la soldadura simultánea en los extremos opuestos y de forma simétrica. En este caso se obtuvo una desviación de planitud máxima de 257.44 _m en el plano de división entre la base y la tapa, 422.5 _m en el plano de apoyo de la base y una desviación de cilindricidad máxima de 303.3 _m en los alojamiento de los rodamientos.
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Modelamiento numérico de la vibración inducida por flujo en una tubería horizontal que transporta flujo bifásico turbulento agua – aire
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-03-26) Abarca Mora, Daniel; Franco Rodríguez, Rosendo
En el presente trabajo se realiza un análisis numérico de vibración inducida por flujo (FIV) sobre una tubería horizontal que transporta flujo bifásico agua-aire. Para el estudio del fluido se consideró un dominio de estudio de 3m de longitud en el que se analizaron diferentes modelos de turbulencia con la finalidad de seleccionar el más adecuado para el estudio FIV. Se tomó como criterio de comparación el comportamiento de la presión variable sobre la pared de la tubería. Los resultados obtenidos muestran que el modelo RANS K-ω SST es capaz de representar con buena precisión el comportamiento del flujo bifásico analizado, pues capta los patrones de flujo y las fluctuaciones de presión en concordancia con resultados experimentales reportados en la literatura, por lo que fue seleccionado para el análisis FIV. Seguidamente se procedió a determinar el método de análisis de vibración más adecuado para el objeto en estudio (tubería), en el cual se consideró un dominio de estudio de la tubería de 1.53 m de longitud, empotrada en ambos extremos. Es así que se determinó que el análisis dinámico transitorio acoplado bidireccional de interacción fluido-estructura (FSI), que contempla los efectos del campo de fluidos sobre el campo estructural y viceversa, representa de manera adecuada el fenómeno en estudio por considerar que son los esfuerzos, desplazamientos, aceleraciones y frecuencias las variables a determinarse en este análisis. Para las condiciones de flujo analizadas se captaron vibraciones, desplazamientos en el rango de -48 μm a 18 μm, aceleraciones en el rango de -0.07 m/s2 a 0.8 m/s2 y frecuencias máximas en el rango de 10 Hz a 35 Hz.
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Automatización del modelamiento geométrico y de la generación de planos de fabricación de engranajes cilíndricos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-09-12) Inafuku Yoshida, Luis Haruo.; Franco Rodríguez, Rosendo
Esta tesis tuvo como objetivo lograr la automatización del modelamiento geométrico y de la generación de planos de engranajes cilíndricos de ejes paralelos y dentado exterior con aplicación en cajas reductoras de media y alta potencia. Para ello fue necesario realizar una tipificación de los engranajes objeto de estudio siguiendo recomendaciones geométricas recogidas de la bibliografía de diversos autores, especializados en el tema de diseño de elementos de máquinas. Luego se definieron los parámetros que definen la geometría del engranaje y las relaciones con los parámetros que se obtienen de los cálculos de comprobación. A continuación, con la información obtenida hasta este punto se crearon cuatro modelos paramétricos tridimensionales que son capaces de representar las diferentes tipificaciones definidas anteriormente. Seguidamente se recopiló la información necesaria para completar los datos que requiere un plano de fabricación de un engrane, creándose también cuatro plantillas de planos. Finalmente, se desarrolló e implementó un algoritmo que permite automatizar la obtención de los modelos 3D y la generación de los planos de fabricación. Se decidió realizar esta tarea en la plataforma de Visual Basic for Applications (VBA) del software comercial de diseño asistido por computadora Autodesk Inventor. El programa desarrollado comprende tareas como el dimensionamiento de los engranajes a partir de los datos de entrada introducidos por el usuario de una transmisión verificada, la selección de la escala más adecuada para el plano, la modificación de las vistas del engrane, la realización del acotado dimensional, la indicación de tolerancias y el llenado de los bloques de datos de la pieza, entre otros. La herramienta obtenida como resultado de este trabajo fue utilizada en tres ejemplos de aplicación de manera satisfactoria.
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Propuesta de metodología para el diseño estructural de ruedas hidráulicas overshot para aplicaciones en zonas rurales
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-09) Gonzáles Arcondo, Isaac Omar; Franco Rodríguez, Rosendo
En el presente trabajo se propone una metodología para el diseño estructural de ruedas hidráulicas tipo Overshoot, con la ayuda de un caso de estudio concreto. Las dimensiones de las ruedas hidráulicas dependen de dos parámetros fundamentales, que son el caudal y la altura de caída. El caso de estudio desarrollado corresponde a un caudal de 0.06 m3/s y una altura de caída de 2.5 m, siendo representativo en las zonas rurales donde se pretende aplicar la metodología. Para obtener dicha metodología se realizó un estudio previo de los procedimientos existentes para el dimensionamiento general de ruedas hidráulicas. A partir del procedimiento identificado se elaboró el modelo geométrico de la rueda hidráulica, al cual se le realizaron algunas simplificaciones para facilitar el posterior análisis computacional. Asimismo se definieron y calcularon las cargas que producen el movimiento de la rueda hidráulica, que son la carga de impacto y las cargas volumétricas, las cuales fueron comprobadas mediante un método aproximado. Una vez definida la geometría y las condiciones de contorno necesarias se procedió a realizar el análisis estático y dinámico de la rueda hidráulica objeto de estudio, mediante simulación numérica computacional. Los resultados obtenidos fueron comparados con resultados analíticos aproximados para verificar la validez de los mismos. Tomado como base el caso de estudio se propone la metodología para el dimensionamiento, cálculo y verificación del diseño estructural de ruedas hidráulicas tipo Overshoot, el cual garantiza un factor de seguridad adecuado, superior a 3 en todos los componentes. Una particularidad de los diseños que se obtendrían al aplicar la metodología es que son desarmables, característica adecuada para las zonas de difícil acceso en el sector rural. Por último, utilizando la metodología propuesta se desarrolló una batería de casos que permitió ofrecer como producto final del trabajo un plano genérico con una tabla asociada, que permiten dimensionar fácilmente este tipo de ruedas hidráulicas. La tabla se puede emplear en una gama de caudales (0.06 m3/s – 0.015 m3/s) y caídas de agua (1.6 m - 2.5 m).
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Estudio comparativo de perfiles aerodinámicos de álabes para una turbina eólica de 3 KW mediante método analítico y simulación numérica
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-11-03) Povis Matos, Jorge Antonio; Franco Rodríguez, Rosendo
El presente trabajo de tesis consiste en el análisis aerodinámico de perfiles de sustentación para un aerogenerador de tres álabes de eje horizontal con una potencia de 3kW. El principal objetivo reside en la determinación y comparación de la eficiencia aerodinámica de 4 perfiles de sustentación mediante método analítico para finalmente evaluar el perfil de mayor eficiencia a través de simulación numérica por medio de software CFD. A través de la combinación de las teorías de cantidad de movimiento y del elemento del álabe se logra desarrollar el método analítico que consiste en un proceso de cálculo iterativo con el cual se analiza 4 perfiles aerodinámicos, en cada condición de operación y en cada sección del álabe en las que se dividió. Esto lleva a obtener los parámetros que definen el rendimiento aerodinámico para luego comparar los perfiles mediante las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad especifica de la punta del álabe obteniéndose que el perfil de mayor eficiencia es el WORTMANN FX 60-126. Luego de seleccionar el perfil más eficiente se procede a evaluar sus características mediante simulación numérica a través del análisis de volúmenes finitos para flujo externo en software CFD. Se presenta la metodología de trabajo para elaborar el modelado, el mallado, las condiciones de contorno y el análisis de convergencia en el modelo de turbulencia SST. Al obtener los resultados de potencia por simulación numérica se comparan las curvas de rendimiento entre ambos métodos desarrollados, concluyendo principalmente que el método analítico es un proceso de cálculo confiable ya que la curva de eficiencia presenta la forma característica de campana para aerogeneradores de eje horizontal. Como resultado se tiene que mediante la comparación de las curvas de coeficiente de potencia vs velocidad específica en el perfil seleccionado la variación del coeficiente de potencia es de aproximadamente 15% para la mayor parte de las condiciones de operación. Finalmente, se muestra la resolución de los fenómenos aerodinámicos donde se observa el cambio de presión y velocidad del viento al atravesar el rotor, la resolución del perfil de velocidad en la capa límite, las líneas de flujo y la turbulencia generada por el paso de viento sobre el rotor, la diferencia de velocidades y presiones alrededor del perfil aerodinámico que generan la fuerza de sustentación y finalmente la potencia. Concluyéndose que el procedimiento desarrollado para la simulación numérica es confiable ya que describe los fenómenos aerodinámicos esperados teóricamente.
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Desarrollo de un algoritmo para el diseño de carcasas soldadas para cajas reductoras de engranajes cilíndricos
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-07-05) Blas Cajas, Michael Anderson; Franco Rodríguez, Rosendo
La presente tesis tuvo como objetivo desarrollar e implementar un algoritmo que permita realizar el diseño de carcasas soldadas de cajas reductoras de engranajes cilíndricos. Se realizó una revisión del estado del arte de carcasas soldadas de cajas reductoras, lo cual permitió tipificar los modelos de este tipo de carcasas a considerar en este estudio. Se constató que el diseño de la carcasa se realiza en función de la geometría de los componentes que aloja y de las cargas que soporta, sin embargo, no se encontró un método confiable para el cálculo del espesor de pared de la carcasa. Para determinar este espesor se desarrolló un procedimiento basado en expresiones analíticas y en resultados de simulación numérica. El procedimiento permite calcular el espesor de la plancha lateral y determinar el tipo de nervio rigidizador a emplearse, considerando un factor de seguridad igual a 2. Se pudo apreciar que la zona crítica de la carcasa corresponde al nervio rigidizador que se encuentra ubicado en el alojamiento del árbol de salida. Este procedimiento fue incorporado dentro de un algoritmo que se implementó para dimensionar carcasas soldadas de cajas reductoras de dos y tres etapas. Los datos de entrada del algoritmo son las dimensiones principales de los componentes internos y las cargas sobre los apoyos de los rodamientos, ofreciendo como resultados de salida todas las dimensiones de la carcasa y su modelo 3D. El algoritmo se implementó en el software Autodesk Inventor, el cual cuenta con la plataforma de programación Visual Basic for Applications (VBA), lo que permitió realizar algunas pruebas mediante ejemplos de aplicación. Las pruebas realizadas permiten concluir que el algoritmo propuesto es viable para el diseño de carcasas soldadas de cajas reductoras de dos y tres etapas.
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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 Martín
En 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.

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