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Esss Chile
Codelco, división El Teniente.
Análisis Termo-Estructural para Sistemade Seguridad – Fundición CaletonesCodelco
Contenido.
• Motivación General.
• Descripción del problema.
• 1era.simulación:Termo-estructural estático.
• Metodología
• Validación modelo térmico.
• Condición de operación.
• Resultados.
• 2da.simulación:Dinámica explícita.
• Metodología.
• Resultados.
• Conclusiones generales.
Motivación General.
• Mejoras reales en los niveles de
seguridad para el traspaso de
material fundido en la fundición
Caletones.
• Comprobar mediante simulación,
el funcionamiento del seguro
acoplado al sistema Yugo-Taza.
• Determinación de las cargas y
desplazamientos estructurales asociadas
a solicitaciones desfavorables de trabajo.
Descripción del problema.
Punto de riesgos:
• Desenganche del acople Yugo-taza por
maniobras de operación.
• Compromiso de vidas humanas en caso
de accidentes.
• Pérdidas de material fundido.
• Pérdidas de continuidad de la operación
normal en la fundición.
1era simulación: Termo-Estructural.
Metodología.
Recopilación de
antecedentes.
Validación
Térmica.
(Diseño actual)
Simulación
Termo-estructural
(incorporación de
candados).
• Para la realización de este trabajo, se centró el análisis en las tazas de capacidad
400���.
• La validación térmica se hace a través de termografías tomadas a la taza en su
condición normal de operación. Dicha validación considera el llenado de cobre
máximo permitido por la taza.
• Una vez realizada la validación, se traspasan las cargas térmicas a una nueva
condición de trabajo.
1era simulación: Termo-Estructural.
• El dominio es discretizado para poder
utilizar la herramientas de elementos
finitos.
• La discretización es realizada de manera
fina con el objetivo de captar los gradientes
térmicos en la estructura.
• Número de nodos: 1.127.863.
• Número de elementos: 691.710.
Validación modelo térmico.
Condiciones de operación.
En la siguiente figura, se muestra la nueva condición de operación a simular, la cual
corresponde a la situación de limpieza de la taza, más la incorporación de los seguros. Estos
seguros son de material SAE 1045 con un esfuerzo de fluencia de 530 Mpa, variando según
condiciones de fabricación.
Condiciones de operación.
A continuación se muestra el sistema “Taza-seguro” utilizado en terreno.
Condiciones de borde.
Las condiciones de bordes utilizadas en la simulación corresponden a dos origenes:
• Condiciones de borde térmicas:
� Condiciones de borde importadas desde las validaciones térmicas previamente
realizadas. Cabe resaltar que la condición térmica impuesta, es considerando al
sistema estructural en uno de sus peores casos, en el cual la taza permanece llena
con cobre a la temperatura de fusión (1250°C).
• Condiciones de borde estructurales:
� Peso propio de la estructura.
� Peso de la escoria (considerando el 5% del volumen total).
� Presión hidrostática de la escoria sobre la taza.
� Fuerza aplicada sobre una cara de la taza.
� Fixed support.
Condiciones de borde.
En la siguiente figura se aprecia la distribución hidrostática debida a la escoria
adherida a la taza. Cabe resaltar que para esta simulación se impuso que el
volumen de material corresponda al 5% de la capacidad de llenado de la taza.
La esfera representa el centro de masa de la escoria, dicha concentración
corresponde a 3200 kg.
Condiciones de borde.
Además de la distribución de escoria en la taza, se supondrá que la taza golpea
sobre una cara de la taza, generando una fuerza de impacto en el mecanismo.
La aceleración ocupada para calcular la fuerza de impacto, es la utilizada en elinforme de SDI-IMA S.A., donde la máxima aceleración es de 0,166
��⁄ , a una
masa de la geometría de 35.994 kg, originando una fuerza de 6000 N.
Resultados.
Esfuerzo contacto entre oreja-yugo.
Resultados.
En las siguientes imagen se
muestra los resultados de esfuerzos
para el pasador crítico.
El pasador no alcanza el límite de
fluencia, su valor máximo sólo
alcanza un 2,3% del valor de
fluencia, lo que implica en un buen
comportamiento del material.
Resultados.
En las siguientes figuras, se visualizan
los esfuerzos alcanzados en el seguro.
2da simulación: Dinámica explícita.
� Objetivo General:
• Validar a través de simulación FEA – Explicita (Método de Elementos finitos
aplicado a dinámica explicita) la integridad estructural de un sistema de
seguridad en posición inminente de desenganche del colgador.
� Objetivos específicos de la simulación:
• Verificar la funcionalidad del sistema de seguridad aplicando una dinámica
que fuerce a la taza a desengancharse del colgador .
• Obtener los esfuerzos máximos en componentes críticos en el colgador y
sistema de seguridad.
• Obtener la respuesta en esfuerzo del sistema de seguridad al aplicar la
dinámica impuesta.
Antecedentes.
Se ejecutaran las siguientes simulaciones para verificar la integridad del sistema
de seguridad:
A) Simulación taza con movimiento de desenganche sin sistema deseguridad en los muñones.
La simulación consiste en estudiar la respuesta estructural y dinámica (velocidad inicialimpuesta) Ref: (“Análisis de esfuerzos en conjunto colgador para Ollas de 300 y 400 piescúbicos”) del colgador frente a una dinámica que provoca el desenganche de la taza sinincluir el sistema de seguridad.
B) Simulación taza con movimiento de desenganche con sistema deseguridad en los muñones.
La simulación consiste en estudiar la respuesta estructural y dinámica (velocidad inicialimpuesta) del colgador frente a una dinámica que provoca el desenganche de la tazaincluyendo el sistema de seguridad.
Malla.
La malla de elementos finitos fue construida refinando zonas de
conexión geométrica y partes que estarán sometida a la
máxima carga.
Detalle de la malla usada para el conjunto.
Resultados.
Para las simulaciones A y B se utilizaron las mismas condiciones de carga, las cuales se
detallan en el siguiente esquema:
Aceleración de gravedad aplicada a todos loscomponentes en simulación la cual permite calcular el pesopropio de la estructura en conjunto con los efectos deinercia provocados por la dinámica de la estructura.
Velocidad inicial de 1,51 [m/s] aplicada a la taza actuandoa 30° en el plano YZ. Esta velocidad corresponde a lamáxima velocidad que puede generar el puente grúa.
La velocidad ingresada es de carácter inicial y variaradependiendo los efectos de inercia e impacto que la tazagenere con los demás componentes en simulación.
Resultados.
Desplazamientos totales
• Simulación sin sistema de seguridad • Simulación con sistema de seguridad
Resultados.
Desplazamientos totales (detalle):
• Al comparar las simulaciones con sistema de seguridad y sin sistema de seguridad se observa que existefuncionalidad impidiendo que exista desacople (desenganche) entre la taza y el colgador
Resultados.
Esfuerzo equivalente de Von Mises
• Simulación sin sistema de seguridad • Simulación con sistema de seguridad
Resultados.
• Esfuerzo equivalente de Von Mises (detalle):
• Simulación sin sistema de seguridad.• Esfuerzo equivalente máximo 909,5 [Mpa].• Localizado en el colgador debido a ruptura del material.
• Simulación con sistema de seguridad.• Esfuerzo equivalente máximo 788,3 [Mpa].• Localizado en el contacto entre el muñon y colgador debido
al impacto.
Resultados.
Esfuerzo equivalente de Von Mises (grafico comparativo):
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Esf
ue
rzo
[M
pa
]
Tiempo [s]
Esfuerzo máximo de Von Mises vs Tiempo
Sin sistema de seguridad
Con sistema de seguridad
• Al comparar las simulaciones con sistema de seguridad y sin sistema de seguridad se observa claramenteque en la mayoría de la trayectoria de desenganche los valores de esfuerzo son mayores para el caso dondeno existe sistema de seguridad.
• Los niveles de esfuerzo obtenidos son altos debido a que existen niveles de impacto provocado por ladinámica impuesta (velocidad inicial) y condiciones inerciales.
Resultados.
• Esfuerzo equivalente de Von Mises sistema de
seguridad:
• sistema de seguridad izquierdo
• Simulación sin sistema de seguridad (candados).• Esfuerzo equivalente máximo candado derecho 165,5 [Mpa].• Esfuerzo equivalente máximo candado izquierdo 192,43 [Mpa].
Resultados.
Esfuerzo equivalente de Von Mises sistema de seguridad (grafico comparativo):
• Al comparar los resultados de los sistemas de seguridad izquierdo y derecho se observa que el candado conmayor esfuerzo es el izquierdo esto provocado por la dirección del desplazamiento (hacia la izquierda) de lataza produciendo aplastamiento.
• Los niveles de esfuerzo obtenidos en ningún caso superan el limite de fluencia del material utilizado lo cualdescarga posibles fallas por fluencia de los mismos.
0
50
100
150
200
250
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Esf
ue
rzo
[M
pa
]
Tiempo [s]
Esfuerzo maximo de Von Mises vs Tiempo
Candado derecho
Candado izquierdo
Conclusiones.
• De la simulación Termo-estructural, se visualiza la eficaz respuesta del sistema de
seguridad, alcanzándose un esfuerzo máximo del orden de 210 [Mpa] para el candado y
12,3 [MPa] para el pasador.
• Al comparar el comportamiento de la simulación sin sistema de seguridad con la con
sistema de seguridad se observa claramente la influencia de este, lo cual impide el
desenganche de la taza.
• Al comparar los niveles de esfuerzo, se observa que al no poseer el sistema de
seguridad rápidamente el colgador alcanza el nivel de ruptura lo cual genera una falla
total, lo cual es derivado del impacto y de la dinámica impuesta.
• De la dos simulaciones se puede concluir con las cargas realizadas se obtienen
esfuerzo de 192,4 [MPa], lo cual está bajo el límite de fluencia del material con un factor
de seguridad de 1,29 donde la zona más afectada es la zona interna de uniones
apernadas de cierre producto del nivel de impacto.
