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Diseño asistido por computador de estructuras aeronáuticas mediante criterios de tolerancia al daño.
(Universidad de Concepción., 2001) Vega Perry, Mario Eduardo
El objetivo de este trabajo es desarrollar un método para realizar la evaluación de la tolerancia al daño de aeronaves aplicando herramientas de mecánica computacional. La primera parte del informe presenta la teoría y los métodos necesarios para llevar a cabo la evaluación de tolerancia al daño. La metodología que se emplea es descrita a partir de los requerimientos que imponen las normas vigentes para aeronaves. Se describe la mecánica de la fractura elástico lineal, pues en este trabajo se formula el supuesto de elasticidad lineal en todas las grietas. Se introduce el factor de intensidad de esfuerzos como parámetro para caracterizar grietas. A continuación se presentan las ecuaciones empíricas que modelan el crecimiento de grietas sometidas a cargas variables en el tiempo. Se discuten los límites de validez de la mecánica de la fractura elástico lineal. Estas limitaciones dan paso a una revisión de la teoría de grietas pequeñas. Se presenta el modelo conceptual que se utiliza para simular la propagación de grietas. Se tratan algunos métodos del análisis numérico de grietas. Se presentan las herramientas computacionales para el análisis de grietas. Éstas permiten analizar grietas en 2D y 3D. Los programas disponibles utilizan el método de los elementos finitos y el método de los elementos de contorno. La segunda parte del trabajo informa de la evaluación de tolerancia al daño realizada. Se construyó un modelo de elementos finitos de la estructura del ala. A partir de sus resultados se determinaron los elementos estructurales principales. El espectro de cargas se construyó a partir de datos estadísticos de uso de aeronaves acrobáticas. Se supuso la existencia de grietas iniciales en dos elementos estructurales. Para cada uno de ellos se construyó un modelo de propagación de grietas. A partir de estos modelos se obtuvo la historia del factor de intensidad de esfuerzos en función del tamaño de la grieta. Luego se modeló la propagación de la grieta, obteniendo como resultado el largo de la grieta en función del tiempo. Se determinaron los tamaños críticos de las grietas. Se evaluó la resistencia residual de la estructura considerando falla total en los elementos estudiados. Se propusieron nuevos intervalos de inspección, más largos que los actuales. Finalmente, se evaluó la validez del supuesto de elasticidad lineal en las grietas consideradas.
Aplicación del análisis ultrasónico al mantenimiento predictivo.
(Universidad de Concepción., 2001) Henríquez Martínez, Alvaro Hernán; Saavedra G., Pedro
Este trabajo, tiene por objetivo estudiar el comportamiento de las ondas mecánicas, en especial las ondas de alta frecuencia, cuando se propagan por vía aérea y a través de los cuerpos sólidos. Asimismo, de analizar el funcionamiento del equipo ultrasónico SonicScan 7000 y su aplicación en la detección de fallas, a través de ensayos realizados en laboratorio. Para cumplir los objetivos planteados, se realizó un estudio bibliográfico con el fin de comprender el proceso de reflexión, transmisión y atenuación de las ondas mecánicas de alta frecuencia. Además, por medio de ensayos en laboratorio, se evalúo el efecto de estos procesos cuando se agrega en la interface de dos muestras metálicas un agente acústicamente conductor. Por otro lado, se efectuaron ensayos experimentales en el laboratorio de Vibraciones Mecánicas y de Termofluidos. Las mediciones se realizaron con el equipo ultrasónico SonicScan 7000, el cual tiene la capacidad de detectar aquellas señales de alta frecuencia que son emitidas por las máquinas rotatorias o estructuras cuando comienzan su etapa de falla. Para su detección, éstas señales deben ser emitidas como ondas de esfuerzo. Los ensayos en el laboratorio de Vibraciones, consistieron en detectar fallas debido a picaduras y problemas de lubricación en rodamientos. Los resultados se compararon con algunas técnicas del análisis de vibraciones, específicamente análisis por demodulación y análisis espectral de señales. En el laboratorio de Termofluidos, se determinó el nivel de ruido ultrasónico generado en una válvula que se encuentra parcialmente abierta. También se detectó la ubicación de una fuga en un estanque de aire presurizado. Se concluye que el equipo ultrasónico es eficaz en detectar y determinar la ubicación del rodamiento con falla. También fue posible determinar si el rodamiento se encontraba con adecuada, excesiva o sin lubricación, a través del análisis de la señal ultrasónica heterodinada. El SonicScan 7000 es efectivo además, para detectar fugas tanto en un estanque de aire a presión como en válvulas.
Uso de las transformadas tiempo-frecuencia en el diagnástico de la condición mecánica de máquinas.
(Universidad de Concepción., 2001) Araya Reveco, Francisco José; Saavedra González, Pedro
En el presente trabajo se estudia el uso de las transformadas tiempo-frecuencia (TFD) en la determinación de la condición mecánica de máquinas que no operan en régimen estacionario de velocidad y carga constante. En la primera parte se analizan los fundamentos de las transformadas tiempo-frecuencia Short Time Fourier Transformation (STFT), la Wavelet de Gabor (WT), la Pseudo Wigner Ville Distribution (PWVD), la Choi Williams Distribution (CW)y la Zhao Atlas Marks Distribution (ZAM) y la implementación de los algoritmos de estas transformadas en un PC en ambiente Matlab. En una segunda parte se aplican estas transformadas a señales vibratorias simuladas en el computador. Se evalúa la performance de ellas en el análisis de señales transientes y señales moduladas en amplitud y frecuencia. Se determinan criterios para seleccionar los parámetros de análisis. Finalmente se aplican estas TFD a señales obtenidas en máquinas reales. Se aplican a un reductor que funciona a velocidad constante, a un compresor alternativo, a la transmisión de levante de una pala minera y a un chancador de cono terciario. Las tres últimas máquinas presentan características de operación con etapas transientes que dificultan la determinación de su condición mecánica mediante el análisis de vibraciones tradicional. Se concluye que es posible realizar un análisis de señales vibratorias procedentes de máquinas que operan a velocidad y carga, o en forma excéntrica o alternativa, con el uso de las TFD.
Análisis de la formación de NOx en la combustión de petróleo.
(Universidad de Concepción., 2001) Tartari Barriga, Paula Andrea Paula Andrea; Farías, Óscar
El objetivo del presente trabajo es lograr predecir, a través de un modelo simplificado, la formación de NOx en una caldera de agua caliente utilizando petróleo liviano. Esto ha sido logrado mediante el análisis de los tres diferentes mecanismos de formación de NOx, centrándose principalmente el estudio en el análisis del mecanismo del combustible. En una primera etapa se revisan los aspectos generales acerca de la formación de NOx, tales como los efectos que produce el incremento de las emisiones sobre el medio ambiente y la salud, y las investigaciones desarrolladas relacionadas con el tema en el Laboratorio de Termodinámica de la Universidad de Lieja. Luego se lleva a cabo una investigación de los mecanismos de formación de NOx: térmico, del combustible y espontáneo. Se presenta un detallado estudio bibliográfico sobre la cinética química asociada a cada mecanismo y, en particular, sobre las reacciones químicas que rigen la formación de NOx de origen térmico. A través de un análisis variacional se estudia la influencia de ciertos parámetros necesarios en el desarrollo de un modelo del NOx térmico tales como: temperatura, concentración de oxígeno y tiempo de residencia. Luego estos valores han sido obtenidos mediante expresiones encontradas en literatura, pero no se posee aún una confiabilidad absoluta sobre estos parámetros debido a la complejidad que presentan los gradientes, tanto de temperatura como de concentración de especies, producidos en una llama de difusión turbulenta. Finalmente, de un modelo encontrado en literatura y obtención de parámetros de entrada correspondientes se puede predecir teóricamente la formación de NOx de origen térmico. El NOx generado a partir del combustible es analizado experimentalmente añadiendo un compuesto químico denominado piridina (C5H5N) para simular el aumento de la concentración de nitrógeno presente en el combustible. Los parámetros analizados son: composición del combustible, exceso de aire global y potencia del quemador. Los resultados muestran un incremento lineal de las emisiones, hasta en 42 ppm ( »42%), cuando se aumenta el nitrógeno del combustible desde 0.017 a 0.052% en peso. En el 5 rango investigado las emisiones de NOx del combustible se muestran independientes del cambio de temperatura de la llama producido por la variación del exceso de aire, y no se observa una influencia significativa de los dos niveles de potencia ensayado. El rendimiento de conversión del nitrógeno del combustible a NOx es del orden del 85% para alta potencia y varia de 72 a 92% para baja potencia. Se muestra que este rendimiento es independiente, en el rango investigado de nitrógeno añadido, de la cantidad de nitrógeno presente en el combustible. En el ensayo a alta potencia del quemador, se observa una clara independencia del rendimiento de conversión con respecto al exceso de aire. La dispersión observada en el ensayo a baja potencia no permite establecer una tendencia definida. De los resultados obtenidos se pueden encontrar correlaciones capaces de predecir la formación de NOx en la caldera de agua caliente producidos por el mecanismo del combustible en función de la cantidad de nitrógeno en el combustible a utilizar, para diferentes condiciones de operación utilizadas (exceso de aire y potencia del quemador). Debido a la complejidad del mecanismo de formación espontáneo, no se encontró en la literatura un modelo simplificado que permita analizarlo. Por lo tanto como se mide la cantidad total de NOx en la chimenea (NOx térmico+NOx del combustible+NOx espontáneo), y se conocen los porcentajes de NOx producidos por mecanismos térmico y del combustible analizados en el presente trabajo, es posible obtener por diferencia la cantidad de NOx espontáneo producido para diferentes condiciones de operación de la caldera. Aunque quedan aún incertidumbres en la exactitud de la predicción de NOx térmico debido a la obtención de ciertos parámetros de entrada, el mecanismo de formación de NOx del combustible ha sido analizado, obteniéndose correlaciones que nos permiten ahora predecir la formación de NOx producidas a través de este mecanismo en función de la cantidad de nitrógeno, exceso de aire y potencia del quemador.
Modelo computacional para el estudio de las cargas aerodinámicas sobre un avión en vuelo.
(Universidad de Concepción., 2002) Ortiz Lovera, Andrés David
La técnica del CFD juega, en estos días, un rol que crece en importancia dentro del proceso del diseño aeronáutico, en particular, en la predicción de las características aerodinámicas. El objetivo de este trabajo es simular y analizar, mediante el programa de CFD Fluent ®, el flujo sobre un avión de categoría acrobática de baja velocidad, el ENAER T-35 PILLAN. Específicamente, se busca estimar las capacidades de Fluent en el cálculo de coeficientes aerodinámicos y coeficientes de carga sobre la estructura, evaluando las condiciones críticas de vuelo y las consiguientes distribuciones de carga en el avión. Paralelamente, se presenta un procedimiento de modelación en Fluent ® que permita realizar un estudio similar para cualquier otro avión de características semejantes. Esta modelación del flujo, está marcada por tres etapas: la simulación del flujo plano o bidimensional sobre un perfil aerodinámico, la simulación del escurrimiento sobre el ala completa y la modelación de la estructura completa del avión. Se utilizó tanto procesamiento paralelo en un computador de alto rendimiento (Silicon Graphics - Origin2000) como procesamiento en computador personal con procesador de tecnología superior, demostrando esta última ser una alternativa más rápida en el proceso de cálculo de la solución numérica. Para la segunda etapa se incluye una somera explicación del desarrollo teórico disponible en la literatura, en particular la teoría de Prandtl [1] para alas finitas. La validación de los resultados numéricos proviene de dos fuentes: Comparación con ensayos en túnel de viento realizados por la NACA [2], para la simulación del perfil NACA 652-415 (dispuesto en el ala del T-35), y comparación con métodos semi-empíricos (Prandtl [3], Anderson [4] y Rassmusen-Smith [5]) para la distribución de sustentación sobre el ala. Como conclusión, se obtuvieron excelentes resultados, en que las diferencias no excedieron el rango de –22 a 11%. En cuanto al modelo computacional de la estructura completa del avión, se evaluaron las condiciones críticas de vuelo, según la aplicación de la norma FAR-23 [6]. Así se muestra que la peor condición de vuelo, para las cargas aerodinámicas, ocurre a la velocidad de crucero (M 0,25) y factor de carga seis (límite). Allí, se da el hecho que la sustentación, el arrastre, momento flector y momento torsor en la viga principal del ala son máximos, incluso mayor que para la máxima velocidad de vuelo (M 0,37). Finalmente, se desarrolló un conjunto de gráficos que permiten estimar las cargas máximas sobre el ala en función de la velocidad de vuelo y el ángulo de ataque.
Estudio experimental del balance térmico de una ventana.
(Universidad de Concepción., 2002) Fonseca Díaz, Néstor Julio
El presente trabajo está enmarcado dentro de un proyecto de investigación, cuyo objetivo principal es desarrollar un modelo de cálculo teórico para el diseño térmico de ventanas. Dentro del marco general del proyecto, el objetivo específico de este trabajo es desarrollar un estudio netamente experimental del balance térmico de una ventana, con el cual será posible evaluar el comportamiento del consumo de energía de calefacción del recinto, frente a factores como el componente climático real y diferentes tipos de elementos de protección interior utilizados en la ventana. Inicialmente, se desarrolla una etapa de instrumentación y puesta en marcha de un banco de pruebas a escala natural. Este permite simular el comportamiento térmico de un local inmerso dentro de un edificio, con sólo un muro y ventana expuestos al ambiente exterior. Esta etapa incluye un análisis de incertidumbre sobre cada una de las mediciones, con el cual se calcula finalmente el error estimado en los resultados. Se realizaron básicamente dos tipos de experiencias: con calefacción (otoño, invierno) y sin calefacción (verano, primavera). En ellas se modificaron alternativamente algunas condiciones del banco de ensayos, como el tipo de elemento de protección en la ventana e inercia térmica del recinto. Cada configuración se mantiene por períodos aproximados de 10 a 20 días (las 24 horas). Para el caso de elementos tradicionales de protección como la persiana y la cortina, durante parte del invierno, se evaluó el caso en que se mantiene la ventana descubierta sólo durante el día. Como resultado de las mediciones se generó una base de datos con promedios horarios de cada variable registrada, que permitirá en trabajos futuros emprender la validación experimental del modelo. Respecto al balance térmico de la ventana, los resultados experimentales indican que para la ventana en estudio, orientada en dirección Noroeste (que corresponde a la dirección del banco de ensayos), durante los meses más fríos del año, las ganancias solares a través de la ventana influyen significativamente en el balance térmico del recinto. El análisis experimental planteado, sirvió para comparar dos elementos típicos de protección interior en la ventana, como son la persiana y la cortina tradicionales. Los resultados indican, que para una ventana orientada en dirección Noreste al usar una persiana, se registra un consumo de energía de calefacción en el local, significativamente menor al registrado cuando se utiliza una cortina.
Técnicas de control moderno enfocadas a la dinámica de multi-cuerpos flexibles.
(Universidad de Concepción., 2002) Solís Orrego, Claudio Alberto
Los robots manipuladores esbeltos son especialmente adecuados para un número variado de aplicaciones no convencionales en robótica, debido a sus características dinámicas superiores. Sin embargo, deflexiones inherentes en tales manipuladores, demandan un control activo de las vibraciones elásticas, que ocurren durante sus movimientos. Además, debe ser considerado el hecho que el número de coordenadas a controlar es menor que el números de entradas disponibles. Por ello, los métodos de control desarrollados para manipuladores rígidos no son suficientes en este caso, por lo tanto son necesarias nuevas leyes de control, especialmente diseñadas para estos. Por otro lado, en un manipulador que maneja distintos tipos de cargas, los parámetros inerciales de las cargas cambian en el tiempo, sin que el controlador tenga una adecuada retroalimentación de ello. Esta incertidumbre, complica la síntesis de sistemas de control para estos manipuladores. En este contexto, algunos esquemas de control no-lineal, para manipuladores flexibles con incertidumbre paramétrica, son desarrollados en este trabajo. El estudio de los enfoques corrientes para el control de trayectoria en robots rígidos y que se encuentran disponibles en la literatura relacionada al tema permite proponer varios algoritmos de control para robots flexibles. Estos fueron desarrollados basados en la Teoría de Lyapunov, para garantizar la estabilidad en sistemas con incertidumbre paramétrica. Específicamente, en esta tesis son derivados dos clases de controladores robustos para control de trayectoria. Un controlador basado en la técnica de control por superficies de deslizamiento la cual permite lograr un adecuado seguimiento en presencia de perturbaciones e incertidumbre paramétricas y un controlador basado en la técnica de saturación robusta que utiliza una entrada auxiliar para compensar las incertidumbres presentes en la dinámica del manipulador. Además, es desarrollado un controlador con una pre-compensación adaptiva y regulación tipo PD. Luego, este algoritmo es “robustificado” para combinar las ventajas de ambas técnicas. En orden a analizar el desempeño de las estrategias de control presentadas, diferentes simulaciones numéricas fueron efectuadas para un doble manipulador flexible con incertidumbre paramétrica.
Modelo para el diseño térmico de una ventana y su validación experimental.
(Universidad de Concepción., 2002) Hernández Campos, Gastón Alejandro; Fissore Schiappacasse, Adelqui Andres
El objetivo del presente trabajo es desarrollar un modelo matemático confiable, con una mínima cantidad de simplificaciones, en lo posible probadas, para calcular el balance térmico de una ventana de vidrio único, sin protecciones, considerando en forma explícita y detallada la relación entre la ventana con el interior de la edificación y con el medio exterior, además de su validación experimental. El modelo de la parte térmica abordada en este estudio, considera en detalle: el cálculo de los intercambios de calor radiactivos tanto interiores como exteriores, mediante el uso de los factores de forma, el cálculo de los intercambios de calor convectivos tanto interiores como exteriores, la asignación de la radiación solar incidente directa y difusa que pasa a través de la ventana, a la pared en que realmente es absorbida, la geometría y materialidad del recinto interior mediante sus propiedades termofísicas, la geometría, orientación e inclinación de la ventana y las propiedades del vidrio en función del ángulo con que incide la radiación solar. Para la validación experimental del modelo, realizada para verificar y evaluar su comportamiento global respecto de una situación real, se utilizó una base de datos existente. Se compararon las variables: Potencia de calefacción y Temperatura del aire interior del recinto, para tres periodos, observándose una excelente sintonización, entre los resultados arrojados por el modelo y las mediciones experimentales.
Monitoreo de condiciones en máquinas de carga y velocidad variable.
(Universidad de Concepción., 2002) Salamanca Henríquez, Eduardo Andrés; Saavedra G., Pedro
En el presente trabajo se realiza un estudio teórico práctico de la aplicación del Monitoreo de Condiciones en Palas Electromecánicas de la Minería, la que por sus características pretende ser modelo de aplicación para otros equipos de carga y velocidad variable. En la primera parte del trabajo se describe el equipo, las técnicas a utilizar, los problemas que se esperan, junto con las características de los síntomas a los que se deben relacionar. En la etapa experimental del trabajo se registró un ciclo normal de trabajo de una pala, relacionando parámetros eléctricos como voltaje y corriente en la etapa de corriente continua, corriente alterna antes de entrar al motor, velocidad y vibración en los descansos. De estas mediciones se determinaron dos zonas características en el ciclo de movimiento de una pala las que son de gran utilidad para realizar el análisis vibratorio del equipo mientras se encuentra trabajando. Se presentan técnicas que permitan realizar el análisis de las vibraciones mecánicas cuando se producen variaciones de carga y velocidad durante las mediciones. Se propone estrategias de mantención predictivo para las palas basándose en mediciones tomadas con el equipo trabajando. Lo anterior se compara con las estrategias de mantenimiento actuales basadas en mediciones realizadas con la máquina funcionando en vacío. En el análisis de cada una de las señales correspondientes a los descansos, o las técnicas convencionales de análisis de vibraciones y corriente eléctrica, se agregan herramientas nuevas de procesamientos de señales, como son las transformadas tiempo frecuencia. El análisis de vibraciones mecánicas se complementa con un análisis de la lubricación usada, tema poco tratado anteriormente en la literatura para máquinas que trabajan con carga y velocidad variables. Se utiliza el análisis termográfíco para validar algunas de las conclusiones obtenidas. Finalmente se analiza la utilidad del análisis de corriente en los motores. Se concluye que es factible realizar en buena forma un monitoreo de la condición de estos equipos. Se plantea continuar las investigaciones en áreas que robustezcan el desarrollo de estas tecnologías.
Corrección en tiempo real del ruido espacial en sensores infrarrojos usando la forma de covarianza inversa del filtro Kalman.
(Universidad de Concepción., 2002) Pezoa Núñez, Jorge Edgardo; Torres Inostroza, Sergio
En este trabajo se presenta un método recursivo para la estimación de las variables de estado de un arreglo de fotodetectores infrarrojos (IR-FPA), algoritmo que resulta ser un estimador óptimo y además, computacionalmente eficiente. Utilizando las variables de estado estimadas puede realizarse la corrección de las imágenes adquiridas con los sensores IR-FPA, ya que debido a la naturaleza del arreglo de fotodetectores infrarrojos, las imágenes capturadas presentan un patrón de ruido no uniforme que está superpuesto a la imagen real, y que hace que el desempeño completo del sistema de detección se degrade. La técnica desarrollada se basa en modelar el sistema como un proceso aleatorio del tipo Gauss-Markov y realizar la estimación de las variables de estado mediante un filtro Kalman en su forma de la matriz de covarianza inversa. La justificación para utilizar esta versión alternativa del filtro es que se ajusta de forma natural tanto a la dinámica del proceso como al desbalance existente entre la cantidad de observaciones y las variables de estado, lo que permite realizar, además de la estimación óptima de las variables de estado, una reducción considerable en el tiempo de cálculo asociado, haciendo a esta aproximación ser, computacionalmente, mucho más eficiente que el filtro tradicional. Además de la derivación del filtro y su evaluación teórica, se implementa éste en software y se somete a pruebas de simulación, para verificar su comportamiento ante ruido espacial artificialmente generado sobre imágenes infrarrojas. Luego se evaluar su desempeño ante datos reales que presentan ruido en las imágenes. Los índices de mérito tradicionalmente utilizados en la literatura especializada son utilizados para medir la calidad de corrección del filtro, y se aplica también un nuevo índice de mérito de calidad de imágenes que recientemente ha sido publicado. La eficacia de cálculo del algoritmo se compara con el filtro Kalman tradicional y su velocidad de operación se compara también con otras técnicas. Finalmente, y debido a las incertezas existentes en el modelo de trabajo se propone e implementa un algoritmo de filtraje adaptivo basado en un esquema de procesamiento paralelo.
Modelación de impactos en estructuras flexibles.
(Universidad de Concepción., 2002) Baeza Ramírez, Luis Alejandro; Barrientos Ríos, Gabriel Emiliano
El presente estudio permite cimentar las bases del tema de la dinámica de multicuerpos con choques, cuya importancia radica en su gran presencia dentro de la mecánica, permitiendo así fomentar futuros estudios sobre el tema. Los choques están presentes diariamente en todo orden de cosas. A pesar de lo común de los choques, no existe una teoría capaz de modelar todos los tipos de choques. El presente proyecto tiene como objetivo aplicar los conceptos y teorías de choque local y global basados en una formulación moderna. Para esto, en primer lugar se establece la cinemática de multicuerpos, la cual se aplica a través del método recursivo. Posteriormente, se establecen las ecuaciones del movimiento considerando las restricciones y las fuerzas que actúan en el sistema, sin considerar choques (activas). A continuación se establece la cinemática de los impactos, determinándose los puntos de impacto, como también las condiciones cinemáticas al momento de éste. Posteriormente se añaden las fuerzas de contacto y las direcciones de las restricciones, que aparecen producto del impacto, a las ecuaciones del movimiento descritas anteriormente, y se resuelve esta última para el caso de contacto continuo con adherencia. Para resolver el problema en situaciones de separación y transición entre adherencia a deslizamiento o viceversa, se reescribe la ecuación del movimiento como un problema de complementariedad lineal (PCL). Luego se estudian las teorías de choque de Newton y Poisson, en conjunto con la ley de Coulomb, y se formulan junto con las ecuaciones del movimiento como un problema de complementariedad lineal. De esta forma queda establecida la teoría de choque global en una formulación moderna. Con la teoría de choque global asociada a esta en formulación moderna, se resuelven varios problemas usando las distintas teorías (Newton y Poisson) para los distintos casos: adherencia, deslizamiento o transición entre ambas. Los resultados demuestran la diferencia que se obtiene a través de las distintas teorías, como también las fallas que éstas presentan en determinados casos. Por ultimo se presenta la teoría de choques desde el punto de vista del análisis local, la cual es unida con la teoría de no-lineal de vigas presentada por Simo. Con esto se analizan problemáticas de impacto con elementos flexibles y se presentan algunos ejemplos y experimentaciones. Para realizar el estudio de los impactos en estructuras flexibles (modelo de Simo) se comienza con el estudio de la teoría de contacto de Hertz enfocada desde el punto de vista del análisis local, la cual unida a las ecuación del movimiento puede establecer la forma, la magnitud y el tiempo de duración de las fuerzas de contacto. Se aplica esta teoría a una bola rígida dejada caer sobre el extremo libre de una viga empotrada. Se comparan la modelación numérica con la teoría clásica disponible y con ensayos experimentales realizados en el laboratorio. Los resultados numéricos obtenidos muestran concordancia con los resultados experimentales y permiten cuantificar las fuerzas involucradas en el impacto. -
Un esquema de control generalizado para convertidores multinivel con frente activo.
(Universidad de Concepción., 2002) Hernández Campos, Franco Alfonso; Morán Tamayo, Luis Alejandro
En esta tesis se presenta la implementación de un rectificador PWM de tres niveles tipo punto neutro enclavado fuente de voltaje. Las principales características logradas son la multiplicidad de funciones que es capaz de realizar: Rectificación, Filtro activo y Rectificación y filtro activo simultáneamente y la simplicidad con que las lleva a cabo. Las funciones anteriores las efectúa balanceando dinámicamente las tensiones de la barra de continua. El completo modelo desarrollado permite el análisis total de las distintas funciones que efectúa durante su operación. Además el modelo facilita la sintonización de los controladores de voltaje y corriente en el marco de referencia sincrónico. Finalmente, la implementación de un prototipo experimental de 10 KVA nominales, permite validar el modelo planteado, y los resultados de simulación, tanto para operación en régimen permanente como transitorio.
Modelo numérico para el escurrimiento sin cambio de fase en el espacio anular entre dos superficies activas.
(Universidad de Concepción., 2002) Quevedo Quevedo, Roberto César; Saavedra Olate, Claudio
La presente tesis de grado, tiene como objetivo plantear un modelo numérico que permita resolver las ecuaciones que gobiernan en régimen laminar y turbulento del escurrimiento y el intercambio de calor sin cambio de fase, entre un gas que fluye a través de un pequeño espacio anular y dos paredes tubulares que lo encierra. El trabajo se inicia con un estudio de los métodos de resolución y las limitaciones de las ecuaciones que gobiernan el escurrimiento y la transferencia de calor en un espacio anular. Luego, se realiza el planteamiento teórico de las ecuaciones de gobierno y las soluciones simplificadas en régimen laminar y turbulento. Determinas las ecuaciones de gobierno, se plantea al modelo numérico de volúmenes finitos que permitirá la resolución de éstas. El modelo planteado será comparado con las soluciones teóricas y con correlaciones existentes. Finalmente, el modelo se compara con los resultados experimentales para su validación y a las permite realizar el análisis del comportamiento del escurrimiento en un pequeño espacio anular con dos superficies de transferencia de calor. El modelo ha sido elaborado a partir de las ecuaciones fundamentales para dos regímenes de escurrimiento: laminar y turbulento, las que se resuelven numéricamente mediante un programa CFD basado en el método de los volúmenes finitos. La validación del modelo desarrollado, se efectúa comparando sus resultados, expresados en la forma del número de Nusselt, con los calculados a partir de los datos obtenidos en ensayos de un intercambiador de calor de tres corrientes. También se hace un estudio comparativo con los valores que entregan algunas correlaciones para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor por convección y factores de fricción. El estudio comparativo demuestra que al considerar un número de Nusselt medio como la suma del valor promedio en la región de entrada y el valor en la zona plenamente desarrollado los resultados experimentales son bastantes cercanos a los del modelo numérico laminar hasta aproximadamente un Reynolds de 13.000 donde éstos empiezan a aumentar su valor. Dado que el crecimiento de los resultados experimentales, no es lineal con respecto al número de Reynolds, se está en la etapa de transición. El régimen turbulento desarrollado se iniciaría para número de Reynolds mayores a 30.000, Por lo tanto se puede afirmar que la estabilidad del régimen laminar empieza a ser afectada para valores de Reynolds mayores a 13.000. Estos resultados demuestran que la hipótesis planteada sobre la incertidumbre del tipo de régimen que se desarrolla en un pequeño espacio anular con gas como fluido de trabajo, era válida.
Modulación vectorial y control con prealimentación de estados para un rectificador fuente de corriente de cuatro polos PWM.
(Universidad de Concepción., 2002) Zapata Hernández, Francisco Fernando; Salazar Silva, Lautaro
El esquema más popular en rectificadores trifásicos PWM, es el circuito Puente de Graetz tanto como rectificador fuente de corriente, como fuente de voltaje. Esta tesis investiga detalladamente una topología fuente de corriente modificada denominada rectificador fuente de corriente de cuatro polos PWM, que se caracteriza por tener una pierna adicional que conmuta un cuarto conductor (neutro), conectado al filtro capacitivo de entrada. En primer lugar, se desarrolla una técnica de modulación vectorial expresada en función de variables en ejes αβ (modulación vectorial bidimensional). Segundo, se desarrolla una estrategia de lazo cerrado, para el control independiente del flujo de potencia activa y reactiva del rectificador. Esta estrategia permite desacoplar y linealizar dinámicamente las corrientes directa y en cuadratura de entrada gracias a una prealimentación de estados. Finalmente, se propone una técnica de modulación vectorial tridimensional, que habilita el seguimiento de una referencia expresada en ejes αβ0. Como resultado se logra un reducción de la distorsión armónica del voltaje dc, se elimina el problema de resonancia asociado al filtro de entrada, y se logra el control independiente de la componente de secuencia cero de la corriente de entrada ac en el rectificador. Resultados teóricos y simulados avalan los análisis y estudios propuestos.
Permeabilidad de medios porosos: experimentos numéricos y teoría.
(Universidad de Concepción., 2002) Rozas Cárdenas, Roberto Eduardo; Toledo Ramírez, Pedro Gonzalo
La permeabilidad es la propiedad que determina el flujo a través de un medio poroso, en régimen laminar queda definida por la ley Darcy. En literatura se encuentran numerosas expresiones que intentan relacionar la permeabilidad con la porosidad; sin embargo, ninguna de ellas representa satisfactoriamente el comportamiento de la permeabilidad observado en diversas clases de materiales porosos, no poseen carácter universal. Los resultados experimentales disponibles en literatura señalan que relaciones tipo Carman-Kozeny y leyes de potencia simple entre la permeabilidad y la porosidad son satisfactorias en rangos estrechos de porosidad en un mismo material. Hasta ahora las desviaciones observadas respecto de estas relaciones son atribuidas sin mayor argumentación a errores experimentales en la determinación de permeabilidad a baja porosidad En este trabajo se estudia, mediante simulación de Monte Carlo, la evolución de las propiedades geométricas y de transporte, y la relación entre ellas, de un material poroso sometido a compactación. El espacio poroso es representado mediante redes regulares, cuadrada y cúbica, de conductos de tamaño distribuido que son deformados de acuerdo a un mecanismo de compactación aleatorio. Las propiedades de transporte, específicamente la permeabilidad y la conductividad eléctrica, son estimadas en forma rigurosa mediante simulación de Monte Carlo; la solución es corroborada mediante aproximación de medio efectivo. Dado que Monte Carlo conduce a un sistema lineal de 105 o más ecuaciones, aquí se implementa un algoritmo de almacenamiento óptimo de matrices, denominado, almacenamiento ralo simétrico. Por otra parte, dadas las características de condicionamiento del sistema, para su solución se utiliza el algoritmo de sobrerrelajación sucesiva simétrica precondicionada con gradiente conjugado de parámetros fijos y optimizados en forma empírica. Otra propiedad de interés es la longitud característica de un medio poroso que fija la escala de las propiedades de transporte. Diversas longitudes han sido propuestas, entre ellas el radio hidráulico. Sin embargo, de acuerdo a los resultados, la longitud crítica se muestra particularmente sensible a cambios en la microestructura porosa a medida que se compacta. Esta longitud se encuentra relacionada con el camino de mínima resistencia en una situación de flujo en un medio poroso y se determina mediante un experimento clásico o numérico de porosimetría. Los resultados de simulación de Monte Carlo reproducen el comportamiento observado en datos experimentales de permeabilidad-porosidad, incluyendo aquellos aspectos que hasta ahora han sido atribuidos a error experimental. Durante una compactación débil todas las propiedades de medios porosos pueden ser relacionadas mediante leyes simples de potencia, válidas en todo el rango de porosidad. En compactaciones severas se observan cambios abruptos en las propiedades de transporte y en la longitud crítica. Estos cambios, que se manifiestan como puntos singulares en las propiedades cuando se despliegan en función de la porosidad, en este trabajo son interpretados en términos de transiciones en la microestructura de los materiales porosos. La existencia de estas transiciones es comprobada aquí mediante una extensión de la teoría de percolación a materiales que sufren transiciones del tipo conductor-conductor débil. Si un material posee una población de poros que en proporción es mayor que la probabilidad crítica de percolación de la red que lo representa, el tamaño característico de esta población domina las propiedades de transporte del material. Cuando esta proporción es igual a la probabilidad crítica de percolación, entonces existe un camino crítico conexo de estos poros a través del medio; un avance diferencial en este estado hacia una porosidad más baja implica, en una muestra representativa, la desaparición del camino conexo de poros de mayor conductancia. Esto es, ocurre una transición de microestructura que se manifiesta como un descenso abrupto en las propiedades macroscópicas del material, tales como la conductividad eléctrica, permeabilidad, difusividad, etc. Los puntos de inflexión observados en resultados de permeabilidad experimentales representados en escala logarítmica no son más que la evidencia de tales transiciones. La presencia de transiciones indica la necesidad de incorporar nuevos parámetros en las relaciones de permeabilidad, a fin de otorgarles carácter predictivo, notablemente la longitud crítica y la porosidad a la que ocurren las transiciones microestructurales. Dos relaciones con carácter universal se establecen en base a los resultados de simulación de Monte Carlo. La primera, de Katz y Thompson (1986) k l F c =α 2 / , establece una relación entre la permeabilidad k , la longitud crítica c l y el factor de formación F . Esta ley tiene sustento en análisis de trayectoria crítica y teoría de percolación. La segunda, 2 ( ’ ) c c k =αl φ −φ , donde ’ cφ es una porosidad pseudocrítica, es postulada aquí en base a las relaciones de escalamiento que exhibe la permeabilidad y la longitud característica con la porosidad. Las rutinas implementadas en esta tesis se reúnen en un programa que denominamos PROTRAN. Se trata de una interfaz Windows a un grupo de rutinas que permite la estimación de la permeabilidad, conductividad eléctrica y longitudes características a distintos valores de porosidad. El programa permite también simular experimentos de porosimetría y obtener gráficos de patrones de flujo. Las variables de alimentación de las rutinas son la dimensión de la red, el método de cálculo de las propiedades de transporte, el factor de compactación y la distribución de tamaño de poros.
Recuperación de oro y plata desde residuos ferríticos mediante cianuración
(Universidad de Concepción., 2003) Rojas Reyes, Néstor Ricardo; Wilkomirsky Fuica, Igor; Padilla Durán, Rafael
En el presente trabajo de Tesis se estudió la cianuración de un residuo proveniente de la lixiviación de una calcina oxidada de metal blanco de cobre con alto contenido de cobre (10.6 %) en la forma de ferrita cúprica y además con valores importantes de oro y plata de 38.5 g/Ton y 1085 g/Ton, respectivamente. El oro presente en el residuo se encuentra en forma de electrum, liberado en granos de ferrita cúprica, mientras que la plata siempre se encontró disuelta en una matriz de Cu – S en cantidades entre 1 y 50 %. El oro presente en el residuo puede recuperarse en forma completa con una concentración de KCN de 0.06 gpL, pH 10.5, temperatura ambiente (25 ºC) y en un tiempo de 96 horas de lixiviación. Es posible obtener igual recuperación con iguales condiciones en un tiempo de 24 horas y a temperatura de 75 ºC. La plata contenida en el residuo es posible recuperarla en forma parcial (< 60 %), con una concentración de KCN de 1.2 gpL, pH entre 10.5 y 11, temperatura de 25 °C y un tiempo superior a 72 horas de lixiviación. Es posible alcanzar igual extracción con una concentración de reactivo de 2.4 gpL de KCN, a igual temperatura de trabajo y un tiempo menor a 72 horas de lixiviación. Los valores de extracción para el cobre que se encuentra en el residuo son más bajos que los reportados por la literatura. En condiciones para una extracción completa de oro, el cobre se disuelve solamente en un 0.36 %, mientras que en las condiciones requeridas para una extracción del 60 % de la plata, el cobre tuvo una disolución cercana al 5 %. Es posible que la alta refractariedad del cobre en forma de ferrita cúprica sea la causa de la baja disolución de este metal en cianuro. El efecto de la temperatura en el sistema de cianuración es un factor importante, ya que reduce el tiempo necesario para una recuperación de oro (> 90 %), desde 72 h. a temperatura ambiente, a tan solo 6 h. a temperatura de 75 °C,con una concentración de reactivo 0.06 gpL de KCN. El consumo de KCN para la recuperación de oro en el presente trabajo entrega valores 25 % más bajos comparados con los valores reportados en la literatura correspondiente al tratamiento de minerales cupríferos que contienen metales nobles. Este consumo se disminuye cuando la temperatura del sistema aumenta. El poco consumo de cianuro se debe en gran medida a la baja solubilidad del cobre presente en el residuo.
Análisis del comportamiento vibratorio de máquinas rotatorias.
(Universidad de Concepción., 2003) Ramírez Molina, Daniel E.; Saavedra González, Pedro
El análisis vibratorio es una de las herramientas principales para el diagnóstico de fallas en máquinas rotatorias en un programa de mantenimiento predictivo. Para su aplicación exitosa se deben cuidar una serie de aspectos teóricos, técnicos y experimentales. El presente trabajo de tesis esta dividido en dos partes (I y II) y, respectivamente, aborda dos temas puntuales: I ).- Una de las falencias que no permite mejorar la confiabilidad de los diagnósticos es la falta de modelos que expliquen el comportamiento vibratorio de las máquinas ante la presencia de un cierto número de fallas que ellas presentan. Un ejemplo de ellas es el desalineamiento entre rotores acoplados. El objetivo de la parte I de este trabajo es suplir esta necesidad y para ello se plantea un modelo de elementos finitos donde el elemento nuevo a modelar es el acoplamiento. Para esto se utiliza resultados de trabajos anteriores ([6] y [7]) en los cuales se ha caracterizado en forma teórico-experimental la matriz de rigidez del acoplamiento, a través de una matriz que varía con el giro del rotor. Con el modelo de elementos finitos se realiza simulaciones numéricas de las vibraciones radiales estacionarias generadas por un par de rotores acoplados desalineados, para distintas velocidades de operación. Se calcula además las funciones respuesta en frecuencia (FRF) entre el acoplamiento y los descansos del modelo implementado. Se implementa un banco de ensayos en el cual se realizan mediciones de la respuesta vibratoria estacionaria para distintas condiciones de velocidad, grado de desalineamiento y torque resistente. Además se mide las FRF entre el acoplamiento y los puntos de medición de la vibración con el rotor detenido. Los resultados teóricos y experimentales muestran una buena correlación y demuestran la estrecha relación que existe entre la variación de la rigidez del acoplamiento y las componentes vibratorias presentes. Conociendo las variaciones de rigidez del acoplamiento, se puede predecir las frecuencias de las componentes espectrales principales de la vibración generada debido a un desalineamiento. Se ilustra además la importancia de las FRF y las frecuencias naturales en la respuesta vibratoria. Finalmente se analiza en detalle los resultados obtenidos. Se plantea el análisis de la fase de las componentes vibratorias en conjunto con las FRF como elemento de juicio discriminatorio para discernir si las vibraciones medidas son generadas por el desalineamiento. Se presenta además como evolucionan las componentes vibratorias con el grado de desalineamiento y con el torque resistente. En las conclusiones generales se señalan algunas recomendaciones prácticas útiles al ingeniero de mantenimiento predictivo, respecto a los síntomas vibratorios que permiten diagnosticar un problema de rotores acoplados desalineados. II ).- Actualmente no existe un sistema de monitoreo continuo de vibraciones para palas electromecánicas de la minería. Esto es debido a dos razones que diferencian a estas máquinas del resto de la gran mayoría de las máquina de la industria: 1) Tienen velocidad y carga variable en ciclos cortos de trabajo, lo que requiere de técnicas de análisis más elaboradas. 2) Son máquinas móviles (se trasladan), por lo que son de difícil acceso. La parte II de este trabajo de tesis tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de monitoreo continuo de vibraciones para palas electromecánicas. Se describe las máquinas a monitorear y las técnicas de análisis de vibraciones que se utilizarán. Se presenta el sistema desarrollado en cuanto a hardware y software. Finalmente se presenta los resultados de pruebas y simulaciones a las que es sometido el sistema.
Metodología para el cálculo de los taps de reguladores y modelación de bancos de condensadores controlados para un flujo de carga trifásico vía método de Gauss-Seidel.
(Universidad de Concepción., 2003) Mendoza Baeza, Jorge Eduardo; López Parra, Enrique
Los principales inconvenientes que tienen las redes de distribución rurales, son los altos grados de desbalance en las tensiones y los considerables niveles de pérdidas. Estos problemas, son comúnmente solucionados utilizando equipos reguladores de voltaje y bancos de condensadores controlados. Debido a la creciente complejidad y tamaño de estas redes, los Flujos de Carga Trifásicos (FCT), han pasado a ser una importante herramienta de análisis, en etapas de planificación, diseño, operación y control. Por tal motivo, es imprescindible contar con metodologías y modelos de los equipos más comunes e importantes en estas redes. En este sentido, el método de Gauss-Seidel, cuenta con ventajas en su esquema iterativo, tales como, bajos requerimientos de memoria, sencillez en el algoritmo y la versatilidad de los sistemas que es posible simular. Por esta razón, este trabajo, se centró en el desarrollo de un esquema de búsqueda de taps de reguladores, en sistemas que cuentan con un gran número de ellos, de manera que evite los comunes problemas de divergencia, debido a una incorrecta estrategia de manejo de taps. El esquema propuesto, se basa en la discretización de los valores de los taps y en un manejo dentro del proceso iterativo muy similar al que realizan los controladores de estos equipos en terreno. Una segunda temática abordada en esta investigación, es la que dice relación con el desarrollo de una metodología y un modelo de Bancos de Condensadores Controlados por Tensión (BCCT) en el FCT de tipo Gaussiano. El esquema desarrollado se basa en un modelo que limita el número máximo de etapas de reactivos y el número de bandas de tensión asociadas a cada una de ellas. En ambos casos, se obtienen resultados sin afectar la convergencia del método iterativo. Existe un costo, que se manifiesta en el aumento de las iteraciones y de los tiempos de simulación, no obstante, estos pueden ser considerados mínimos al momento de evaluar una herramienta, que en su conjunto, es capaz de simular sistemas de gran envergadura y de alta complejidad.
Análisis de regiones de operación en rectificadores trifásicos PWM fuente de voltaje y fuente de corriente.
(Universidad de Concepción., 2003) Pérez Leiva, Marcelo Alejandro
Los rectificadores trifásicos PWM han presentado una creciente utilización industrial debido, principalmente, por presentar una baja distorsión en la corriente de entrada y un alto factor de potencia. En adición a estas características se puede agregar la capacidad de absorber o entregar potencia reactiva a la red mientras se alimenta una carga. Esta última particularidad presenta restricciones en la cantidad máxima de potencia que se puede manipular, debido a las limitaciones impuestas por la modulación. Una forma de visualizar estas restricciones en forma gráfica es a través de la región de operación, que representa el conjunto de puntos de operación de la topología de potencia asociada a un rectificador. Se analiza esta región en un rectificador alimentando una carga pasiva, la modificación de éstas cuando se alimenta una carga activa, trabajando tanto en rectificación como en regeneración, el efecto producido al considerar las pérdidas resistivas en las componentes del filtro de entrada y la producida por la sobremodulación. Haciendo uso de la región de operación, se pueden determinar las relaciones entre las distintas potencias que maneja el rectificador. Una de las relaciones encontradas al analizar la región de operación da cuenta de la dependencia de la potencia reactiva de entrada con respecto a la potencia activa y voltaje de alimentación. También en ellas se muestra que cada topología presenta una característica natural de absorción/entrega de reactivos. Finalmente se muestra que las pérdidas asociadas a componentes parásitos degradan la eficiencia del rectificador reduciendo los límites máximos de potencia que este es capaz de manipular.
Nuevas técnicas de análisis de vibraciones de máquinas rotatorias.
(Universidad de Concepción., 2003) Rodríguez G., Cristian G.; Saavedra González, Pedro
Los excelentes resultados obtenidos en diferentes tipos de industrias con la aplicación de una estrategia de mantenimiento predictivo en máquinas que trabajan con regímenes estacionarios, no han podido ser traspasados al mantenimiento predictivo de máquinas que trabajan con regímenes no estacionaria de carga y/o velocidad, debido a que las técnicas tradicionales de análisis utilizadas en el primer grupo de máquinas no son aplicables directamente al segundo grupo. En esta Tesis, se analizan dos técnicas que son adecuadas para el análisis de vibraciones no estacionarias: el análisis espectral en order y las transformadas tiempo-frecuencia. Para el análisis espectral en order se utiliza el método de remuestreo por software. Esta técnica de procesamiento de la señal permite analizar vibraciones no estacionarias como si fueran estacionarias utilizando el análisis en el dominio orders en vez del tradicional análisis en el dominio de frecuencias. Se modifica el método tradicional de remuestreo por software para solucionar el problema de indeterminación que el método presenta cuando se requiere analizar vibraciones en tramos de tiempos donde se mantiene constante la velocidad. Se analiza y evalúa a través de simulaciones numéricas, los diferentes factores de los cuales depende la exactitud del método. Se entrega lineamientos que permiten determinar a priori los parámetros de captura y procesamiento de la señal a utilizar de manera de obtener un error máximo determinado. Las transformadas tiempo frecuencias analizadas son la transformada de Zao-Athlas-Marks y la seudo transformada de Wigner-Ville. A través de señales simuladas numéricamente, se evalúa el efecto que tienen en la exactitud de las transformadas los parámetros que hay que definir para el cálculo de ellas, recomendadas para el análisis de vibraciones. Las técnicas señaladas precedentemente son aplicadas en el análisis de las vibraciones no estacionarias medidas en la transmisión de levante de una pala de la minería. Se concluye que ambas técnicas son adecuadas para el análisis de vibraciones no estacionarias. En el último capítulo se muestra las ventajas que tiene un analizador virtual respecto a los analizadores comerciales que se usan para el análisis de vibraciones. Se presentan diferentes técnicas convencionales y otras específicas para analizar vibraciones no estacionarias como las señaladas anteriormente, las cuales son implementadas en un analizador virtual construido en el PC. Esto permite contar con un analizador completo, fácil de actualizar y de bajo costo, el cual incluye las más avanzadas técnicas de análisis de vibraciones.

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