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Dimensionamiento conceptual y paramétrico de CubeSat Bus y payload para percepción remota óptica en VIS y NIR.
(Universidad de Concepción, 2025) Garcés Letelier, María Teresa; López Telgie, Alejandro Ignacio
La creciente disponibilidad de tecnologías espaciales comerciales (COTS) junto con los enfoques de Model Based System Engineering (MBSE), ha abierto nuevos conocimientos para el diseño, modelado y simulación de misiones CubeSats. En este contexto, el objetivo general de esta Memoria es desarrollar un modelo paramétrico conceptual actualizado que permita estimar el desempeño y los requisitos de diseño de payload ópticos para Cubesats (≥3U), considerando restricciones físicas, tecnológicas desde 2020 en adelante. La metodología empleada integra la revisión del estado del arte en percepción remota y sistemas satelitales miniaturizados, análisis de componentes COTS a partir de bases de datos abiertas como Satsearch, implementación de ecuaciones de dimensionamiento en Python, siguiendo la estructura del CubeSat System Reference Model (CSRM). Los resultados permitieron estimar la configuración mínima de payload óptico con resolución entre 3 y 5 metros a 600 km de altitud, considerando una distancia focal equivalente a tres veces el largo del satélite y una apertura de 9 cm. Esto fue posible mediante una simulación en FreeFlyer, en dos planos SSO de igual altitud e inclinación, pero con RAAN desfasados, usando tres estaciones terrestres (Santiago, Punta Arenas y Svalbard). Se evaluaron escenarios variando el número de satélites y GSD de 25 y 50 m. Se selecciona 6 satélites por ser el menor tamaño de constelación que cumple con 2,07 pases/día mediante figuras de mérito como el Mean Coverage Gap y el Maximum Average Time Gap. Para comunicaciones se dimensionó el downlink en banda X (8,2 GHz) usando la empresa KSAT Lite, permitiendo tener como base de referencia una antena de 13 m para luego usar datos que nos lleven a identificar variables en la ecuación de enlace. Con una tasa de 12,5 Mbit/s se obtiene Eb/N0 ~11.15 dB, demostrando la factibilidad del enlace para el caso base. Finalmente se concluye que la calidad de la imagen depende principalmente del diámetro de apertura del instrumento óptico del CubeSat, además, si se requiere mejor resolución espacial hay que considerar un satélite de mayores dimensiones. La comunicación en banda X (enlace descendente) permite una generación rápida de datos, pero todo dependerá de la capacidad de las estaciones terrestres para descargar datos. Aun así, el futuro es prometedor para este tipo de satélite.
Desarrollo de un cabezal de corte por chorro de agua para aplicaciones metalmecánicas.
(Universidad de Concepción, 2025) Burboa Fuentealba, German Alberto; Salas Salgado, Alexis Fidel
El presente trabajo aborda el diseño y verificación de un cabezal de corte por chorro de agua con abrasivo (AWJ) integrado a un intensificador hidráulico propio, orientado a empresas metalmecánicas que requieren capacidades de corte avanzadas con una inversión inicial reducida. Se evaluaron distintos rangos de presión y se adoptó 379,21 MPa como condición nominal por su equilibrio entre capacidad de penetración, calidad superficial y vida útil de componentes. El desarrollo combina criterios normativos de recipientes a presión y sellado con modelos analíticos de Lamé, Von Mises y Goodman para dimensionar pistón, émbolo, camisas y tapas, y se valida con simulaciones de elementos finitos en ANSYS, poniendo especial atención en zonas con discontinuidades donde se concentran las tensiones. Los resultados muestran coherencia entre los cálculos y la simulación, con factores de seguridad adecuados en régimen cíclico y con la localización del punto crítico en la interfase geométrica ya mencionada. Se incorporan medidas de seguridad pasivas: drenaje dirigido para microfugas o falla de sellos, y un tope geométrico que evita impacto del émbolo sobre la válvula de retención ante fallas de detección, privilegiando la integridad de los componentes más sensibles. Para estabilizar el proceso, se adopta un acumulador de 3,2 L (superior al estándar comercial de 2,2 L), reduciendo fluctuaciones de presión y estabilizando el caudal del chorro. En términos económicos, mientras los paquetes comerciales completos (intensificador y dosificador de abrasivo) rondan los $40.000.000 CLP, la fabricación e implementación del cabezal de corte propuesto —incluyendo dosificación para aplicaciones de mediana escala— se estima en torno a $15.000.000 CLP, configurando una alternativa técnicamente viable y costo-efectiva sin comprometer seguridad ni desempeño.
Simulación por elementos finitos del ensayo Transverse Tensile Bundle Test en materiales compuestos.
(Universidad de Concepción, 2025) Escárate Cabezón, Agustín Felipe; Salas Salgado, Alexis Fidel
En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo numérico basado en el método de elementos finitos para simular el ensayo Transverse Tensile Bundle Test (TTBT) en materiales compuestos, con el objetivo de evaluar la distribución de esfuerzos y el comportamiento mecánico en la interfaz fibra-matriz . Este estudio responde a las limitaciones de los ensayos en microescala, como la complejidad de la fabricación de probetas, los altos costos y el equipamiento especializado . La metodología incluyó la fabricación de probetas conforme a la norma ASTM D638, el uso del sistema de correlación de imagen digital (DIC) Aramis para la medición de deformaciones, y la implementación de un modelo numérico en ANSYS Workbench utilizando el Cohesive Zone Model (CZM) para simular la fractura . Las propiedades de los materiales se obtuvieron a partir de ensayos experimentales y literatura especializada. El modelo fue validado comparando los resultados simulados con datos experimentales, logrando una buena concordancia . Los resultados de la simulación micromecánica permitieron identificar que la falla se inicia en los extremos de la hebra de fibra, donde se concentran los esfuerzos, coincidiendo con lo expuesto en la literatura. El valor obtenido para el esfuerzo normal interfacial (INS) fue de 20.3 [MPa], un rango coherente con los valores reportados en la literatura y que representa aproximadamente entre un 10% y 15% del esfuerzo cortante interfacial (IFSS) típico. Se concluye que la metodología propuesta es una alternativa viable para caracterizar la adhesión en la interfaz a mesoescala, ofreciendo ventajas en términos de costo, tiempo y simplicidad experimental.
Evaluación de configuraciones geométricas para una sistema de captación de agua atmosférica mediante simulación CFD.
(Universidad de Concepción, 2025) Arias Dinamarca, Daniel Sebastián; Cuevas Barraza, Cristian Alberto
La escasez hídrica corresponde a un problema internacional con mas de un 50% de la población ubicada en zonas de alta escasez. Cercano a un 17% del uso de aguas es con fines domésticos y se proyecta un alza de un 20% a un 30% para el año 2050. Con el fin de abastecer las necesidades de consumo, empresas han empezado a fabricar y utilizar generadores de agua atmosférico, maquinaria capaz de condensar, enfriar y asegurar el agua para zonas rurales como industriales, sin embargo, su baja eficiencia y acompañado de una carencia de estudios, han llevado a una baja comercialización por lo que son poco comunes como solución para la escasez. Para mejorar la eficiencia de estos sistemas e identificar los parámetros claves en su funcionamiento, en esta memoria se propone realizar un estudio mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional de distintas características geométricas implementadas en un evaporador de un sistema de captación de agua atmosférica por compresión de vapor y refrigeración. Se consideran características promedio del aire húmedo y un modelo computacional de Ansys Fluent, tomando en cuenta turbulencia, transmisión de energía y transferencia de masa, se realizan las simulaciones a un modelo geométrico de un evaporador base representativo con placas de 0,1 mm de espesor y tuberías de 10 mm de diámetro y a 8 modificaciones geométricas. Las modificaciones geométricas indican una generacion de agua hasta en un 3.26% mayor a medida que se aumenta el espesor de las placas del evaporador, pero con un límite debido a la turbulencia generada por el impacto del aire con área transversal cuando el espesor de la placa supera los 0.2 mm. Resultados similares se obtienen cuando se aumenta el diámetro de la tubería donde un se llega a una reducción de hasta en un 3.16% en la generacion de agua en el evaporador con un diámetro de tubería de 5/8”, con una mejora máxima de un 0.13% cuando se reduce el diámetro de la tubería a un 1/4".
Algoritmos para localización de fuentes de emisiones acústicas en 3D.
(Universidad de Concepción, 2025) Duarte Smith, Francisco Bastian; Leaman Weiffenbach, Félix Alberto
Este trabajo aborda el problema de localizar con precisión fuentes de emisión acústica (EA) en estructuras tridimensionales metálicas. El objetivo principal fue evaluar y comparar diferentes métodos de cálculo para la localización 3D, usando datos reales obtenidos en un tambor cilíndrico metálico y en una estructura de vigas soldadas, simulando condiciones industriales. Se utilizó un sistema experimental de detección de EA con sensores piezoeléctricos fijados al manto del tambor. Las señales se procesaron en un programa en Python, calculando los tiempos de llegada (TOA) con distintos umbrales, estimando la velocidad de propagación y aplicando cinco algoritmos: USBM, Thurber, TRF + Huber con punto inicial fijo y adaptativo, y Particle Swarm Optimization (PSO). En el manto, el PSO logró el menor error promedio (0.136 m con desviación de 0.073 m al umbral 0.5%), mientras que en la base destacó el TRF adaptativo (0.107 m con desviación de 0.118 m al 1%). En la localización sin restricción de superficie (integrada), los mejores resultados fueron 0.130 m con PSO y 0.075 m con TRF adaptativo. Se observó que los umbrales intermedios (0.5% y 1%) dieron mejores resultados, mientras que los muy bajos y altos empeoraron la precisión por falsos positivos o detección tardía. En la estructura de vigas, los errores fueron más altos por la atenuación, las reflexiones en soldaduras y trayectorias no consideradas en el cálculo. El mejor resultado fue 0.462 m al 1% de umbral y el peor 0.795 m al 5%, aunque el error relativo fue similar al del tambor (8.46%). La variabilidad de los resultados se debió principalmente a diferencias en la aplicación de la fuente, elección de puntos iniciales, ruido en la detección de TOA, anisotropías del material, reflexiones y pérdidas de señal por el acoplamiento de los sensores. En conclusión, es posible localizar fuentes de EA con buena precisión incluso fuera del plano de sensores, siempre que se utilice un modelo geométrico adecuado, un algoritmo robusto y un umbral calibrado.
Modelación de la combustión de mezclas de hidrógeno con gases convencionales en una caldera pírotubular.
(Universidad de Concepción, 2025) Sanhueza Torres, Pablo Ignacio; Farías Fuentes, Óscar Francisco
Se aborda la modelación en estado estacionario de la combustión de mezclas de hidrógeno con gas natural en una caldera pirotubular del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Concepción. El objetivo principal fue adaptar un modelo que represente adecuadamente el comportamiento térmico de la caldera bajo diferentes condiciones de operación, y evaluar el impacto del uso de hidrógeno como combustible complementario. Para validar los resultados del modelo, se recopilaron datos experimentales de la caldera operando exclusivamente con gas natural, registrando temperaturas en distintos puntos del circuito de humos y variables asociadas al rendimiento térmico. Estos datos permitieron validar el modelo base mediante la comparación entre resultados simulados y valores medidos. Una vez validado, el modelo fue utilizado para simular el comportamiento de la caldera bajo nuevas condiciones, incorporando mezclas de hidrógeno con gas natural en proporciones variables. Asimismo, se analizó el efecto de diferentes excesos de aire sobre el rendimiento y las temperaturas de operación. Los resultados obtenidos permitieron observar cómo varían las temperaturas a lo largo del hogar y los pasos del circuito de gases, en función de la composición del combustible y el exceso de aire. Concluyendo un cambio en la temperatura de los gases a la salida de la cámara de combustión directamente proporcional al aumento de la concentración de hidrogeno e inversamente respecto al rendimiento. También se determinó el rendimiento térmico de la caldera en cada escenario simulado, evaluando el potencial del hidrógeno para mejorar la eficiencia del sistema y reducir emisiones contaminantes. Este estudio proporciona una herramienta predictiva útil para analizar el desempeño térmico de calderas convencionales cuando se introduce hidrógeno como vector energético. Además, aporta información relevante para futuras investigaciones sobre descarbonización en sistemas térmicos, en línea con los desafíos energéticos actuales.
Evaluación de mantenimiento, reparación y overhaul (MRO) en operaciones aéreas de aeronaves comerciales narrow-body a través de modelado, visualización y análisis de datos de aerolíneas.
(Universidad de Concepción, 2025) Troncoso González, Amanda Isidora; López Telgie, Alejandro Ignacio
En un escenario de creciente complejidad operacional y expansión del transporte aéreo comercial, la gestión de los procesos de mantenimiento, reparación y overhaul (MRO), impacta directamente la eficiencia y disponibilidad de las flotas. Frente a la problemática que los esfuerzos de mantenimiento siguen siendo mayoritariamente, generando interrupciones operativas y pérdidas económicas a las aerolíneas, el siguiente trabajo plantea como objetivo desarrollar una herramienta analítica que permita caracterizar el comportamiento operacional de la flota narrow-body de LATAM Airlines Chile, específicamente de los modelos Airbus A320 y A321, a partir de datos de fuentes abiertas. Lo anterior busca identificar comportamientos anómalos de forma temprana que puedan ser atribuidos a posibles eventos MRO, mediante la integración de análisis de datos, modelado y visualización interactiva. Para ello, se recopilan registros operacionales mediante la API (licencia Explorer) de Flightradar24, específicamente operaciones de los meses de marzo, abril y mayo de 2025 en respuesta a las limitaciones que impone la fuente. Los datos obtenidos son sometidos a un proceso de depuración para asegurar su integridad y trazabilidad, los que luego son analizados utilizando un modelo K-Means basado en dos variables: el tiempo de vuelo (Flight Time) y el tiempo de rotación en tierra de las aeronaves (Turnaround Time – TAT). El modelo permite clasificar los vuelos en distintas categorías operacionales, incluyendo eventos críticos compatibles con MRO, en base a expectativas operacionales predefinidas para las flotas. Los resultados se integran en un dashboard interactivo desarrollado en Streamlit (Python), que facilita la exploración dinámica de los datos mediante tres módulos: un panel general para monitorear el rendimiento y detectar eventos críticos; un análisis global que resalta rutas y aeronaves con alta incidencia anómala; y un análisis detallado por matrícula que describe patrones operacionales individuales. Los principales hallazgos a través de la herramienta incluye la detección de eventos críticos, como la detención de 28 días de la aeronave CC-BEF (Airbus A321) en el aeropuerto Rafael Hernández (Puerto Rico), una instalación con capacidad especializada para mantenimiento mayor, o el vuelo de la aeronave CC-BFI (Airbus A320) a Sao Carlos para una intervención MRO. La validación con expertos de LATAM Airlines Chile confirmó que esta detención corresponde a un mantenimiento programado. Asimismo, se identificaron rutas como Calama–Santiago con alta recurrencia de vuelos anómalos que, tras el contraste con conocimiento experto, se atribuyen principalmente a factores operativos, más que a mantenimiento no programado. En definitiva, la herramienta transforma datos operacionales en visualizaciones que permiten detectar de forma temprana anomalías operacionales y eventos de mantenimiento. Esto facilita priorizar y planificar intervenciones con mayor eficiencia, optimizando la disponibilidad de la flota y reduciendo tiempos improductivos. Además, su interfaz modular apoya el análisis a nivel de flota e individual, y permite la integración futura de datos internos que superen limitaciones actuales, potenciando su precisión, confiabilidad y promoviendo decisiones basadas en evidencia.
Conservación de la energía a través del uso de lubricantes especiales.
(Universidad de Concepción, 2025) Brunner Schalchli, Martín José; Canales Cárdenas, Cristian Alexis
La presente investigación tiene como objetivo evaluar el ahorro energético asociado al uso de lubricantes con aditivos especiales en reductores de velocidad industriales, operando bajo condiciones reales de planta. Para ello, se diseñó una metodología dual: una teórica, aplicada al caso nominal del sistema, y otra experimental, basada en técnicas predictivas de mantenimiento enfocadas en el monitoreo de variables eléctricas, térmicas y vibracionales. El estudio comparó el rendimiento de dos lubricantes ISO VG 220: Royal Purple Synergy 220 cSt y Mobil SHC 630 220 cSt. Los resultados teóricos evidenciaron que el lubricante Synergy 220 cSt permite reducir las pérdidas energéticas en un 18%, lo que se traduce en un incremento de eficiencia del orden de 1.38% a 1.54% en un reductor de tres etapas helicoidal. No obstante, la validación experimental de estos resultados se vio limitada por dos factores clave: i) la presencia de diferencias vibracionales entre los equipos evaluados, y ii) la elevada incertidumbre del equipo de medición de corriente (SUPCO DVCV), cuyo error absoluto supera el umbral necesario para una validación estadísticamente confiable. Por tanto, aunque la hipótesis de lograr un ahorro energético superior al 3% se cumple teóricamente, no pudo ser confirmada de forma concluyente en condiciones de planta. A pesar de estas limitaciones, el estudio demuestra el alto potencial del uso de lubricantes avanza dos como una herramienta efectiva para mejorar la eficiencia energética en entornos industriales. Esta línea de acción cobra especial relevancia en el marco de la Ley 21.305 sobre Eficiencia Energética, que obliga a grandes consumidores a implementar sistemas de gestión energética. Como trabajos futuros, se propone la incorporación de instrumentación de mayor precisión en terreno, como el multímetro Fluke 289 con pinza i30 y sensores de vibración triaxiales. Asimismo, se sugiere el desarrollo o utilización de un banco de ensayos tipo FZG, que permita replicar condiciones controladas, estandarizadas y comparables para validar con mayor certeza el impacto real del lubricante sobre la eficiencia del sistema.
Evaluación de mantenimiento, reparación y overhaul (MRO) en operaciones aéreas de aeronaves comerciales wide-body a través de modelado, visualización y análisis de datos de aerolíneas.
(Universidad de Concepción, 2025) Velásquez Cárdenas, Bertila Gisela; López Telgie, Alejandro Ignacio
En un escenario de creciente complejidad operacional y expansión del transporte aéreo comercial, la gestión de los procesos de mantenimiento, reparación y overhaul (MRO), impacta directamente la eficiencia y disponibilidad de las flotas. Frente a la problemática que los esfuerzos de mantenimiento siguen siendo mayoritariamente, generando interrupciones operativas y pérdidas económicas a las aerolíneas, el siguiente trabajo plantea como objetivo desarrollar una herramienta analítica que permita caracterizar el comportamiento operacional de la flota wide-body de LATAM Airlines Chile, específicamente de los modelos Boeing 787-8 y 787-9 a partir de datos de fuentes abiertas. Lo anterior busca identificar comportamientos anómalos de forma temprana, los que puedan ser atribuidos a posibles eventos MRO, mediante la integración de análisis de datos, modelado y visualización interactiva. Para ello, se recopilan registros operacionales mediante la API (licencia Explorer) de Flightradar24, específicamente operaciones de los meses de marzo, abril y mayo de 2025 en respuesta a las limitaciones que impone la fuente. Los datos obtenidos son sometidos a un proceso de depuración para asegurar su integridad y trazabilidad, los que luego son analizados utilizando el modelo K-Means basado en dos variables: el tiempo de vuelo (Flight Time) y el tiempo de rotación en tierra de las aeronaves (Turnaround Time – TAT). El modelo permite clasificar los vuelos en distintas categorías operacionales, incluyendo eventos críticos compatibles con MRO, en base a expectativas operacionales predefinidas para las flotas. Los resultados del modelo son integrados en un dashboard interactivo desarrollado con Streamlit (Python), orientado a apoyar el análisis operacional de la flota, al visualizar y explorar dinámicamente estos. La interfaz se estructura en tres módulos: una ventana principal enfocada al rendimiento general de la flota y eventos críticos; un análisis general que destaca rutas de alta ocurrencia anómala y aeronaves de alto impacto; y un módulo de análisis individual que detalla el desempeño por matrícula y sus patrones de vuelo. Los principales hallazgos con la herramienta incluyen la identificación de eventos operacionales críticos como aeronaves y rutas con un alto índice de operaciones anómalas. Entre ellas, destacan las aeronaves CC-BBH (787-8), CC-BGL y CC-BGK (787-9) y las rutas São Carlos – Santiago y Madrid – Abu Dabi, ambas caracterizadas por detenciones prolongadas, que según información recopilada se asocian a diferentes eventos MRO, lo cual, al ser validado con conocimiento experto se determina como MRO programado. En definitiva, la herramienta transforma datos operacionales en visualizaciones que permiten detectar de forma temprana anomalías operacionales y eventos de mantenimiento. Esto facilita priorizar y planificar intervenciones con mayor eficiencia, optimizando la disponibilidad de la flota y reduciendo tiempos improductivos. Además, su interfaz modular apoya el análisis a nivel de flota e individual, y permite la integración futura de datos internos que superen limitaciones actuales, potenciando su precisión, confiabilidad y promoviendo decisiones basadas en evidencia.
Diseño y evaluación conceptual de arquitecturas de misiones espaciales para fines de comunicación sobre el territorio chileno.
(Universidad de Concepción, 2025) Fuica Zambrano, Iván Esteban; López Telgie, Alejandro Ignacio
El objetivo de este trabajo fue el diseño y evaluación de distintas opciones de arquitecturas de misiones espaciales, estas arquitecturas son planteadas con la finalidad de poder habilitar redes de comunicaciones satelitales sobre el país de Chile, tanto para sus regiones continentales como sus territorios insulares. El enfoque de estudio del trabajo se concentra en la justificación detrás de la idea de habilitar el sistema planteado, para luego pasar a presentar arquitecturas de este. Las arquitecturas son definidas como elementos que componen al sistema e indican las ventajas comparativas de escoger la opción presentada frente a otras posibles opciones. El presente trabajo se enfoca en dimensionar a grandes rasgos, la necesidad, características y evaluar posibles opciones que se tienen para poder habilitar un sistema de comunicaciones satelitales soberano. Se plantea el tipo de redes de comunicaciones a habilitar, esto se estima mediante el estudio estadístico de la penetración de distintas formas de comunicación dentro de la población. El estudio de la necesidad para un sistema satelital de comunicaciones fue desarrollado mediante la utilización de datos de carácter abierto y actuales sobre la cantidad de población y hogares de cada región. Junto con la utilización de informes de acceso y uso del internet, se proyecta la necesidad del servicio en cantidad de hogares y ancho de banda. Luego se plantea la arquitectura del sistema, esto mediante el estudio de sistemas espaciales que cumplen roles similares, extrayendo parámetros de funcionamiento como ancho de banda y capacidades de propulsión, estos fueron asociadas a los parámetros físicos de la plataforma satelital, pudiendo generar parámetros de funcionamiento generales para el dimensionamiento y planteamiento de arquitecturas propias. Similarmente, se generaron parámetros orbitales y arquitecturas terrestres mediante el estudio de sistemas similares al propuesto. Finalmente, procede a la simulación y obtención de datos de las arquitecturas mediante la creación de un algoritmo dentro del software FreeFlyer, cuyos datos son procesados mediante un algoritmo de Python, evaluando el funcionamiento del sistema diseñado. Los resultados del trabajo fueron claros en el dimensionamiento de la necesidad y evaluación sobre el flujo de caja del sistema planteado, con necesidades proyectadas de hasta 236,833 clientes y con proyecciones de ganancias de $529[MUSD] para los primeros 15 años de funcionamiento se tiene una clara apertura a una red de comunicaciones satelitales soberana. Los resultados del planteamiento de la arquitectura dieron resultados mixtos, la metodología utilizada permitió el planteamiento satisfactorio de satélites pequeños, de pesos aproximados de 100[kg], permitiendo dimensionar características claves como la máxima cantidad de conexiones simultáneas por satélite. Pero fue menos satisfactorio a la hora de dimensionar satélites de masas superiores a 500[kg] principalmente debido a falta de documentación abierta y reciente. Finalmente, el desarrollo de los algoritmos de simulación y procesamiento de datos funcionan lo suficientemente bien para permitir cortas simulaciones de una cantidad limitada de satélites, pero es claro que estas herramientas requieren de futuras iteraciones para poder ser consideradas adecuadas para obtención de datos y procesamientos de estos durante periodos de tiempo extendidos. Se concluye que el sistema, según lo presentado, es viable, pero la evaluación de este requiere optimizar la herramienta de simulación, principalmente para periodos de tiempo extensivos, lo anterior junto al estudio más profundo de sistemas satelitales de comunicaciones recientes que superen los 500[kg], principalmente satélites geoestacionarios. Futuros trabajos deben enfocarse en las herramientas de simulación y recopilar información específica sobre satélites de comunicación sobre los 500[kg].
Análisis experimental del comportamiento del algoritmo de separación de vibraciones para el monitoreo y diagnóstico de fallas en una transmisión de engranajes planetaria.
(Universidad de Concepción, 2025) Ocampo Lara, José Miguel; Vicuña Molina, Cristián Javier
Este trabajo presenta una evaluación experimental del algoritmo de separación de vibraciones para el diagnóstico de fallas en transmisiones planetarias. Se diseñó un banco de pruebas capaz de reproducir condiciones operativas reales y se introdujo una falla artificial en uno de los engranajes planeta. La señal de vibración fue procesada mediante un conjunto de herramientas de procesamiento de señales que incluye el remuestreo angular, Promedio Sincrónico en el Tiempo (TSA) y por el algoritmo de separación propiamente tal. Los resultados mostraron que, bajo ciertas condiciones, la falla era apenas perceptible en la señal bruta, pero fue detectada con claridad al aplicar el algoritmo, incluso en casos donde el sentido de rotación influía en su manifestación. Se validó que la técnica permite aislar la contribución vibratoria de cada planeta, mejorando la identificación de fallas en comparación a métodos tradicionales. Este estudio confirma la utilidad del algoritmo para aplicaciones industriales y propone, como línea futura de investigación, el análisis de su sensibilidad frente a variaciones en la velocidad de rotación, carga (torque), ubicación del daño, así como bajo condiciones de operación con RPM y/o carga variables.
Modelado de una celda de combustible de carbonato fundido mediante el uso de aprendizaje automático.
(Universidad de Concepción, 2025) Barra Pradenas, Valeria Ignacia; Cuevas Barraza, Cristian Alberto; Escalona Inzunza, Andrés René; Garcés Hernández, Hugo Omar
Dentro de este estudio se aborda el modelado de una celda de combustible de carbonato fundido (MCFC) mediante la implementación de técnicas de aprendizaje automático, con énfasis en modelos híbridos que incorporan conocimiento físico en el proceso de entrenamiento. Las MCFC representan una tecnología de generación de energía con alta eficiencia y bajo impacto ambiental, gracias a su capacidad para operar con diferentes tipos de combustibles ricos en hidrógeno y su integración en esquemas de cogeneración o captura de CO₂. Sin embargo, su modelado tradicional mediante modelos físicos suele requerir una caracterización detallada del sistema, elevados tiempos de desarrollo y una alta especialización técnica. Frente a este desafío, se propone el uso de redes neuronales artificiales (ANN) como alternativa para modelar el comportamiento de una MCFC a partir de datos experimentales. Además, se implementó un modelo de redes neuronales guiadas por la física (PGNN), el cual incorpora parte de la física del sistema mediante una función de pérdida modificada en la ANN. Este enfoque busca mejorar la generalización fuera del dominio de entrenamiento, superando las limitaciones de modelos basados solo en datos. Durante el desarrollo del trabajo se exploraron diferentes configuraciones de red, y luego se comparó el desempeño de una ANN tradicional, con regularización y la PGNN, mediante métricas como MSE, MAE y R², evaluando tanto el desempeño dentro del dominio de entrenamiento como su capacidad predictiva en condiciones no vistas. Los resultados exponen que el modelo PGNN mejora la capacidad de extrapolación fuera del dominio (R2 = 0.7881), reduciendo el sobreajuste y logrando un mejor balance entre precisión y generalización (R2 = 0.9591 en entrenamiento) en comparación con los modelos basados solo en datos (R2 = 0.9854 en entrenamiento y R2 = -3.5138 fuera del dominio) o con regularización de los pesos de la red neuronal (R2 = 0.9504 en entrenamiento y R2 = 0.1291 fuera del dominio), destacando la utilidad de integrar conocimiento físico en la función de pérdida para optimizar el desempeño del algoritmo. También, se comenta su utilidad frente a otros tipos de modelos, que no son de aprendizaje automático, para disminuir el costo computacional asociado a hacer el modelo y obtener las predicciones. Finalmente, se discute la proyección de este tipo de esquemas en contextos industriales reales, como en plantas piloto, sistemas de cogeneración y sistemas de captura de carbono acoplados a fuentes de emisión. Como trabajo futuro se plantea explorar modelos PINN más sofisticados, los cuales integran dinámicas temporales del sistema mediante el uso de datos secuenciales. Este estudio busca así contribuir al avance del modelado de celdas de combustible mediante herramientas basadas en datos y conocimiento físico, sentando las bases para soluciones más eficientes, escalables y sostenibles en la transición hacia tecnologías energéticas limpias.
Modelación DEM del mineral de cobre en la tolva del camión minero CAT 797F.
(Universidad de Concepción, 2025) Paredes Gallardo, Marcos Sebastian; Moncada Merino, Manuel Alonso
El transporte de mineral en la minería a cielo abierto es un componente crítico y costoso del ciclo productivo. Los camiones mineros de gran tonelaje, como el CAT 797F, operan bajo condiciones dinámicas severas, incluyendo impactos sobre la tolva durante la carga, además de vibraciones que repercuten en el chasis dado el terreno irregular, lo que puede comprometer su integridad estructural y vida útil. La caracterización precisa de estas cargas dinámicas es fundamental para optimizar el diseño de los vehículos e implementar estrategias de mantenimiento predictivo. Este estudio aborda la necesidad de cuantificar los esfuerzos transmitidos a la estructura del camión, sentando las bases para un análisis estructural más robusto. Para analizar la dinámica del mineral, se empleó el Método de Elementos Discretos a través del software Rocky DEM 4. Se importó a Rocky DEM un modelo CAD detallado de la tolva del camión CAT 797F, para el proceso de simulado se consideran parámetros cruciales como la granulometría de las partículas, el coeficiente de rodadura calibrado, y las condiciones operativas de vibración (amplitud y frecuencia) y pendientes (subida y bajada). La metodología de post-procesado, implementada mediante un código en MATLAB R2018b, fue esencial para extraer las fuerzas y momentos generados por el mineral en la tolva y, mediante una simplificación a un modelo 2D de cuerpo rígido, calcular las reacciones localizadas en los puntos de apoyo del camión (cilindros hidráulicos A y B). Este enfoque permitió traducir las cargas dinámicas complejas en datos aplicables para futuros análisis estructurales detallados con el Método de Elementos Finitos (FEM). Los resultados de la simulación revelaron la naturaleza dinámica y la magnitud de las fuerzas transmitidas a los apoyos de la tolva en las distintas fases operativas. Durante la carga, las reacciones verticales pico alcanzaron hasta 2099 kN en el apoyo Ay, siendo ligeramente mayores el caso sin barrido de material. En el movimiento horizontal, la amplitud de vibración de 0.01433 m resultó ser el caso más crítico, con reacciones verticales pico en Ay de 3611 kN y factores de amplificación de hasta 3.887 en el apoyo A, indicando una amplificación dinámica significativa. Para movimientos en bajada y subida, se observaron amplificaciones aún mayores en el apoyo B, alcanzando factores de hasta 7.59 y 7.40 respectivamente, lo que subraya la alta exigencia dinámica en este punto. La descarga, al ser un proceso más controlado, mostró fuerzas y momentos menos abruptos. En conclusión, el modelo DEM y la metodología de post-procesado demostraron ser herramientas efectivas para predecir y cuantificar las cargas dinámicas.
Simulación del ensayo 45° Fiber Bundle Test.
(Universidad de Concepción, 2025) Vergara Saavedra, Ignacio Alejandro; Salas Salgado, Alexis Fidel
En este trabajo se desarrolla un modelo de simulación multiescala de una vía para el análisis mecánico de materiales compuestos utilizando el ensayo 45FBT, con énfasis en la caracterización de la interfase entre la fibra y la matriz. El objetivo principal es estimar la resistencia al corte interfacial (IFSS) a partir de una simulación por elementos finitos que integre tanto el comportamiento macroscópico del material como la respuesta microscópica de sus constituyentes. Para ello, se identifican las propiedades relevantes de la fibra y la matriz, y se implementa un modelo de acoplamiento global-local unidireccional, donde las deformaciones obtenidas a nivel macroscópico se aplican a un volumen representativo (RVE) a nivel microscópico, construido en APDL. El RVE incluye la interfase como una tercera fase, lo que permite evaluar su influencia en la distribución de esfuerzos. Los resultados obtenidos muestran que la distribución de esfuerzos de corte simulada concuerda en forma con los datos experimentales, aunque presenta diferencias de magnitud atribuibles a las idealizaciones geométricas del modelo, como el arreglo hexagonal de fibras en vez de un arreglo aleatorio. Se identificaron las zonas de mayor concentración de esfuerzos en la interfase, coherentes con los modos de falla observados en la literatura. Además, se estimó el IFSS mediante dos enfoques: el valor máximo y el promedio sobre la interfase, obteniendo 35.42 MPa y 25.23 MPa, respectivamente, ambos dentro de los rangos reportados para compuestos con matriz epoxi y refuerzo de fibra de carbono. Este trabajo demuestra que es posible estimar el IFSS de manera efectiva sin recurrir a sistemas ópticos avanzados, utilizando únicamente propiedades de los constituyentes y parámetros de ensayo al momento del fallo. Finalmente, se identifican posibles líneas de desarrollo futuro, como el uso de modelos cohesivos, acoplamiento bidireccional, y métodos micromecánicas más avanzados como el GMC, con el objetivo de mejorar la precisión del análisis y extender su aplicabilidad.
Influencia de la velocidad de impacto en la fractura primaria del mineral de cobre, mediante la fabricación de un banco de ensayos.
(Universidad de Concepción, 2025) Mella Sánchez, Gonzalo Eduardo; Moncada Merino, Manuel Alonso
La fractura del mineral de cobre bajo diferentes velocidades de impacto representa un aspecto fundamental en procesos industriales como la conminación, debido a su influencia directa en la eficiencia energética. Esta investigación aborda específicamente la influencia de la velocidad de impacto en la fractura primaria del mineral de cobre. Para alcanzar este objetivo, se diseñó y fabricó un banco de ensayos tipo Drop Weight Test (DWT) modificado, el cual permitió controlar con precisión la velocidad de diferentes percutores cambiando altura de caída. Se efectuaron cálculos preliminares basados en la teoría de Hertz para contactos elásticos, determinando parámetros críticos como la masa, tamaño de la esfera de acero y altura mínima requerida. El banco se equipó con un sensor PCB Piezotronics modelo 208C05, cuya calibración se verificó mediante ensayos previos con probetas cilíndricas de concreto. Las muestras de cobre utilizadas fueron probetas de 13 y 7 mm cilíndricas con rigurosidad para asegurar que variables externas no afecten la medición, se descartan aquellas con defectos visibles mediante inspección visual. Los ensayos dinámicos DWT se realizaron a velocidades comprendidas entre 1.066 m/s y 1.456 m/s, complementándose con ensayos de compresión usando una máquina Zwick Roell Z005. Los resultados obtenidos demostraron una relación inversa entre la velocidad de impacto y la energía específica requerida para producir la fractura primaria en el mineral de cobre. Se observó que, a velocidades menores, la energía necesaria para fracturar el material disminuyó significativamente, lo cual sugiere una mejor capacidad del cobre para redistribuir localmente los esfuerzos a bajas velocidades. Este estudio aporta una metodología robusta y datos empíricos significativos que avanzan el conocimiento sobre el comportamiento mecánico del cobre bajo cargas dinámicas.
Análisis estructural del Leighton Chajnantor Telescope durante eventos sísmicos en su nueva ubicación en el cerro Toco.
(Universidad de Concepción, 2025) Rodríguez Villarroel, Sergio Ignacio; Canales Cárdenas, Cristian Alexis
El presente trabajo aborda el análisis estructural del radiotelescopio Leighton Chajnantor Telescope (LCT) ante eventos sísmicos, con motivo de su reubicación desde el observatorio Caltech Submillimeter Observatory (CSO) en Mauna Kea, Hawái, hacia el cerro Toco, en la Región de Antofagasta, Chile. A diferencia de su emplazamiento original, el nuevo sitio se encuentra en una zona de alta sismicidad, lo que plantea la necesidad de evaluar si la estructura del LCT puede resistir las solicitaciones sísmicas del lugar, cumpliendo con la normativa chilena vigente. Para abordar este problema, se implementó un modelo de elementos nitos de la estructura que considera un número reducido de elementos en comparación a ejemplares de años anteri ores y se realizó un análisis transiente (tiempo-historia) para determinar los componentes del telescopio más propensos a superar el límite de uencia durante eventos telúricos represen tativos de la demanda sísmica en el nuevo sitio de instalación. Para realizar esto primero se calcularon los espectros de diseño del lugar, según la NCh2369:2025, usando los resultados de estudios de mecánica del suelo. Luego, se seleccionaron registros sísmicos reales compatibles con la respuesta espectral del emplazamiento y se aplicaron al modelo tridimensional medi ante condiciones de frontera de movimiento de la base. Se consideraron tres con guraciones de elevación del telescopio (30°, 60° y 90°). Los resultados del análisis transiente revelaron que, en general, la estructura del LCT exhibe un desempeño satisfactorio ante la demanda sísmica del cerro Toco, con esfuerzos equiva lentes que no superan el límite de uencia en la mayoría de sus componentes, garantizando un factor de seguridad conservador superior a 3. Sin embargo, se identi có una zona crítica en la plataforma de elevación, especí camente en la placa de conexión con el tornillo sin n, donde los esfuerzos se aproximaron al límite de uencia debido a desplazamientos excesivos durante los eventos analizados. Este hallazgo sugiere la necesidad de reforzar dicha área me diante la incorporación de placas laterales soldadas para mejorar la distribución de cargas. Adicionalmente, se recomienda mantener el LCT con una elevación de 90° en los momentos no destinados a realizar observaciones astronómicas.
Evaluación de los sistemas de control de la Planta de Vapor del Laboratorio de Termofluidos.
(Universidad de Concepción, 2025) Vidal Alegría, Nicolás Daniel; Farías Fuentes, Óscar Francisco; Garcés Hernández, Hugo Omar
Se presenta el desarrollo de un modelo para predecir el comportamiento dinámico de la caldera de vapor del Laboratorio de Termofluidos de la Universidad de Concepción, con la finalidad de simular diferentes escenarios de control. El modelo de la caldera incluye: quemador de gas natural, cámara de combustión e intercambiador de calor de 3 pasos. Se desarrollan los balances de masa y energía en cada componente y se determinan los coeficientes globales de transferencia de calor para la cámara de combustión e intercambiador de calor a partir de datos experimentales. El modelo se implementa en el software EES y arroja como resultado la evolución temporal de las diferentes temperaturas en el circuito de humos y la temperatura del agua. La validación del modelo se realiza mediante comparación con datos de ensayos en laboratorio. Los resultados presentan un ajuste entre el modelo y la experimentación con error inferior a 5%. El modelo de control de combustión se obtiene linealizando la ecuación diferencial de temperatura de agua en el punto de operación, donde se consiguen las funciones de transferencia de la temperatura del agua en función de la temperatura de los gases y la demanda de vapor, luego las funciones de transferencia de la temperatura de los gases se obtienen por medio del modelo dinámico simulando escalones en el flujo de combustible y exceso de aire. El modelo de control de agua de alimentación se alcanza aplicando directamente transformada de Laplace en el balance de masa. Los sistemas de control modulante diseñados responden correctamente ante perturbaciones y logran mantener las variables controladas en el punto de operación. Finalmente se realiza una comparación entre el sistema de control diseñado y el actual, obteniéndose una mejora en la eficiencia de 4%.
Desarrollo de estrategias de mantenimiento para la gestión de equipos críticos a través de análisis de confiabilidad en la empresa CMPC Pulp planta Santa Fe.
(Universidad de Concepción, 2025) Fuentealba Cisternas, Joaquín Francisco; Canales Cárdenas, Cristian Alexis; Arcaya Chirinos, Félix
La presente memoria de título tiene como objetivo desarrollar una metodología estructurada que permita definir estrategias de mantenimiento para equipos críticos A de Planta Santa Fe que actualmente no cuentan con una estrategia asociada. El trabajo comprende la consideración de impacto económico y productivo, herramientas basadas en análisis de confiabilidad y validación mediante metodología FMECA, acorde tanto a normativa nacional, internacional y estándares internos de planta. Inicialmente, se verifica el análisis de criticidad realizado por la UC&GA de planta, seleccionando equipos de alta criticidad (A) que no presenten plan de mantenimiento asociado. Posteriormente, se analizan las estrategias y directrices de mantenimiento presentes actualmente, detectando brechas y oportunidades de mejora. Con el fin de caracterizar el historial de falla de los equipos seleccionados, se aplica el modelo de Weibull, el cual responde con parámetros como: confiabilidad, tasa de falla, MTBF, MTTR, β y η, lo que permite visualizar y caracterizar las fallas de cada activo. Además, con el fin de priorizar activos de manera mas técnica se consideran análisis de Pareto y Jack Knife. De esta manera, se seleccionan equipos representativos para Planta Santa Fe los cuales son analizados mediante FMECA, lo que permite identificar modo de falla, causa, efecto, severidad, detectabilidad, impacto, entre otros, definiendo así estrategias de mantenimiento basadas en la metodología RCM. Finalmente, se estimaron indicadores clave de desempeño, tales como disponibilidad operativa y tasa de falla, así como también se propuso que, una vez evaluada la metodología por parte de planta, se estimaran la confiabilidad y disponibilidad de los activos en cuestión, lo que permite evaluar la efectividad de la metodología desarrollada. En base a lo anterior, la memoria de título concluye que es posible caracterizar detalladamente el comportamiento de falla por equipo, lo que conlleva directamente a priorizar activos de manera estratégica y definir estrategias de mantenimiento efectivas, lo cual contribuye no tan sólo a una toma de decisiones alineada con lineamientos internos, sino también con la gestión de activos.
Generación de energía y captura de CO2 en plantas térmicas con incorporación de celdas de combustible.
(Universidad de Concepción, 2025) Rosa Ponce, Matías Patricio De la; Blanco Machín, Einara
En el presente informe se estudia la integración de celdas de combustible de carbonato fundido en plantas termoeléctricas, con el objetivo de evaluar su impacto en la eficiencia global del sistema y su potencial en la mitigación de gases de efecto invernadero, particularmente el dióxido de carbono. Se analiza el efecto de diversos parámetros técnicos involucrados en la integración, tales como factores de utilización, condiciones de operación, tipo de combustible de alimentación y su sinergia con tecnologías de captura de carbono. Asimismo, se identifican las principales causas que limitan la vida útil de las celdas en la actualidad. Como alternativa para la modernización de plantas existentes, se propone la instalación de una celda de carbonato fundido a la salida del generador de vapor de recuperación en un ciclo combinado. Adicionalmente, se incorpora una cámara de combustión alimentada con oxígeno puro, con el objetivo de obtener una corriente de gases a la salida de la planta compuesta principalmente por vapor de agua y dióxido de carbono, facilitando así el almacenamiento de carbono. Esta configuración permite una captura de carbono del 79.2%, sin modificar el ciclo térmico original. Además, resultados muestran una reducción de aproximadamente 5 puntos porcentuales en la eficiencia neta respecto al caso base y un consumo de energía para la captura de carbono de 2.1 MJ/ kg de 𝐶𝑂2 capturado. Estos resultados evidencian una competitividad energética superior frente a tecnologías de captura convencionales, las cuales presentan mayores penalizaciones en la eficiencia total de la planta. Finalmente, se llevó a cabo una evaluación económica mediante un enfoque bottom-up para estimar el costo de la electricidad (COE) y el costo de carbono evitado (CCA). La solución propuesta obtuvo como resultados un COE de 63.56 $/MWh y un CCA de 81.59 $/Tonelada de 𝐶𝑂2, posicionando a la celda MCFC como una alternativa tecnológicamente viable y económicamente atractiva, sujeta a mejoras en su grado de madurez y confiabilidad operacional.
Análisis multidimensional de la integración de una celda de combustible SOFC en una planta de generación de energía eléctrica de ciclo combinado.
(Universidad de Concepción, 2025) Roa Brüning, Claudio Andrés; Escalona Inzunza, Andrés René; Cuevas Barraza, Cristian Alberto
Este estudio evalúa la viabilidad técnica, económica y ambiental de integrar una SOFC en el ciclo combinado de una planta real en Chile, utilizando un modelo 0-D para dimensionar la SOFC. Sobre esta base, se diseña un sistema híbrido SOFC-TG-TV de 180 MW netos, que opera a densidades de corriente de potencia máxima de la celda de 2,755 𝐴/𝑐𝑚² (𝐻₂) y 2,673 A/cm² (𝐶𝐻₄). El módulo de SOFC-𝐻₂ desarrolla 67,71 MW (36,33% de aporte), mientras que el de 𝐶𝐻₄ entrega 58,52 MW (32,43%). En cuanto a eficiencia global, se obtuvieron valores de 60,56% y 57,32%, presentando grandes mejoras frente al caso base escogido. Para 2025, el LCOE resulta de 0,218 𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑊ℎ (𝐻₂) y 0,122 𝑈𝑆𝐷/𝑘𝑊ℎ (𝐶𝐻₄), así mismo, el caso 𝐻₂ retorna la inversión en 10 años, mientras que el 𝐶𝐻₄ alcanza un payback en el año 1. Además, un análisis de sensibilidad evidencia mayor estabilidad económica del 𝐶𝐻₄. Desde el punto de vista ambiental, el 𝐻₂ elimina el 100% de las emisiones de 𝐶𝑂₂ y el 𝐶𝐻₄ las reduce en un 55% respecto al ciclo base. De este modo, el caso 𝐻2 del sistema SOFC-TG-TV combina rendimiento técnico y superioridad en términos ambientales, mientras que el caso 𝐶𝐻4 se presenta de forma atractiva en la rentabilidad económica.

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