Modelación y análisis FEM de la unión soldada entre la sección 1 y sección 2 de un descortezador de madera.
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Date
2024
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
El presente proyecto analiza mediante el método de elementos finitos (FEM), la resistencia de una unión soldada entre las secciones 1 y 2 que conforman la virola de un descortezador de tambor utilizado en la industria celulosa. Este equipo es el fundamental en el proceso de preparación de la madera para obtener pulpa celulosa. Debido al principio de funcionamiento del equipo, las paredes de la virola están sometidas a los impactos de los troncos, provocando una carga sobre las paredes de estas al momento del impacto.
La metodología incluyó la creación de un modelo 3D del tambor descortezador utilizando el software Autodesk Inventor. Posteriormente se definieron las condiciones de borde del sistema para ser incorporadas a la simulación mediante elementos finitos en el software ANSYS. Las condiciones de borde aplicadas corresponden a la presión ejercida por los troncos en distintas condiciones de operación y además, el torque generado por el sistema motriz, con el objetivo de determinar los esfuerzos en el cordón de soldadura. Además, se evaluó la vida a la fatiga, considerando la presencia de una ranura que simula una pequeña fisura en el cordón interior de la unión soldada.
Para la evaluación de los resultados de la simulación estática estructural, se utilizó el criterio de falla de Von Mises. En ambas simulaciones, el esfuerzo máximo se presentó en el cordón interior de la unión soldada. En la simulación con un 75% de carga el esfuerzo máximo obtenido fue 21,19 [Mpa], mientras que en la simulación con un 50% de carga se alcanzó un esfuerzo máximo de 19,8[Mpa]. Ambos valores se encuentran por debajo del límite elástico del material de la soldadura AWS A5.20 E71T-1, por lo cual, en base a los resultados obtenidos, se descarta una posible falla bajo este criterio.
El análisis de fatiga permitió evaluar la influencia de la ranura en el cordón de soldadura. Los resultados de la simulación entregaron que, para el caso de la vida útil del material, este podría soportar una cantidad infinita de ciclos de carga, con un factor de seguridad a la fatiga de 8,97. En base a los resultados, se puede descartar que el cordón falle por fatiga bajo las condiciones de cargas utilizadas en las simulaciones.
Se analizó la deformación equivalente de la virola, donde se identificaron deformaciones máximas de 7,88 ∙ 10−5 [mm/mm] considerándose bastante pequeñas para la dimensión de esta, por lo cual se descarta que la deformación de la virola tenga una influencia directa sobre la unión soldada.
Dentro de los resultados obtenidos en la simulación de la unión soldada, se obtuvo información valiosa de la concentración de esfuerzos sobre las paredes del descortezador, donde se identificaron esfuerzos de 43 [Mpa] en las ranuras por donde la corteza salen del equipo, considerando que el límite elástico del material de la virola es menor que el de la unión soldada, podrían fallar primero la ranuras que el cordón, por lo cual, sería de gran importancia realizar un análisis enfocado en las paredes de la virola, considerando la carga de los troncos como fuerzas de impacto en vez de una presión distribuida.
ruptura de la fuente, las condiciones reológicas y las propiedades de atenuación del terreno para reducir las incertidumbres en las evaluaciones de amenaza sísmica. El estudio muestra reducciones en los valores de la desviación estándar de los residuales intra-eventos: hasta un 10.23% en distancias cortas entre fuente-sitio (rupture-to-station), primeros ~30 a 70 km, y hasta un 53.9% en el rango de 2 a 100 Hz. Además, se observó una disminución del 50% en valores de diseño para un periodo de retorno de T = 475 años, al comparar las curvas de amenaza sísmica de datos PBSs y ergódicos. La validación del modelo híbrido aplicado al terremoto de Iquique resalta los parámetros críticos que deben considerarse para predicciones más confiables y con menor incertidumbre en futuros terremotos.
This project analyzes by means of the finite element method (FEM), the strength of a welded joint between sections 1 and 2 that make up the ferrule of a drum debarker used in the cellulose industry. This equipment is fundamental in the process of wood preparation to obtain cellulose pulp. Due to the principle of operation of the equipment, the walls of the shell are subjected to the impacts of the logs, causing a load on the walls of these at the time of impact. The methodology included the creation of a 3D model of the drum debarking using Autodesk Inventor software. Subsequently, the boundary conditions of the system were defined to be incorporated into the simulation using finite elements in ANSY software. The boundary conditions applied correspond to the pressure exerted by the logs under different operating conditions and in addition, the torque generated by the drive system, in order to determine the stresses in the weld seam. In addition, the fatigue life was evaluated, considering the presence of a groove that simulates a small crack in the inner seam of the welded joint. For the evaluation of the static structural simulation results, the Von Mises failure criterion was used. In the simulation with 75% load the maximum stress obtained was 21.19 [Mpa], while in the simulation with 50% load a maximum stress of 19.8 [Mpa] was reached. Both values are below the elastic limit of the AWS A5.20 E71T-1 weld material, so, based on the results obtained, a possible failure under this criterion is ruled out. The fatigue analysis allowed to evaluate the influence of the groove in the weld bead. The results of the simulation showed that, for the case of material life, the material could withstand an infinite number of load cycles, with a fatigue safety factor of 8.97. Based on the results, fatigue failure of the bead under the loading conditions used in the simulations can be ruled out. The equivalent deformation of the ferrule was analyzed, where maximum deformations of 7,88 ∙ 10−5 [mm/mm] were identified, being considered quite small for the dimension of the ferrule, so it is ruled out that the deformation of the ferrule has a direct influence on the welded joint. On the other hand, from the simulation of the welded joint, valuable information was obtained on the stress concentration on the debarker walls, where stresses of 43 [Mpa] were identified in the grooves where the bark exits the equipment, considering that the elastic limit of the ferrule material is lower than that of the welded joint, it would be of great importance to perform an analysis focused on the walls of the ferrule, considering the load of the logs as impact forces instead of a distributed pressure.
This project analyzes by means of the finite element method (FEM), the strength of a welded joint between sections 1 and 2 that make up the ferrule of a drum debarker used in the cellulose industry. This equipment is fundamental in the process of wood preparation to obtain cellulose pulp. Due to the principle of operation of the equipment, the walls of the shell are subjected to the impacts of the logs, causing a load on the walls of these at the time of impact. The methodology included the creation of a 3D model of the drum debarking using Autodesk Inventor software. Subsequently, the boundary conditions of the system were defined to be incorporated into the simulation using finite elements in ANSY software. The boundary conditions applied correspond to the pressure exerted by the logs under different operating conditions and in addition, the torque generated by the drive system, in order to determine the stresses in the weld seam. In addition, the fatigue life was evaluated, considering the presence of a groove that simulates a small crack in the inner seam of the welded joint. For the evaluation of the static structural simulation results, the Von Mises failure criterion was used. In the simulation with 75% load the maximum stress obtained was 21.19 [Mpa], while in the simulation with 50% load a maximum stress of 19.8 [Mpa] was reached. Both values are below the elastic limit of the AWS A5.20 E71T-1 weld material, so, based on the results obtained, a possible failure under this criterion is ruled out. The fatigue analysis allowed to evaluate the influence of the groove in the weld bead. The results of the simulation showed that, for the case of material life, the material could withstand an infinite number of load cycles, with a fatigue safety factor of 8.97. Based on the results, fatigue failure of the bead under the loading conditions used in the simulations can be ruled out. The equivalent deformation of the ferrule was analyzed, where maximum deformations of 7,88 ∙ 10−5 [mm/mm] were identified, being considered quite small for the dimension of the ferrule, so it is ruled out that the deformation of the ferrule has a direct influence on the welded joint. On the other hand, from the simulation of the welded joint, valuable information was obtained on the stress concentration on the debarker walls, where stresses of 43 [Mpa] were identified in the grooves where the bark exits the equipment, considering that the elastic limit of the ferrule material is lower than that of the welded joint, it would be of great importance to perform an analysis focused on the walls of the ferrule, considering the load of the logs as impact forces instead of a distributed pressure.
Description
Tesis presentada para optar al título de Ingeniero Civil Mecánica
Keywords
Método de elementos finitos, Análisis estructural (Ingeniería), Simulación por computadores