Ingeniería inversa de una simulación en
software CAD de los alerones de una turbina.
Camilo Gonzalez Bolivar.
Universidad Tecnológica de Pereira, Ingeniería de Manufactura, facultad de tecnologías.
Introducción
En este artículo se harán comparaciones en los resultados de un artículo en donde se
realiza simulación numérica del impulsor centrífugo con el método de elementos
finitos basado en el software de análisis de elementos finitos ANSYS Workbench. Se
analiza la distribución de tensión equivalente del impulsor, causada por la carga
centrífuga, el efecto de acoplamiento de la carga centrífuga y la carga aerodinámica.
Con base en la teoría del transporte de componentes fluidos, se analiza la distribución
del campo de flujo dentro del impulsor y se discute la influencia de la distribución de
tensiones. Diseño y validación de un impulsor que gira con varias RPM, como 1050
RPM, 1250 RPM, 1450 RPM. El procesamiento de ost muestra los resultados de
tensión y deformación en cada nodo, que se analiza para verificar si los resultados
están en el límite seguro o no.
En el presente trabajo también se encuentran conceptos importantes a la hora de
hacer una simulación de este tipo en un análisis estructural ya que existen variables
dinámicas en ella.
Abstract.
In this article, comparisons will be made in the results of an article where the
numerical simulation of the centrifugal impeller is carried out with the finite element
method based on the ANSYS Workbench finite element analysis software. The
equivalent stress distribution of the impeller, caused by the centrifugal load, the
clogging effect of the centrifugal load and the aerodynamic load, are analyzed. Based
on the theory of fluid component transport, the flow field distribution inside the impeller
is analyzed and the influence of stress distribution is discussed. Design and validation
of an impeller that rotates with various RPM, such as 1050 RPM, 1250 RPM, 1450
RPM. The most processing displays the stress and strain results at each node, which
is analyzed to check whether the results are in the safe limit or not.
In the present work there are also important concepts when doing a simulation of
this type in a structural analysis since there are dynamic variables in it.
Procedimiento.
Como se mencionó anteriormente se hará una comparación de una simulación
entonces para simplificar se le establece (S1) para la simulación a la que se le realiza
la comparación y (SR) para la nueva simulación en la cual se establecen tres
simulaciones con distintas velocidades y además tres variables distintas en las
presiones aplicadas.
Aspectos a considerar:
● La simulación no especificó el material por ende se trabajó con un acero
estructural lineal.
● La geometría no posee al 100% las mismas dimensiones.
● El mallado no fue posible realizarse de manera hexagonal sin embargo se utilizó
un mallado tetragonal.
Mallado.
El mallado establecido en la comparación y el mallado en el nuevo análisis es:
Tabla 1. Estadísticas de S1.
Tabla 2. Estadísticas de SR.
Se puede apreciar que el mallado tiene casi las mismas cantidades de nodos, sin
embargo la cantidad de elementos varía ya que en el análisis SR se usó un mallado en
forma de tetraedros, esto para dejar un mejor mallado en las zonas donde se estudiaran
los esfuerzo y deformaciones, en este caso los alerones.
Fig 1. Mallado y diseño del alerón de la simulación S1.
Fig 2. Mallado y diseño del alerón de la simulación SR.
En comparación de los diseños se hace simplemente a vista ya que el diseño de S1
no posee dimensiones sin embargo en la escala se muestra que aproximadamente
tiene 200 mm de diámetro, y además posee el mismo número de alerones, sin
embargo hay diferencias en las dimensiones.
Luego de tener definido el diseño y el mallado se establecen los mismos parámetros
de presión y desplazamientos remotos en el sistema.
Pressure on other side 6,66*10-2
Fig 3. Presiones establecidas por S1.
Fig 4. Presiones establecidas por SR.
Para que la simulación SR sea igual a la (S1) debe tener las mismas presiones en las
zonas definidas, sin embargo estas superficies pueden variar debido a que no tienen
las mismas dimensiones en esas zonas, también las posiciones de los alerones
varían un poco y en consecuencia puede mostrar cambios en los resultados de esas
zonas.
Fig 5. Apoyos tanto para S1 como para (SR).
Como mencionamos anteriormente en este caso es un análisis dinámico pero
adaptado a un análisis estructural,por ello es que se hace un apoyo con
desplazamiento remoto solo libre de giro en el eje x como se puede apreciar en la
figura 5.el desplazamiento remoto B es para poder realizar la simulación de otro modo
no es posible en un análisis estructural.
En la figura 5 se muestra como A y B son apoyos que conservan el mismo grado de
libertad sin embargo no son el mismo cuerpo, para el análisis se considera que el
alerón completo gira en el eje.
Resultados.
Como se puede observar en las figuras 6 y 7 en donde están las deformaciones
máximas y los esfuerzos máximos correspondientes al análisis con la velocidad
de 1050 RPM y comparando esos resultados con los obtenidos en SR se
establece lo siguiente:
Fig 6 . Deformación de la prueba con 1050 RPM de la simulación (S1).
Figura 7. Deformación de la simulación SR con 1050 RPM.
Fig 8. Esfuerzo en la simulación SR con 1050 RPM.
Fig 9. Esfuerzo de la simulación S1 a 1050 RPM.
Fig 10. Esfuerzo en la simulación S1 a 1250 RPM.
Fig 11 . Esfuerzo en la simulación SR a 1250 RPM.
Fig 12. Esfuerzo para 1450 RPM.
Fig 13. Esfuerzo en la simulación S1 a 1450 RPM.
a. En las deformaciones presenta la misma en la zona en donde ocurre la máxima
deformación en la simulación S1, sin embargo la de SR muestra otras deformaciones
mayores en otras zonas, esto es debido a que no se define claramente si en la geometría
la turbina gira en en eje o el eje está fijo.
b. La deformación máxima en se puede deber a que el software determina el
desplazamiento en el tiempo de la simulación y no plenamente a deformaciones como
tal.
c. Los esfuerzos si son similares en las zonas de la simulación S1, no obstante existieron
otros esfuerzos mayores en la simulación SR.
d. Es más recomendable hacer este tipo de simulaciones con variables dinámicas en un
análisis estructural dinámico, sin embargo el consumo computacional es mucho mayor.
e. Al variar el tiempo de simulación no variaron los resultados.
f. Al variar el número de pasos tampoco influyó en los resultados, probablemente al tratarse
de un análisis dinámico en un Solver de análisis estructural estático.
g. Las restricciones de movimiento son más complejas cuando se trabaja con velocidades
angulares.
h. Posiblemente las variaciones se deban a el mallado ya que con un mallado tetragonal
existirán mayo cantidad de elementos.
i. El esfuerzo para SR en la zona del eje puede deberse a daño por fricción.
j. Hicieron falta parámetros definidos en el documento a comparar los cuales son cruciales
para que las simulaciones sean más similares, sin embargo existieron congruencias en
los resultados en los cuales se estudiaron en la simulación S1.
k. Para realizar una simulación y comparar a lo que es realmente se deben considerar
muchas más variables como lo son una mejor geometría por ejemplo en la zona donde
se encuentra el eje, el uso de rodamientos o bridas ayudan a que el desgaste en esa
zona se reduzca, de esta maneja mejorar ese diseño, también se puede considerar que
la turbina con esos esfuerzos y a las tres velocidades pueden soportar sin dañarlas, sin
embargo esto solo si se trabaja realmente con estos parámetros en la vida real, no
obstante es importante mencionar que no se puede decir que este elemento soporte
otros escenarios en donde pueda existir desgaste o fracturas como lo es por ejemplo la
erosión la cual es grave en estos sistemas, más que la presión a la cual va a impulsar.
Bibliografía.
Documento comparado:
https://pdfslide.net/documents/stress-analysis-of-impeller-using-ansys-simulation.html