UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE BANCO DE PRUEBA DE IMPACTO PARA ELEMENTOS FABRICADOS CON METAL EXPANDIDO

POR IOLESKA ANDREINA NIÑO MORENO

SARTENEJAS, ENERO DE 2013

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE BANCO DE PRUEBA DE IMPACTO PARA ELEMENTOS FABRICADOS CON METAL EXPANDIDO

POR IOLESKA ANDREINA NIÑO MORENO

REALIZADO CON LA ASESORIA DE: PROF. CARLOS GRACIANO, PhD

PROYECTO DE GRADO PRESENTADO A LA ILUSTRE UNIVERSIDAD SIMON BOLIVAR COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO MECANICO

SARTENEJAS, ENERO DE 2013

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA

DISEÑO DE BANCO DE PRUEBA DE IMPACTO PARA ELEMENTOS FABRICADOS CON METAL EXPANDIDO PROYECTO DE GRADO presentado por: Ioleska Andreina Niño Moreno

REALIZADO CON LA ASESORIA DE Carlos Graciano, PhD RESUMEN En la creación de un diseño o proyecto es importante aplicar métodos que faciliten la elaboración y selección del modelo óptimo que ayude a solventar problemas, sin limitar la creatividad y versatilidad que pueda surgir en el proyecto. En esta investigación se busca elaborar un diseño conceptual de un banco de prueba para realizar ensayos de impacto a probetas fabricadas con metal expandido. Se espera que esta propuesta genere aportes al desarrollo de investigaciones experimentales del metal expandido. Se define banco de pruebas como una plataforma experimental donde se desarrollan proyectos de gran impulso mecánico y/o tecnológico. Los bancos de pruebas proponen una forma de demostración rigurosa, transparente y repetible de teorías científicas con elementos computacionales, y otras tecnologías. El banco de prueba presentado en esta investigación está elaborado con perfiles comerciales de acero estructural y piezas solidas del mismo material. El banco de prueba está conformado por piezas unidas con soldadura y tornillos. Este proyecto surge por la necesidad de cuantificar experimentalmente la capacidad de absorción de energía del metal expandido, cuando está expuesto a solicitaciones dinámicas de corta duración e intensidad elevada. La metodología utilizada plantea el siguiente orden de desarrollo: la búsqueda de información existente relacionada con la solución del problema, los planteamientos de ideas que no limite la creatividad, los filtros para seleccionar la propuesta más conveniente según los diferentes valores que se consideren en el banco de prueba, elaboración de los detalles de la propuesta seleccionada, manual de operación, planos mecánicos del diseño y la validación del diseño a través de ANSYS Workbench Mechanical (2010). PALABRA CLAVE: Diseño, banco de prueba, metal expandido, impacto.

DEDICATORIA

Este proyecto de grado está dedicado a mi madre Gueiska Moreno y a mi hermana Alejandra Niño por apoyarme y creer en mí a lo largo de mi vida.

Índice General Pág. INTRODUCCIÓN.

1

CAPÍTULO 1. ANTECEDENTES.

3

CAPÍTULO 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.

14

2.1. Planteamiento del Problema y Justificación.

14

2.2. Objetivos de la Investigación.

14

2.2.1. Objetivos Generales.

14

2.2.2. Objetivos Específicos.

14

CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO. 3.1. Banco de prueba.

16 16

3.2. Metal Expandido.

16

3.3. Metodología de diseño a utilizar.

17

3.4. Análisis Estructural.

18

3.5. Carga de Impacto Equivalente.

18

CAPÍTULO 4. METODOLOGÍA.

21

4.1. Formulación de ideas.

21

4.1.1. Modelo 1. Banco de Prueba.

21

4.1.2. Modelo 2. Banco de Prueba.

24

4.1.3. Modelo 3. Banco de Prueba.

26

4.1.4. Modelo 4. Banco de Prueba.

28

4.1.5. Modelo 5. Banco de Prueba.

31

4.1.6. Selección de propuesta final.

33

CAPÍTULO 5. PROPUESTA FINAL DEL DISEÑO . 5.1. Diseño de detalle del banco de prueba modelo 5. i

34 34

5.1.1. Fase 1: Diseño de detalle del banco de prueba.

34

5.1.2. Fase 2: Diseño de detalle del banco de prueba.

36

5.1.3. Fase 3: Diseño de detalle del banco de prueba.

38

5.1.4. Fase 4: Diseño de detalle del banco de prueba.

39

5.1.5. Fase 5: Diseño de detalle del banco de prueba.

40

CAPÍTULO 6. CÁLCULOS Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL.

45

6.1. Validación del modelo en elemento finito.

47

6.2. Análisis de ANSYS Workbench.

47

CAPITULO 7. INSTRUMENTACIÓN Y OPERACIÓN DEL BANCO. 7.1. Instrumentación.

57 57

7.1.1. Composición de la instrumentación. 7.2. Manual de operaciones.

57 61

7.2.1. Utilidad del Manual de Operaciones.

61

7.2.2. Procedimiento de las Operaciones.

62

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

68

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

70

APÉNDICE.

72

ii

Índice de Tablas Pág. Tabla 1.1. Resultados de las fuerzas máximas para las orientaciones de 0˚ y 90˚ del material 1 y material 2.

4

Tabla 1.2. Resultado de la fuerza máxima según las dimensiones de las venas del metal expandido.

4

Tabla 4.1. Estudio de la factibilidad del modelo 1.

24

Tabla 4.2. Estudio de la factibilidad del modelo 2.

26

Tabla 4.3. Estudio de la factibilidad del modelo 3.

28

Tabla 4.4. Estudio de la factibilidad del modelo 4.

30

Tabla 4.5. Estudio de la factibilidad del modelo 5.

32

Tabla 4.6. Cuadro Comparativo de los 5 Modelos.

33

Tabla 7.1. Descripción de las características del Banco de Prueba.

61

iii

Índice de Figuras Pág. Figura 1.1. Ensamblaje del ensayo con el Modelo I de Crush Zone.

5

Figura 1.2. Banco de Prueba utilizado por Abramowicz y Jones (1984).

6

Figura 1.3. Probeta utilizada en el ensayo. (a) Probeta grande y (b) Probeta pequeña. Fuente: Jensen (2004).

7

Figura 1.4. (a) Esquema de la ubicación de los componentes de las pruebas dinámicas. (b) celdas de carga (c) base de la probeta. Fuente: Jensen (2004).

7

Figura 1.5. Banco de Prueba. Fuente: Jensen (2004).

8

Figura 1.6. Modelo de la probeta utilizada en el ensayo. Fuente: Teramoto (2004).

9

Figura 1.7. Banco de prueba Drop Hammer utilizado en los ensayos experimentales.

9

Figura 1.8. Banco de prueba utilizado en los ensayos.

10

Figura 1.9. Configuración de la corredera de un portón de estacionamiento.

11

Figura 1.10. Configuraciones mecánicas de la grúas Abus.

11

Figura 1.11. Banco de prueba de impacto para chasis de bicicletas de Santa Cruz Bikes.

12

Figura 1.12. Banco de prueba de impacto, tipo péndulo de la Universidad Simón Bolívar.

13

Figura 3.1. Posición del rombo respecto al ángulo.

17

Figura 3.2. Modelo de viga sometida a cargas de dinámicas.

18

Figura 4.1. Banco de Prueba. Modelo 1.

23

Figura 4.2. Banco de Prueba Modelo 2.

25 iv

Figura 4.3. Banco de Prueba propuesto en el Modelo 3.

27

Figura 4.4. Banco de Prueba de impacto de la Universidad Simón Bolívar.

29

Figura 4.5. Propuesta de modificación del Banco de Prueba de impacto de la Universidad Simón Bolívar.

30

Figura. 4.6. Diseño del Banco de Prueba del Modelo 5.

31

Figura. 5.1. Diseño del primer modelo del móvil.

34

Figura. 5.2. Diagrama del móvil sometido a flexión.

35

Figura. 5.3. Fuerzas influyentes al momento de desplazar el móvil por los rieles.

35

Figura 5.4. Configuración propuesta de móvil con ocho ruedas con sus rieles.

36

Figura 5.5. Diseño del modelo del móvil en la fase 2.

36

Figura 5.6 Configuración propuesta de móvil y rieles.

37

Figura 5.7 Dirección de la flexión aplicada en el diseño del móvil con los rieles.

37

Figura 5.8 Descripción de las partes del móvil de la fase 3 .

38

Figura 5.9. Configuración mecánica de móvil y rieles de la fase 3.

38

Figura 5.10 Vista de planta del ensamblaje rieles – móvil de la fase 4.

39

Figura. 5.11 Descripción de la ubicación del perno en el banco de la fase 4.

40

Figura 5.12. (a) Móvil 1 y (b) Móvil 2.

41

Figura. 5.13 Vista de planta de la configuración de los rieles.

42

Figura. 5.14. Vista de planta de la configuración mecánica de los rieles – móvil.

42

Figura. 5.15. Sistema de la base y ajustador de la probeta.

43

Figura. 5.16 Base metálica sujetadora de la probeta.

43

v

Figura 5.17 Ensamblaje total del banco de prueba.

44

Figura 6.1. Configuración del perfil rectangular.

46

Figura 6.2 Geometría del móvil simplificado para el análisis con el MEF.

48

Figura 6.3. Geometría con las reacciones y cargas.

48

Figura 6.4. Proceso de validación de la malla.

49

Figura 6.5. Geometría discretizadas.

50

Figura 6.6. Comportamiento general del Móvil.

50

Figura 6.7. Comportamiento general de la Lámina 1.

51

Figura 6.8. Comportamiento general de la Lámina 2.

52

Figura 6.9. Detalle de la zona de falla de la Lámina 2.

52

Figura 6.10. Comportamiento general de la Lámina 3.

53

Figura 6.11. Detalle de la zona de falla de la Lámina 3.

53

Figura 6.12. Triángulo superior.

54

Figura 6.13. Triángulo inferior.

54

Figura 6.14. Perfil rectangular corto .

55

Figura 6.15. Detalle del Perfil rectangular corto.

56

Figura 6.16. Comportamiento general del perfil Rectangular largo.

56

Figura 7.1. Bloque de Aplicaciones Operacionales de la Instrumentación.

59

Figura 7.2. Ubicación de los sensores en el banco .

60

Figura 7.3. Partes del Móvil 1 para su ensamblaje.

63

Figura 7.4. Ubicación de muestreo de los sensores en el Banco de Prueba.

63

Figura 7.5. Proceso de realización del ensayo Parte 1.

65

Figura 7.6. Proceso de realización del ensayo Parte 2.

66

Figura 7.7. Proceso de realización del ensayo Parte 3.

67

vi

Introducción

Desde hace muchos años el hombre ha creado instrumentos para cuantificar los fenómenos físicos que existen en la naturaleza, es el caso de las fuerzas, la energía, la velocidad, la temperatura, entre otros. Estas herramientas se han formado para darle una explicación exhaustiva a dichos fenómenos y para que el ser humano se favorezca de los descubrimientos que en la historia se han realizado. En esta búsqueda han surgido diseños de dispositivos que producen hallazgos para cuantificar, estudiar y utilizar dichos fenómenos, éste es el caso de los bancos de pruebas. Donde mayormente se utiliza como una plataforma de comprobación de proyectos de gran desarrollo. Los bancos de pruebas brindan una forma de explicación rigurosa, clara y repetible de teorías científicas, usando elementos de ingeniería moderna y de elementos computacionales generando nuevas tecnologías y nuevos descubrimientos. En esta investigación se propone elaborar un diseño conceptual de un banco de prueba para realizar ensayos de impacto a probetas fabricadas con metal expandido. Se espera que esta propuesta genere aportes al desarrollo de investigaciones experimentales del metal expandido. El banco de prueba presentado en esta investigación se propone elaborar con perfiles comerciales de acero estructural y piezas sólidas del mismo material. El banco de prueba está conformado por piezas unidas con soldadura y tornillos. Para la selección del diseño del banco de pruebas fue necesaria la estrategia propuesta por Milani (1997), donde propone un proceso interactivo que se inicia luego de plantear los requerimientos del diseño, como un proceso realimentado entre una etapa de generación de una solución o síntesis y uno de comparación o análisis. El proceso de validación del diseño se realizó con una simulación estática con elementos finitos al móvil del banco de prueba sometido a flexión. El móvil se simuló empotrado y sujeto a fuerzas de cargas, cuyas condiciones de bordes para el análisis fueron tomadas de cálculos previos realizados con una teoría de falla. Los resultados obtenidos en los cálculos de la fuerza dinámica, se compararon con los datos de carga máxima arrojados en simulaciones previas con métodos numéricos a probetas de metal expandido a 0˚. Estos datos se obtuvieron del trabajo realizado por Saavedra (2010), donde se estudió el comportamiento de las probetas de metal 1

expandido sometidas a cargas de impactos. Con las simulaciones realizadas al móvil se busca predecir que el diseño del banco de prueba resistirá las cargas a flexión para el tipo de probeta del cual está diseñado. En la investigación se elaboraron los planos mecánicos para la fabricación del banco de prueba. Se tomó en cuenta el protocolo de funcionamiento. Se elaboro el presupuesto detallado de todas las partes del banco para verificar el costo real del mismo y finalmente se hizo el diseño conceptual del banco de prueba.

2

CAPITULO 1 ANTECEDENTES

En este apartado se hace mención a los trabajos de grado, revisiones de la literatura, configuraciones mecánicas cotidianas, patentes, entre otras informaciones, que ayudaron al desarrollo del diseño del banco de prueba. Haciendo énfasis en los parámetros de altura, dimensiones y formas de la probeta, masa de impacto, velocidad de impacto, en que los autores realizaron sus ensayos referidos a los bancos.

1.1. Trabajos de grado Saavedra (2010), realizó un estudio donde analiza la capacidad de absorción de la energía con probetas cilíndricas fabricadas con metal expandido sometidas a cargas de impacto utilizando el método de elemento finito. En las simulaciones Saavedra (2010) utiliza una probeta con 400mm de longitud, una masa de impacto de 20kg y una velocidad de impacto de 15m/s para evaluar tres tipos de análisis: el primero de ellos se basa en la influencia de la orientación de los rombos con orientaciones de 0˚ y 90˚ para dos tipos de materiales. Donde se comprobó que la variación de la orientación de las celdas modifica la respuesta dinámica de las probetas Los valores de cargas de impacto máxima obtenido por Saavedra (2010) para las probetas de metal expandido serán tomados en cuenta como los valores máximos que soportará el banco de prueba. A continuación se muestra una Tabla 1.1 con los resultados de cargas máximas de las probetas de 0˚ y 90˚.

3

Tabla 1.1. Resultados de las fuerzas máximas para las orientaciones de 0˚ y 90˚ del material 1 y material 2.

Orientación

Material 1 2 1 2

α= 0˚ α= 90 ˚

Fmáx [kN] 1.96 2.69 34.41 43.29

Fuente: Saavedra (2010)

En la segunda configuración estudiada por Saavedra (2010) evalúa la influencia de las dimensiones de las venas para tres modelos de metal expandido H-24, H-26 y H-27A para la orientación de los rombos a 0˚ y 90˚. Los resultados de Saavedra (2010) demostraron que la variación de las dimensiones de las venas incide en la energía absorbida por la probeta y que el aumento de la resistencia de las probetas al impacto se debe el incremento de la sección transversal de las venas y por ende el aumento de la inercia del mismo, como se muestra en la Tabla 1.2. Tabla 1.2. Resultado de la fuerza máxima según las dimensiones de las venas del metal expandido.

Orientación α= 0˚

α= 90˚

Modelo H-24 H-26 H-27A H-24 H-26 H-27A

Fmáx [kN] 1.8 2.29 19.14 20.73 43.29 145.29

Fuente: Saavedra (2010)

Finalmente, Saavedra (2010) evalúa la influencia de la velocidad de la carga de impacto en las probetas de metal expandido con las configuraciones de 0˚ y 90˚. Para este estudio se utilizó el modelo de malla H-26 y se aplicó a los dos materiales propuestos en la metodología. Con el estudio de las influencias de las velocidades en las probetas de metal expandido, Saavedra (2010) observó tres características relevantes que cabe destacar: la primera de ellas se debe al incremento de la presencia de efectos dinámicos a medida que se aumenta la velocidad de 4

impacto. En segundo lugar se encuentra la transición de velocidades bajas a altas que sucede al superar 35m/s. Finalmente, para la probeta de 0˚grados Saavedra (2010) se observó que la propagación de energía de impacto ha sido disipada por la probeta antes de que la reacción en el extremo fijo sea inducida Escalona (2005), estudió el comportamiento experimental de una estructura trapezoidal llamado Crush Zone, elaborado con metal expandido y de esquinas sólidas que es utilizada en vehículos tipo fórmula para la absorción de energía de impacto a baja velocidad. En su trabajo evalúa el comportamiento del tipo de material, espesor, longitud de la celda, orientación y geometría con respecto a la energía absorbida por la probeta. Para efectuar los ensayos estáticos Escalona (2005) realizó unas modificaciones del banco de prueba presentado en la figura 1.1 para ensayos mecánicos en la zona de sujeción de la probeta. Dicha modificación se basó en la colocación de una placa base para conectar al embolo móvil de la máquina de ensayos mecánicos. Esta base se encarga de centrar el modelo a ensayar con respecto al eje del cabezal móvil. Para fijar la estructura, se colocaron siete perfiles L para restringirle el movimiento de la parte posterior de la zona de impacto. Estos perfiles se apernaron a la placa base.

Figura 1.1. Ensamblaje del ensayo con el Modelo I de Crush Zone. Fuente: Escalona (2005)

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Como la cara frontal del modelo 1 de Crush Zone es excéntrica, se necesita un sistema de sujeción que permitiera aplicar carga fuera de la dirección convencional del ensayo. Dentro de las piezas de la máquina se encontraba un perfil I con el agarre para el cabezal fijo. Este perfil permitía aplicar la carga excéntrica al eje del cabezal. Para aplicar la fuerza en la cara frontal se diseñó un agarre con una corredera, de manera de utilizar esta sujeción para todos los modelos.

1.2. Revisión de la literatura En este apartado se enfocará el análisis de las estructuras de los bancos de pruebas utilizados para los ensayos experimentales de los autores que se presenta a continuación, así como los parámetros utilizados de cada ensayo y las características de la probeta. Abramowicz y Jones (1984), realizan el estudio y comparación de probetas de acero con forma cilíndricas tipo cáscara, sometidas a cargas axiales de tipo estática y dinámica. En esta publicación se realizaron pruebas a veintitrés probetas de 28mm de diámetro y de longitud variada. Para dichas pruebas se utilizó como banco de prueba The drop hammer rig, como se muestra en la Figura 1.2. El procedimiento para realizar el ensayo es colocar la masa de impacto deseada, elevar el punzador a la altura permitida por el banco de prueba, colocar la probeta a ensayar y soltar la masa de impacto para realizar el ensayo.

Figura 1.2. Banco de Prueba utilizado por Abramowicz y Jones (1984)

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Este equipo tiene una masa de impacto variable hasta 75kg. Para realizar los ensayos dinámicos se utilizaron masas de 73.6kg y 26.6kg para el impacto, respectivamente las velocidades de impacto fueron de 5.5m/s a 10.37 m/s, las energías de impacto registradas variaban de 38.3 a 50 kJ.

Jensen (2004), realiza un estudio cuasi-estático y dinámico del comportamiento de probetas de aluminio. En este estudio se evaluó la transición entre el pandeo progresivo y global cuando la probeta está sometida a cargas axiales. Para este estudio se evaluaron dos tamaños de probetas mostradas en la Figura 1.3

Figura 1.3. Probeta utilizada en el ensayo. (a) Probeta grande y (b) Probeta pequeña Fuente: Jensen (2004).

El espesor de las probetas varía de 2.0mm a 4.5mm, con una longitud que va desde 638mm hasta 1920mm, la velocidad y masa de impacto utilizada es de 13m/s con 1400kg y 20m/s con 600kg, respectivamente. La energía de impacto es 120kJ. En la Figura 1.4, se encuentra el esquema de ubicación de los componentes del banco de prueba para la ubicación de la probeta.

Figura 1.4. (a) Esquema de la ubicación de los componentes de las pruebas dinámicas. (b) celdas de carga (c) base de la probeta. Fuente: Jensen (2004)

7

Para realizar los ensayos experimentales se utilizó como banco de prueba un péndulo acelerador. El sistema de operación consiste en un brazo que gira alrededor de una articulación. El brazo es libre de rodar en un solo plano como se observa en la Figura 1.5 y se encuentra abierto como un cigüeñal en el extremo del cojinete. Este brazo está auto sujetado a un sistema hidroneumático, cuya función es aplicar la fuerza al brazo para realizar el movimiento del “trolley”.

Figura 1.5. Banco de Prueba. Fuente: Jensen (2004)

El sistema acelera al trolley hasta la velocidad de impacto deseada. El trolley recorre los rieles e impacta la probeta hasta llegar al final del carril. La velocidad de impacto del trolley se mide con un sistema de celdas fotoeléctricas que se encuentran ubicadas directamente en el frente de la probeta. El banco de prueba tiene instalado un sistema secundario para absorber la energía y prevenir que al momento del impacto la probeta no tenga la capacidad de absorber toda la energía cinética del impacto y toque el fondo. El trolley tiene unas placas rígidas de amortiguamiento en ambos lados de la celda de carga. Estas placas rígidas colapsan con las piezas fijadas en la pared de reacción, de esta forma aseguran la integridad de la celda de carga.

8

Teramoto y Alves (2004), evalúa la conversión entre pandeo global y pandeo progresivo para probetas de aluminio tipo concha con tres distintas secciones transversales cuadradas, como se muestra en la Figura 1.6.

Figura 1.6. Modelo de la probeta utilizada en el ensayo. Fuente: Teramoto y Alves (2004).

Las condiciones del ensayo dependen de la longitud de la probeta. Para L=250mm, la masa de impacto es igual a 22kg y la velocidad de impacto es 8.3m/s. Para L=500mm la masa de impacto se varió de 22kg a 118kg y la velocidad de impacto es 11.7m/s. A pesar que los ensayos realizados en esta publicación fueron quasi-estáticos, se consideró interesante el modelo Drop Hammer utilizado para realizar los ensayos experimentales, porque la estructura es robusta y aprovecha la fuerza de gravedad para desplazar la masa de impacto (Figura 1.7).

Figura 1.7. Banco de prueba Drop Hammer utilizado en los ensayos experimentales. Fuente: Teramoto y Alves (2004).

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Nia y Hamedani (2010), realiza un estudio experimental y numérico sobre la capacidad de deformación y absorción de energía en tubos de pared delgada compuesto de aleaciones de aluminio con secciones transversales con forma: circular, cuadrada, rectangular, hexagonal, triangular, piramidal y cónica. Los ensayos experimentales fueron realizados con una carga quasi-estática axial en la probeta. El banco de prueba utilizado para los ensayos fue el Instron 8503, como se puede ver en la Figura 1.8.

Figura 1.8. Banco de prueba utilizado en los ensayos. Fuente: Nia y Hamedani (2010).

1.3. Configuraciones mecánicas cotidianas En este apartado se describe a algunas configuraciones mecánicas que se encuentran en la cotidianidad y ayudaron al desarrollo del diseño del banco de prueba.

1.3.1. La corredera de un portón de estacionamiento: La siguiente imagen fue tomada de un portón de estacionamiento. Aquí se tomó como referencia para evaluar su estructura y ensamblaje del movimiento de una corredera. Se puede visualizar en la imagen presentada que en este diseño se utilizó una viga doble T como rieles. La reja está unida a los rieles mediante un sistema de corredera que ayudan al movimiento. El

10

sistema de corredera cuenta con cuatro ruedas pequeñas que se apoyan en los lados de la viga doble T para realizar su movimiento horizontal, como se puede ver en la Figura 1.9.

Figura 1.9. Configuración de la corredera de un portón de estacionamiento

1.3.2. Grúas: En la figura 1.10 se observa la configuración mecánica. En esta representación se refleja el uso de vigas doble T como rieles para el desplazamiento de las grúas de techo. El diseño de la corredera en grúa es similar al diseño de la corredera en el portón de estacionamiento en cuanto a la posición de las ruedas. Esta grúa tiene la capacidad de levantar hasta 120 toneladas y son utilizadas para el transporte de cargas pesadas hasta 40 metros de distancia.

Figura 1.10. Configuraciones mecánicas de la grúas Abus Fuente:: http://www.occidente-elevacion.com.

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1.3.3. Banco de prueba de impacto en bicicletas: Un grupo de ingenieros fabricantes de bicicletas, Santa Cruz Bicycle, participaron en un reportaje hecho por la revista electrónica Pinbike. En el reportaje se narra una investigación realizada por la compañía sobre la resistencia de los chasis de carbono y los chasis de aluminio. Para evaluar dichos comportamientos la compañía cuenta con un banco de prueba de impacto para chasis de bicicletas, como se puede observar en la Figura 1.11. Este banco consta de un móvil que contiene discos de pesas de gimnasio como masa de impacto y se desplaza de manera vertical a lo largo de unos rieles que están sujetados a un tronco. El chasis de bicicleta usado como probeta está sujetado por dos sistemas, el primero de ellos que se mantiene fijo en la parte inferior del banco y el otro, mantiene el extremo del chasis con un solo grado de libertad para que se desplace verticalmente en el impacto. Para realizar las pruebas los rieles tienen una serie de agujeros que al atravesar un perno entre los rieles y el móvil, dicho perno fija temporalmente el móvil al riel para una altura de impacto deseada. Este banco cuenta con un resorte en la parte inferior del banco para su seguridad.

Figura 1.11. Banco de prueba de impacto para chasis de bicicletas de Santa Cruz Bikes. Fuente: http://www.pinkbike.com/news/santa-cruz-bicycles-test-lab.html

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1.3.4. Banco de prueba de impacto de la Universidad Simón Bolívar En la Universidad Simón Bolívar se cuenta con un banco de prueba de impacto tipo péndulo (Figura 1.12) con más de dos metros de largo que ha sido usado por la agrupación Formula SAE para realizar pruebas de impacto a algunas piezas de su prototipo. El péndulo está sujetado por una estructura metálica con láminas de acero estructural, que se encuentra sujeta de una pared de concreto, esta estructura tiene una articulación de rotula que permite el movimiento giratorio de una barra de acero en un solo plano. Esta barra mide más de dos metros y medio y su diámetro es de una pulgada y media.

Figura 1.12 Banco de prueba de impacto, tipo péndulo de la Universidad Simón Bolívar

Este banco es utilizado para hacer las pruebas de Crush (o Impact Attenuator) a las piezas de parachoques de carros de la carrera tipo Fórmula. En la prueba se coloca el crush en el extremo del péndulo con una masa de 300kg para simular el peso del carro con el piloto, luego se eleva a una altura definida y se suelta para que haga impacto contra la pared y poder medir con unos acelerómetros las desaceleraciones que se presentan en el crush. 13

CAPÍTULO 2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

2.1. Planteamiento del Problema y Justificación Este proyecto surge por la necesidad de cuantificar experimentalmente la capacidad de absorción de energía del metal expandido, cuando está expuesto a solicitaciones dinámicas de corta duración e intensidad elevada. A su vez, este proyecto amplia las investigaciones de impacto para las diferentes configuraciones de metal expandido. Se presenta en esta investigación diversos problemas que conducen a un proceso de investigación compleja. Diseñar un Banco de prueba para probetas de Metal expandido no posee mucha información para el desarrollo del mismo o el manejo de referencias de otros bancos que se identifiquen con el mismo material y con características similares que manejen datos con metal expandido y no se han realizado estudios de metal expandido a altas velocidades.

2.2. Objetivos de la Investigación 2.2.1. Objetivos Generales Realizar el diseño conceptual de un banco de pruebas para ensayos de impacto a probetas fabricadas con metal expandido. 2.2.2. Objetivos Específicos - Seleccionar el mecanismo de funcionamiento del banco para la realización de los ensayos de impacto. - Seleccionar los elementos estructurales que conforman el banco. - Comprobar el funcionamiento teórico del banco (SolidWorks® Premium 2010) 14

- Validar la resistencia a cargas de impactos del diseño con análisis de elemento finito con el software ANSYS Workbench 13.0 - Elaborar los planos para la fabricación del banco y manual de operación.

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CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO

3.1. Banco de prueba El término banco de prueba se usa en varias disciplinas para describir las variables relevantes que intervienen en un fenómeno o estructura, mediante la manipulación y control de experimentos. Estos procedimientos pueden variar según las disciplinas, pero persiguen el mismo objetivo: dar a conocer explicaciones alternativas según el banco diseñado, arrojando resultados diferentes según la variable manipulada. Los bancos de pruebas sirven para generar validez dentro de un experimento analítico cuando el experimento es replicado por otros investigadores y estos obtienen los mismos resultados. Cada repetición del experimento en el banco de prueba tiene que estar en un ambiente controlado. Así todos los experimentos que se realicen en esos bancos estarán certificados para comprobar su veracidad.

3.6. Metal expandido Una lámina de metal expandido es fabricada convencionalmente de una lámina de metal que es cortada y estirada (expandida) para formar una estructura con intersticios. (Mulder, 2005). Cuando se expande el metal se forma un patrón de celdas similar a un diamante el cual está caracterizado por dos ejes geométricos. Este producto puede ser usado para pasarelas, aplicaciones eléctricas, vallas de seguridad, propósitos decorativos y también como refuerzo para concreto. Actualmente el metal expandido es usado para aplicaciones estructurales, sin embargo poca información puede encontrarse en relación al comportamiento estructural de elementos fabricados con metal expandido.

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El metal expandido es un material en forma de malla fabricado convencionalmente de una lámina de metal lisa que es cortada y estirada perpendicularmente hasta alcanzar un ángulo máximo de 90º para formar una geometría con aberturas que tienen substancialmente forma romboidal. Se observa en la Figura 3.1, el efecto del cambio de posición del rombo con respecto a los diferentes ángulos a los que se deforma el metal expandido.

Figura 3.1. Posición del Rombo respecto al ángulo. Fuente: Graciano, Martínez y Gutiérrez (2011)

Como el proceso de manufactura de estas láminas es bastante económico y las mismas pueden ser cortadas fácilmente, es común encontrar este tipo de mallas en diversas formas y aplicaciones (Mulder, 2005). El corte y la deformación plástica producida en estas láminas permite generar un área final de hasta diez (10) veces su tamaño inicial y reducir su peso por metro cuadrado hasta en un 80% en comparación con las láminas sólidas (Sánchez y Graciano, 2005). 3.7.Metodología de diseño a utilizar La metodología a utilizar en este trabajo está tomada de Milani (1997), que consiste en un proceso de diseño en diez etapas. La primera etapa tiene que ver con el “establecimiento de necesidades” que pone de manifiesto en términos generales la necesidad a resolver en dicho diseño. La segunda es la “aceptación del problema”, es la etapa donde el diseñador asume las responsabilidades que le genera el problema ocupándose en solucionarlas correctamente. La tercera tiene que ver con la “descripción del problema” donde se busca conocer los antecedentes del problema y las posibles soluciones encontradas en el punto anterior, también comprende la compilación de toda información necesaria para resolver los problemas. La cuarta es la “concepción del sistema”. Esta es la etapa creativa donde se procede a generar la mayor parte de soluciones posibles a los problemas, incluyendo esquemas que sistematicen los procesos. La quinta etapa es el “estudio de factibilidad”, donde se inicia los filtros de selección 17

tanto técnica como económica. Es aquí donde se decide si continua o se termina el proyecto. La sexta etapa es la “formación completa del sistema”, aquí están las posibles soluciones encontradas anteriormente apoyándose en dibujos, modelos electrónicos y bosquejos para esclarecer el funcionamiento del sistema. La séptima etapa es el “diseño de detalles” y de los procesos de fabricación. Se determinan los detalles funcionales y constructivos de cada una de las partes del sistema. La octava es la “fabricación y ensayo del prototipo”. Mientras el prototipo está elaborado es sometido a una serie de pruebas y ensayos para ver si cumple con las especificaciones correspondientes al montaje, operación, mantenimiento preventivo. Y la novena etapa es la “evaluación final” y redacción del material de operaciones y mantenimiento. (Milani 1997)

3.8. Análisis Estructural Cuando una carga se aplica en un período relativamente corto recibe el nombre de “carga dinámica”. Las cargas dinámicas se distinguen de las estáticas por el hecho de originar modificaciones tanto en la magnitud de las tensiones como en las deformaciones a que dan lugar, afectando también la forma y límite de rotura de los materiales. A continuación se estudiará el caso de solicitaciones dinámicas por flexión dónde podrá determinarse analíticamente el coeficiente de impacto, pero para ello se deberá realizar varias hipótesis simplificativas. 3.9. Carga de Impacto Equivalente Consideremos una viga simplemente apoyada un pasador externo y rodillo, que recibe en la mitad de su longitud el impacto de una carga concentrada Q que cae desde una altura h.

Figura 3.2. Modelo de viga sometida a cargas de dinámicas

18

Como consecuencia del impacto, el trabajo desarrollado por Q será: (

(1)

)

Consideramos una carga estática P que origina la misma fuerza (2) (3) Deformación estática para este caso de flexión particular (4) P: carga estática equivalente (5) El trabajo realizado para ambos casos deberá ser el mismo, con lo que: (6) (

)

√(

√

)

[

(7)

]

√

= coeficiente de impacto dependiente de la altura de impacto y deformación estática

Otra forma de obtener el coeficiente de impacto es: Si,

entonces,

[

√

]

(8)

= coeficiente de impacto dependiente de la velocidad de impacto y deformación estática.

19

Consideramos algunos casos particulares: a)

(9) Este caso corresponde a una carga instantánea, es decir, que no crece paulatinamente en el

tiempo. Según la expresión anterior la fuerza originada resulta ser el doble de la que correspondería a una carga estática. b) (10)

√ √

(11) (12) (13) √

(14)

√

Supongamos que la sección transversal es rectangular de base b y altura d (

)

;

Donde

√

√

√

√

(15)

Se puede notar en este caso la tensión disminuye cuando aumenta el volumen de la pieza.

20

CAPÍTULO 4 METODOLOGÍA

El banco de prueba a diseñar debe cumplir con las siguientes características: - La altura del banco no debe exceder de los 3.2m - La masa de impacto puede ser variable o no, preferiblemente variable. - Los elementos estructurales que conforman el banco de prueba deben ser de tipo comercial, fácil de conseguir y económico. - Se elaborar un banco de prueba diseñado para probetas de metal expandido. - El banco de prueba debe ocupar poco espacio físico. - Fácil operación - Que produzca la energía necesaria para impactar a probetas de metal expandido - Según los resultados de las fuerzas máximas de Saavedra (2010), se debe diseñar un banco que genere la cantidad de energía que para deformar la probeta. 4.2. Formulación de ideas En este apartado se presenta la etapa creativa del proyecto, que consiste en describir los bocetos más relevantes propuestos para el diseño del banco de prueba. 4.2.1. Modelo 1 Este modelo (Figura 4.1.) se diseñó con la iniciativa de crear un banco de prueba con fácil acceso a las herramientas y bajo costo. Descripción y Posibles materiales del modelo 1: se propone construir una torre tipo jaula de aproximadamente 3m de altura, cuyos materiales a utilizar son ángulos de alas iguales en las esquinas y pletinas de acero estructural a los lados de la torre, ambos estarán soldadas entre sí. Esta jaula tendría una losa de concreto como base y sujetador de la probeta a ensayar. En la zona superior de la jaula se propone diseñar una tapa metálica con un agujero en el centro. Esta 21

superficie será la base para colocar un winche o polea para elevar y sujetar la masa de impacto y su agujero para atravesar la guaya del winche hacia el interior de la jaula. En el centro de la jaula está ubicado un tubo PVC de diámetro 6in y 2m de longitud. La función de este tubo será el de guiar la masa de impacto hasta la probeta para ser impactada. Este conducto estará sujetado por unas guayas tensadas que pasarán a través de orejas de izamientos pequeñas adheridas al tubo y otras orejas soldadas a la jaula. A lo largo dicho canal se abrirán agujeros para la salida de aire cuando se desplazando la masa de impacto y así disminuir las pérdidas de energía que se puedan ocasionar por el aire contenido en él. La instrumentación que se propone a utilizar son dos sensores de velocidad, ubicados a los extremos del tubo para captar la velocidad de la masa de impacto en su paso. Se colocará en la baldosa de concreto un sistema con una celda de carga para medir las magnitud de la fuerzas de impacto al momento de los ensayos. Funcionamiento del modelo 1: El Funcionamiento de esta propuesta se basará en la caída vertical de una masa de impacto hasta la probeta a ensayar. La masa de impacto ubicada en la parte superior del banco es liberada por un sistema magnético colocado al extremo de la guaya del winche. La misma pasa a través de un tubo que se encuentra en el centro de una estructura metálica, que es usada como soporte. Los sensores ubicados en los extremos del tubo PVC, nos arrojarán valores de la velocidad inicial y final de la masa de impacto al momento de colisionar con la probeta. Estos datos ayudarán a conocer y controlar la velocidad y aceleración de la masa de impacto al momento del choque con la probeta. Entre la losa de concreto y la probeta a ensayar se encuentra las celdas de cargas para registrar la magnitud de la fuerza al momento del impacto. La descripción antes mencionada corresponde a un ensayo en el Modelo 1. Para la realización de otro ensayo es necesario la elevación de la masa de impacto a la parte superior del banco con el winche, colocación de la probeta a ensayar y verificación del funcionamiento de los sensores.

22

Figura 4.1. Banco de Prueba. Modelo 1

23

Tabla 4.1. Estudio de la factibilidad del modelo 1.

Posibilidad de realización del proyecto

Ventajas Materiales económicos Elementos estructurales comerciales

Fácil mantenimiento Modelo 1 Ocupa poco espacio

Desventajas El sistema de levantamiento de la masa de impacto aumenta significativamente el costo del banco y no es tan necesario Construcción laboriosa Las guayas no garantizan una buena rigidización del tubo PVC. Se deberá crear algún sistema sujetar la celda de carga encima de la probeta. Velocidad y altura de impacto fija Las masas de impacto se limita a tener una forma cilíndrica con dimensiones justas al tubo PVC las guayas pueden resultar complejo al momento del ensamblaje

4.2.2. Modelo 2 Introducción del modelo 2: Este diseño se inspiró en la realización de un Banco de Prueba fácil y de económica construcción. (Figura 4.2.) Descripción y Posibles materiales del modelo 2: se propone construir un banco de prueba de 3m de altura, que a diferencia del Modelo 1, no posea la estructura metálica llamada “jaula” como en la propuesta anterior, sino que el banco estará diseñado para ser sujetado por la esquina de unas paredes. Para este diseño se sugiere mantener la losa de concreto como base y sujetador de la probeta a ensayar, pero esta vez ubicada en la parte inferior adherida a la esquina de las paredes. En la zona superior del banco se coloca una base metálica incrustada en la esquina de las dos paredes de concreto, con un agujero en el centro; esta superficie será la base para colocar un winche o polea para elevar y sujetar la masa de impacto y su agujero para atravesar la guaya del winche hacia el interior de le tubo PVC. El Tubo PVC está ubicado justo debajo de la superficie antes mencionada, estará sujetado a la pared con unas abrazaderas. Sus dimensiones serán: diámetro 6in y 2m de longitud. La función de este tubo será el de guiar la masa de impacto 24

hasta la probeta para ser impactada. A lo largo dicho canal se abrirán agujeros para la salida de aire cuando se esté desplazando la masa de impacto y así disminuir las pérdidas de energía que se puedan ocasionar por el aire contenido en él. La instrumentación es la misma que para el modelo 1. Se propone a utilizar son dos sensores de velocidad, ubicados a los extremos del tubo para captar la velocidad de la masa de impacto en su paso. Se colocará en la baldosa de concreto debajo de la probeta una celda de carga para medir las magnitud de la fuerzas de impacto al momento de los ensayos.

Figura 4.2. Banco de Prueba Modelo 2

25

Funcionamiento del modelo2: El modo de funcionamiento será similar al del modelo 1. El Funcionamiento de esta propuesta se basará en la caída vertical de una masa de impacto hasta la probeta a ensayar. La masa de impacto ubicada en la parte superior del banco, es liberada por unas pinzas magnéticas colocadas al extremo de la guaya del winche. La misma pasa a través de un tubo que se encuentra en el centro de una estructura metálica, que es usada como soporte. Los sensores ubicados en los extremos del tubo PVC, nos arrojarán valores de la velocidad inicial y final de la masa de impacto al momento de colisionar con la probeta, estos datos ayudarán a conocer y controlar la velocidad y aceleración de la masa de impacto al momento del choque con la probeta. Entre la losa de concreto y la probeta a ensayar se encuentra las celdas de cargas para registrar la magnitud de la fuerza al momento del impacto. La descripción antes mencionada corresponde a un ensayo en el Modelo 2, para la realización de otro ensayo es necesario la elevación de la masa de impacto a la parte superior del banco con el winche, colocación de la probeta a ensayar y verificación del funcionamiento de los sensores.

Tabla 4.2. Estudio de la factibilidad del modelo 2.

Posibilidad de realización del proyecto Modelo 2

Ventajas Construcción simple Materiales económico

Desventajas La ubicación en una esquina puede dificultar la maniobrabilidad del operador en el banco

Fácil mantenimiento Buena rigidización del tubo Ocupa poco espacio físico

Es necesario disponer de una esquina que forma dos paredes Altura y velocidad de impacto fija

4.2.3. Modelo 3 Introducción del modelo 3: Esta idea surge de los prototipos de bancos de pruebas para ensayos estáticos. A este diseño se propone utilizar el principio de movimiento y estructura y realizar algunas modificaciones para convertirlo en un banco de ensayos dinámicos. Al momento de realizar la idea se tomaron en cuenta las tres posiciones posibles de desplazamiento de la masa de impacto (vertical, horizontal e inclinado) y se evaluaron sus beneficios; como se puede observar en la Figura 4.3. 26

Figura 4.3. Banco de Prueba propuesto en el Modelo 3

Descripción y posibles materiales del modelo 3: Al proponer este diseño de 3m de largo, se pensó en el uso de perfiles estructurales comerciales para su fácil diseño y rápida construcción. Este modelo plantea el diseño de un móvil que contenga la masa de impacto y se desplace entre dos vigas doble T hasta la probeta a ensayar. Dicho móvil se elaborará con láminas de acero estructural y rodamientos. Para su movilidad, estará sujeto en la parte superior del banco, con un sistema mecánico que lo mantenga fijo y active su movimiento para realizar las pruebas de impacto. La masa de impacto tendrá un peso constante. La probeta estará ubicada en la zona inferior del banco de prueba donde permanecerá fija. En este modelo se presenta tres posiciones en las que el móvil se desplazaría a lo largo del banco. Estas posiciones son: Horizontal, Vertical e Inclinada. La diferencia entre ellas es que para las posiciones vertical e inclinada se hace necesario diseñar un sistema impulsador de la masa de impacto distinto a la posición vertical, donde la masa de impacto aprovecha la gravedad para desplazarse a lo largo del banco. Funcionamiento del modelo 3: El modo de funcionamiento será similar a los dos modelos anteriores, ya que la masa de impacto se desplaza hacia la probeta que se encuentra fija en la base del banco. Sin embargo, en este caso específico la masa de impacto está estructurada como 27

un móvil que se desplaza a través de rieles hechos con vigas doble T de acero estructural. Para tomar los datos de la velocidad y magnitud de la fuerza de impacto, se propone colocar dos sensores de velocidad, uno de ellos se ubicará en la parte superior del banco donde está ubicado el sujetador del móvil y el segundo en un punto de los rieles cercano a la colisión, estos datos ayudarán a conocer y controlar la velocidad y aceleración de la masa de impacto al momento del choque con la probeta. Para medir la magnitud del impacto se colocaran unas celdas de cargas debajo de las probetas. Tabla 4.3. Estudio de la factibilidad del modelo 3.

Ventajas Posibilidad de realización del proyecto

Desventajas El impulsador de la masa hace al modelo más costos Elementos estructurales no económicos

Elementos estructurales comerciales Vertical: no necesitaría impulsador

Modelo3

La altura de impacto será constante para todos los ensayos

Horizontal e inclinado: - El modelo no se sometería a pandeo - Fácil de maniobrar al momento del mantenimiento

La masa tendrá un valor fijo La fricción en las ruedas producirá pérdidas de energía.

4.2.4. Modelo 4 Introducción del modelo 4: La Propuesta está basada en la modificación de un Banco de prueba de impacto tipo péndulo, existente en la Universidad Simón Bolívar (Figura 4.4). La adaptación para este banco estarán enfocadas en cuatro partes: la rigidización del brazo del péndulo, el diseño de la base que sujetará la probeta de metal expandido, el sujetador de la masa de impacto y la instalación de los sensores para la medición de las cargas de impacto. Descripción y Posibles materiales del modelo 4: Este diseño consiste en la modificación de un banco de prueba de impacto con forma de péndulo. La masa de impacto está colocada al extremo del péndulo, la energía de impacto depende de la energía potencial que tenga la masa de impacto al momento de iniciar el movimiento. En la Figura 4.5, se presenta el diseño propuesto para el sujetador de la probeta se basa en la colocación de un marco con pisa vidrio, el cual se 28

deslice la probeta a través de ellos y quede sujeta tangencialmente al giro de la masa de impacto en el momento del impacto. En cuanto a la instrumentación se sugiere la colocación de un transportador para conocer el ángulo de radio el cual sube la masa de impacto y así con las dimensiones del péndulo, conocer la energía potencial con la que el péndulo impacta la probeta. A su vez, en el centro de la base sujetadora de la probeta se ubicarán las celdas de carga para registras las fuerzas de impacto.

Figura 4.4. Banco de Prueba de impacto de la Universidad Simón Bolívar

29

Figura 4.5. Propuesta de modificación del Banco de Prueba de impacto de la Universidad Simón Bolívar

Funcionamiento del modelo 4: Para realizar los ensayos en este banco de prueba: se colocará la masa de prueba a impactar y se eleva el péndulo a un ángulo de energía deseada, luego se coloca la probeta en la base sujetadora y se deja caer el péndulo hasta su colisión. La instrumentación ubicada en la descripción anterior reflejará la magnitud de la fuerza de impacto y la energía desarrollada que generó el banco, así se podrá saber cuánta energía fue disipada por la probeta. Tabla 4.4. Estudio de la factibilidad del modelo 4.

Factibilidad

Modelo 4

Positivo Elementos estructurales comerciales y los no comerciales de fácil construcción

Negativo Realizar las "modificaciones" Para un banco de prueba de probeta de metal expandido, implicaría realizar un banco prácticamente nuevo. Construcción laboriosa Ocupa un amplio espacio al estar en funcionamiento Es necesario crear un sistema para la elevación del péndulo

Fácil mantenimiento

El impacto en la probeta no se generaría totalmente axial a ella, por lo que puede influir en los resultados 30

4.2.5. Modelo 5 Introducción del modelo 5: Este modelo se basó en un banco de prueba realizado a bicicletas por la marca de bicicletas Santa Cruz. A este modelo se le realizaron ciertas adaptaciones para aplicar ensayos a probetas de metal expandido. Descripción y Posibles materiales del modelo 5: El diseño consiste en unas vigas tipo doble T de 2.5m de largo que sirven de rieles para un móvil tipo maso, que se desplaza verticalmente. El banco necesitará estar sujeto a una pared para su rigidización. Los rieles tendrán un sistema para colocar el móvil a una altura de impacto variable. Este móvil tiene la particularidad de usar discos de pesas de gimnasio para su masa de impacto lo que lo hace versátil. La descripción de la propuesta de diseño se puede observar en la Figura 4.6

Figura.4.6. Diseño del Banco de Prueba del Modelo 5

31

Otra característica que se plantea para este diseño es una geometría que ayudará a la distribución de la fuerza al momento del impacto. Los perfiles planteados para la propuesta del móvil serían tubos rectangulares y láminas de acero estructural ambas. Para desplazarse a lo largo de los rieles se plantea la utilización de rodamientos en el móvil. En la parte inferior del banco estaría colocada una losa de concreto donde tendría la instalación de las celdas de carga para medir las fuerzas de impacto en la probeta. Entre el brazo del móvil y la losa se sugiere colocar un sensor de proximidad que registre la posición del móvil a medida que se acerca a la probeta. Al integrar este valor se tendrá la velocidad al momento del impacto. Funcionamiento del modelo 5: al colocar la masa de impacto en la altura deseada para realizar el ensayo, se retira un perno que atraviesa el móvil y los rieles, el móvil se desplaza hacia abajo de forma vertical hasta impactar con la probeta. Al momento de realizar otro ensayo se retira la masa de impacto, se sube el móvil a la altura deseada, se le coloca el perno de seguridad y se colocan las masas de impacto a ensayar.

Tabla 4.5. Estudio de la factibilidad del modelo 5

Ventajas Posibilidad de realización del proyecto

Modelo 5

Elementos estructurales comerciales y los no comerciales de fácil construcción Fácil construcción Fácil mantenimiento Ocupa poco espacio No necesitaría impulsador para la características diseñadas Fácil sistema de levantamiento de la masa Posee rieles rígidos y sujetos a una pared para evitar el pandeo Tiene la versatilidad de variar la altura y masa de impacto.

32

Desventajas Piezas estructurales no económicas.

La fricción de las ruedas con los rieles producirán pérdidas de energía Es necesario disponer de una pared con una altura mínima de 3.5m

4.2.6. Selección de propuesta final A continuación se elaborará un cuadro comparativo de los modelos propuestos anteriormente: Tabla 4.6.

Fácil construcción Fácil mantenimiento Elementos estructurales Fácil Maniobrabilidad Resistente a vibraciones y cargas Ocupa poco espacio físico Versatilidad de masa de impacto Versatilidad de altura de impacto

Económico

Cuadro Comparativo de los 5 Modelos

MODELO 1

X

-

X

X

X

-

X

X

-

MODELO 2

X

X

X

X

/

X

X

X

-

-

/

X

X

X

X

/

-

-

-

/

X

X

X

/

/

-

-

X

/

X

X

/

/

/

-

-

MODELO 4

X

/

X

X

/

/

-

X

X

MODELO 5

/

X

X

X

X

X

X

X

X

MODELO 3.1 Horizontal MODELO 3.2 Inclinado MODELO 3.3 Vertical

SI LO CUMPLE = X CON RESTRICCIONES = / NO LO CUMPLE = -

Como se puede ver en la Tabla 4.6, el modelo 5 ha sido el diseño que mejor cumple con los requisitos necesarios para resolver el problema, ya que posee los rasgos característicos que se buscaban en esta investigación.

33

CAPÍTULO 5 PROPUESTA FINAL DE DISEÑO 5.2. Diseño de detalle del banco de prueba modelo 5 A continuación describiremos el proceso mediante el cual se describe detalladamente el diseño de banco de prueba seleccionado en el apartado anterior. Esta búsqueda se elaboró partiendo del diseño del móvil y la disposición de sus ruedas para luego realizar los rieles, sujetadores y demás accesorios. El proceso consta de cinco fases evolutiva donde se describirá sus ventajas y desventajas de los diseños: 5.2.1. Fase 1: En este apartado se presenta el primer modelo del móvil trabajado en esta investigación Como se puede ver en la Figura 5.1.

Figura. 5.1. Diseño del primer modelo del móvil

Se puede identificar en la imagen cuatro ruedas en una misma posición de desplazamiento, que se deslizan verticalmente en los rieles diseñados con un perfil C. Este móvil posee un brazo de perfil rectangular para el soporte de la masa de impacto que también sirve para chocar con la probeta seleccionada. Un defecto encontrado en esta fase tiene que ver con la posición en la que 34

se encuentran las ruedas, porque las mismas soportan más esfuerzos radiales que axiales, al momento del impacto el móvil se verá sometido a flexión con respecto al eje X, ocasionando deformaciones plásticas al diseño (Figura 5.2).

Figura. 5.2. Diagrama del móvil sometido a flexión.

También se observó que la posición en que se encuentran las ruedas posee un defecto, ya que el desplazamiento de las mismas no se produce libremente, debido a la inclinación del móvil generada por el peso de la masa de impacto, originando un roce con los rieles que causa pérdida de la energía cinética. Figura 5.3.

Figura. 5.3. Fuerzas influyentes al momento de desplazar el móvil por los rieles

35

En la Figura 5.4 se agregó 4 ruedas paralelas al primer diseño para generar más estabilidad y robustez al momento de desplazar la masa por los rieles. Sin embargo los mismos errores fueron presentados aún con este agregado y por ende fue descartado.

Figura 5.4. Configuración propuesta de móvil con ocho ruedas con sus rieles.

5.2.2. Fase 2: El diseño presentado en este apartado muestra avances en la evolución del diseño anterior por lo siguiente: Se trabajó el móvil con un diseño de 6 ruedas en posiciones distintas para restringir cinco grados de libertad y permitir el desplazamiento vertical sin interrupción (Figura 5.5).

Figura 5.5. Diseño del modelo del móvil en la fase 2

36

Este modelo presentó un diseño con perfiles tipo rieles de acero estructural, para el desplazamiento vertical del móvil (Figura 5.6).

Figura 5.6 Configuración propuesta de móvil y rieles

El defecto encontrado en esta fase fue generado porque la configuración dinámica del diseño del móvil con rieles, no es suficientemente robusta para soportar altas cargas de peso al momento del choque con la probeta. Sin dejar de lado que el móvil puede salirse de los rieles deformándose el diseño, como se muestra en la Figura 5.7

Figura 5.7 Dirección de la flexión aplicada en el diseño del móvil con los rieles

37

5.2.3. Fase 3: Este diseño presenta una modificación sustancial respecto al presentado anteriormente. En el mismo se presenta 12 ruedas colocadas en la misma posición. Se diseñó un disco soldado en la parte inferior del brazo largo en forma de cruz del perfil rectangular, cumpliendo la función de distribuir la fuerza en el momento del impacto. En la figura. 5.8, se nota una pequeña barra cilíndrica soldada en la parte superior del mismo brazo cumpliendo la función de guía para colocar las masas de impacto en forma de discos de pesas. Este móvil está diseñado para desplazarse en el borde de una viga doble T (Figura 5.9).

Figura 5.8 Descripción de las partes del móvil de la fase 3

En este diseño se presenta otro defecto, la posición en las que se encuentran las ruedas no guían de manera confiable de que el móvil a la hora de desplazarse lo haga verticalmente, sino que al contrario crea una torsión en el eje Y, generando roce con la viga doble T hasta llegar a no permitir ningún desplazamiento del mismo.

Figura 5.9. Configuración mecánica de móvil y rieles de la fase 3

38

Se nota que en la realidad la viga doble T no posee formas simétricas exactas, presentando defectos de dimensiones. Estos desperfectos de las vigas generan que el móvil no se adapte a las mismas por la rigidez de su diseño. 5.2.4. Fase 4: Este modelo funciona desplazando las ruedas del móvil en las paredes internas de la viga doble T como se muestra en la Figura 5.10. Las ruedas están colocadas en posiciones diferentes para restringir eficientemente los grados de libertad necesarios para que su desplazamiento vertical sea sin interrupción.

Figura 5.10 Vista de planta del ensamblaje rieles – móvil de la fase 4

En este caso el móvil tiene la ventaja de adaptarse a la viga doble T con facilidad, ya que las láminas que conforman el cuerpo del móvil poseen unas ranuras permitiendo que las láminas se deslicen generando que en el móvil tenga distintas dimensiones. En el móvil se diseñó una oreja de izamiento que le permite ser ajustado a la altura de impacto en el riel. Esto sucede porque los rieles también tienen orejas de izamiento a distintas alturas. En la distancia requerida se coloca un perno para fijar el móvil. En esta fase se mantiene el diseñó del disco soldado en la parte inferior del brazo largo en forma de cruz del perfil rectangular y la pequeña barra cilíndrica soldada en la parte superior del

39

mismo brazo cumpliendo la función de guía para colocar las masas de impacto en forma de discos de pesas. Finalmente en este modelo se diseñó una tapa para mantener y sujetar las masas de impacto en el momento del ensayo. En la siguiente Figura 5.11, se muestra el móvil instalado en los rieles del banco. A su vez se hace énfasis en el sistema de ajuste de altura de impacto.

Figura. 5.11 Descripción de la ubicación del perno en el banco de la fase 4

El defecto que presenta este modelo (más que defecto es una complicación) es la colocación de la celdas de cargas para la medición la fuerza de impacto, ya que debería de estar ubicada justo encima de la probeta al momento del impacto. Es por eso que se crea una fase 5, partiendo de los hallazgos de este diseño. 5.2.5. Fase 5 La evolución en esta fase esta generada porque las modificaciones realizadas en el diseño del banco de prueba fueron realizadas exhaustivamente, organizando todos los detalles y evaluando los resultados para un mejor desenvolvimiento del mismo. Cabe destacar que este es el diseño final de esta investigación. En este diseño final se divide el móvil del modelo anterior en dos partes para incluir la ubicación de la instrumentación justo al momento del impacto. Es decir, existirán dos móviles en el banco de prueba que cumplirán las funciones de elevar la masa de impacto a la altura deseada para el primer móvil y el segundo se colocará encima de la probeta a ensayar sin ajustarse a ella 40

y se le instalará arriba de este móvil la celda de carga instalada y abajo el plato distribuidor de la fuerza de impacto. Como se muestra en la Figura 5.12 (a) Móvil 1 y (b) Móvil 2, respectivamente.

Figura 5.12. (a) Móvil 1 y (b) Móvil 2

El móvil uno: cuenta con una barra cilíndrica pequeña soldada en la parte superior del brazo principal que servirá de guía para colocar las masas de impacto tipo discos de pesas con su respectiva tapa sujetadora que mantendrá las masas ajustadas durante el ensayo. Este móvil posee una oreja de izamiento para ajustar a los rieles la altura de impacto y un tubo rectangular pequeño en la parte inferior que concentrará el impacto a la celda de cargas. El móvil dos: posee un brazo largo en forma de cruz del perfil rectangular que tiene soldado en la parte superior un tubo rectangular pequeño donde se instalará la celda de carga y un disco soldado en la parte inferior para distribuir la fuerza de impacto el toda el área de la probeta. La posición de la ruedas tanto para el móvil uno como el móvil dos se mantendrán similar a la fase 4, estarán colocadas en posiciones diferentes para restringir eficientemente los grados de libertad necesarios para que su desplazamiento vertical sea sin interrupción. Las ruedas a utilizar 41

pueden ser rodamientos elaborados por la empresa SKF. Para las ruedas externas se sugiere utilizar el modelo 6205 N y para las ruedas internas 305- 2Z. En caso de que por razones de presupuesto no se cuenten con los recursos para comprar los rodamientos se pueden usar ruedas de acero. Los rieles también permanecerán igual a la fase 4 (Figura 5.13).

Figura. 5.13 Vista de planta de la configuración de los rieles

El ensamblaje ruedas – rieles permanecerá similar a la fase 4, como se muestra en la Figura 5.14

Figura. 5.14. Vista de planta de la configuración mecánica de los rieles – móvil.

Para la base del banco se propone elaborar una losa de concreto y cabilla para garantizar la resistencia de la base al momento del impacto. Esta base tendrá instalada en su parte superior una

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plataforma cuadrada de acero con 33cm de lado y 2cm de espesor, como se aprecia en la Figura 5.15.

Figura. 5.15. Sistema de la base y ajustador de la probeta

Esta base metálica posee ocho agujeros en sus esquinas para dos modelos de probetas, es decir, cuatro agujeros por modelo. Para probetas cuyo diámetro sea mayor a 20cm puede atornillar su probeta en los cuatro agujeros próximos a los bordes; y para probetas con menor diámetro de 20cm puede atornillar su probeta en modalidad más pequeña, esto facilitará sujetar correctamente y evitar errores en el ensayo por mala distribución de la fuerza de impacto. (Ver Figura 5.16. Ejemplo de la forma de la lámina).

Figura. 5.16 Base metálica sujetadora de la probeta.

El Banco de prueba totalmente ensamblado se percibiría como se muestra en la figura 5.17.

43

Figura 5.17 Ensamblaje total del banco de prueba

44

CAPITULO 6 CÁLCULOS Y ANÁLISIS ESTRUCTURAL A continuación se realizaran unos cálculos con la teoría de cargas de impacto. Este estudio le garantizará teóricamente al móvil del banco de prueba la resistencia a las cargas de impacto sometida, a su vez ayudará a conocer las cargas a las que podrá ser sometido el banco. En estos cálculos se tomará en cuenta dos características importantes. La primera de ella es la fuerza de carga máxima a la que puede estar sometido el banco, este valor arrojado por los cálculos se comparará con los valores de las fuerzas máximas registradas en el estudio a las probetas de metal expandido, realizado por Saavedra (2010). Dicha comparación ayudará a comprobar que el banco tiene la capacidad de soportar dichas cargas de impacto y a su vez se encontraran las limitaciones mecánicas del diseño del banco de prueba. La segunda característica que se espera encontrar en estos cálculos, es la certeza que los esfuerzos máximos a los que estará sometido el banco de prueba no superarán el punto de fluencia del material de la estructura. Para realizar los cálculos aproximados es importante asumir varias hipótesis simplificativas que ayuden a facilitar su realización. Las características y dimensiones del perfil a utilizar en los cálculos, serán los mismos que los utilizados en el móvil del banco de prueba. (Figura 6.1). Se considerará un perfil rectangular de longitud 30cm, con sección transversal de 60x120 mm2. La viga se encuentra empotrada en un extremo y en el otro permanecerá libre. El perfil estará sometido a una carga de flexión de 3N en su extremo libre que se encuentra a una altura de 2m. La inercia y módulo de Young de la barra es 159.9cm4 y 200GPa respectivamente. Estos datos fueron suministrados en el catálogo del perfil rectangular.

45

Figura 6.1. Configuración del perfil rectangular

46

6.3. Validación del modelo en elemento finito La validación de estudios analíticos con el método de elemento finito ha logrado desarrollarse cada vez más en los campos de la ingeniería para solventar problemas de la industria gracias a los grandes beneficios para las fábricas, consultoras, construcciones y toda empresa ingenieril. Estas ventajas son el ahorro de tiempo de operación, reducción de coste, buena estimación de resultados, la accesibilidad y equipamiento necesarios en un análisis real. Para manejar estos métodos numéricos se requiere de un conocimiento profundo en las áreas de física- matemática. Sin embargo hoy en día se cuenta con una serie de software y hardware que han facilitado el alcance y aprovechamiento de esta poderosa herramienta. Estos programas computacionales usados para el análisis de elemento finito son sencillos de utilizar sin embargo para generar resultados de eficientes requieren de la comprensión de su metodología.

6.4. Análisis de ANSYS Workbench A continuación, se realizará un análisis con el método de elemento finito al móvil del banco de prueba con el software ANSYS Workbench 13.0. ANSYS, Inc. En este estudio se evaluará la estructural del móvil ante una fuerza de flexión, esto garantizará la resistencia del banco ante esfuerzo de flexión y ayudara a determinar con exactitud las capacidades del banco y sus limitaciones. Se escogió únicamente el móvil y no el resto de partes del banco de prueba, debido a que es la parte que se encuentra más sometida a grandes esfuerzos y su estructura está más propensa a debilitarse. Para escoger los parámetros del estudio se utilizaron los resultados trabajados en los cálculos anteriores. El tipo de estudio que se le realizará a este modelo es un 47

análisis estructural estático, cuya geometría contará únicamente con las láminas ajustables del móvil y el brazo principal ya que son los más afectados al impacto (Figura 6.2).

Figura 6.2 Geometría del móvil simplificado para el análisis con el MEF.

El móvil del banco de prueba se analizó con la mitad de su geometría debido a que es simétrica y para disminuir el tiempo de simulación. Este modelo se simuló empotrado en los agujeros donde se sitúan las ruedas y se le aplicó una fuerza de impacto con dirección al eje Z y se colocó en la cara inferior del brazo principal con un valor de 10.3kN, este valor es la mitad de la fuerza calculada debido a que estamos simulando la mitad del móvil. (Figura 6.3) Todas las piezas del móvil se configuraron unidas para facilitar su estudio.

Figura 6.3. Geometría con las reacciones y cargas.

48

La construcción del móvil en elemento finito se generó con tamaño del elemento predeterminado y se empezó a converger hasta un 5% de tolerancia. En el tercer punto de iteración la malla convergió, como se muestra en la Figura 6.4.

Figura 6.4. Proceso de validación de la malla

En la construcción del modelo matemático no fue necesario realizar gran modificación debido a que las partes del móvil son geometrías sencillas, sin embargo en el proceso de validación de la malla se observó la presencia de singularidades en el análisis de la geometría, así que se realizaron algunas modificaciones en las caras de las piezas para evitar estos errores. La geometría se discretizó con elementos tetraédricos en las piezas: láminas 1, lámina 2, lámina, triángulo superior e inferior; y para los perfiles rectangulares se malló con elementos rectangulares. (Figura 6.5)

49

Figura 6.5. Geometría discretizadas

Luego de convergida la malla se procedió al análisis de resultados. En la Figura 6.6 se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido el móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 316.76 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.0647 MPa. Las zonas que muestran los esfuerzos que superan fluencia, cuyo valor es 245 MPa son zonas de concentraciones de esfuerzos pequeñas, localizadas en las zonas de empotramiento del móvil.

Figura 6.6. Comportamiento general del Móvil

Por el tamaño de la zona afectada y por la aproximación de la simulación a la realidad, se concluye que debido a estas concentraciones no se puede percibir si en la realidad la falla será 50

generada de esa forma que presenta el modelo. Sin embargo, se sugiere que al momento de construir el banco se tome en cuenta los datos arrojados en estas zonas de falla. En las siguientes láminas se presenta los resultados obtenidos en el análisis de los esfuerzos para cada pieza del móvil del banco de prueba estudiados en esta investigación. En la Figura 6.7, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido la lámina 1 del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 73.815 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.10045 MPa. En este caso no supera fluencia, sin embargo el punto máximo de esfuerzo que se presenta en la figura se encuentra en la zona de empotramiento central de la pieza.

Figura 6.7. Comportamiento general de la Lámina 1

En la Figura 6.8, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometida la lámina 2 del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 302.83 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.35521 MPa. En este caso supera fluencia, sin embargo las zonas que muestran los esfuerzos que superan fluencia, cuyo valor es 245 MPa son zonas de concentraciones de esfuerzos pequeñas, localizadas en las zonas de empotramiento del móvil de la lámina 2 visualizada en la Figura 6.9.

51

Figura 6.8. Comportamiento general de la Lámina 2

Figura 6.9. Detalle de la zona de falla de la Lámina 2

En la Figura 6.10, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometida la lámina 3 del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 316.76 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.064785 MPa. En este caso supera fluencia, sin embargo las zonas que muestran los esfuerzos que superan fluencia, cuyo valor es 245 MPa son zonas de concentraciones de esfuerzos pequeñas, localizadas en las zonas de empotramiento del móvil de la lámina 3 visualizada en la Figura 6.11.

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Figura 6.10. Comportamiento general de la Lámina 3

Figura 6.11. Detalle de la zona de falla de la Lámina 3

En la Figura 6.12, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido el triángulo superior del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 155.24 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 8.1372 MPa. En este caso no supera fluencia, sin embargo el punto máximo de esfuerzo que se presenta en la figura se encuentra en la zona inferior del triángulo.

53

Figura 6.12. Triángulo superior

En la Figura 6.13, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido el triángulo inferior del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 155.38 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 8.153 MPa. En este caso no supera fluencia, sin embargo el punto máximo de esfuerzo que se presenta en la figura se encuentra en la zona superior del triángulo.

Figura 6.13. Triángulo inferior

Comparando estos resultados con los vistos en la lámina anterior se detalla la similitud de los valores encontrados en ambas piezas, porque las mismas son simétricas y el comportamiento que muestre un triángulo es el reflejo del otro. Sin embargo uno estará sometido a compresión y el

54

otro a tracción por la fuerza de flexión a la que está sometido el brazo principal donde están sujetas ambos triángulos. En la Figura 6.14, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido el perfil rectangular corto del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 274.68 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.34636 MPa. En este caso supera fluencia, sin embargo las zonas que muestran los esfuerzos que superan fluencia, cuyo valor es 245 MPa son zonas de concentraciones de esfuerzos mínimas, localizadas en las zonas de unión del brazo principal visualizada en la Figura 6.15.

Figura 6.14. Perfil rectangular corto

Esto sucede por la reacción de la fuerza de impacto que está sometido el brazo principal. Este detalle encontrado en este análisis debe ser considerado en el momento de construcción del banco porque la forma en que se presenta la falla es inusual por ser tan mínima con respecto a la dimensión del perfil rectangular.

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Figura 6.15. Detalle del Perfil rectangular corto

En la Figura 6.16, se puede detallar el comportamiento general de los esfuerzos a los que está sometido el perfil rectangular largo del móvil. Su esfuerzo máximo tiene un valor de 147.95 MPa contrastando su esfuerzo mínimo de 0.40952 MPa.

Figura 6.16. Comportamiento general del perfil Rectangular largo

En este caso no supera fluencia, sin embargo el punto máximo de esfuerzo que se presenta en la figura se encuentra en la zona superior del perfil rectangular largo, denominado anteriormente como brazo principal, unida al triángulo.

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CAPÍTULO 7 INSTRUMENTACIÓN Y OPERACIÓN DEL BANCO 7.3. Instrumentación En el siguiente apartado se va a describir el proceso mediante el cual el banco de prueba arroja los resultados de las mediciones necesarias para el ensayo. En este apartado se quiere resaltar la importancia de la instrumentación propuesta en la investigación, ya que se hace necesario el estudio exhaustivo de la medición requerida para la evaluación y análisis de la probeta en sí. No se puede hacer análisis de las probetas en bancos de prueba si no se tiene un ambiente controlado del mismo, que arroje la seguridad necesaria para conocer las condiciones exactas a la que está siendo estudiada la probeta. Es por esto que la instrumentación es el modo de conocer los parámetros en lo que se está realizando el ensayo y la certificación de los procesos cada vez que se quiera hacer repeticiones de los experimentos. Se tiene que decir que cualquier instrumento que sirva para la medición de un algo será tomado como parte de la instrumentación. No es necesario contar con grandes dispositivos de medición: como los de altas tecnologías, de usos electrónicos sofisticados, entre otros, sino una herramienta que permita la medición que sirva como medio comparativo para otros experimentos. En este apartado se explicará cómo está compuesta la instrumentación, el proceso de recolección de la data y la ubicación de los sensores en el banco de prueba. 7.3.1. Composición de la instrumentación: Receptor de la señal: En este proyecto se trabajará tres tipos de receptor de señal. El primero de ellos es una celda de carga para registrar la magnitud de la fuerza dinámica producida por la masa de impacto al momento del ensayo. Con los resultados que arroje este sensor durante el ensayo se puede conocer las curvas de carga versus tiempo a la que respondió la probeta.

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El segundo de ellos es un transductor de velocidad, que medirá la velocidad de impacto a la que va a ser sometida la probeta a ensayar. Este dispositivo será de suma importancia ya que medirá la velocidad de impacto que servirá para conocer la energía con que fue impactada la probeta. El último componente que se usará para medir la deformación de la probeta durante el ensayo es un transductor de desplazamiento. Este resultado se comparará con los resultados obtenidos por la celda de carga para generar la curva carga vs desplazamiento, observando la disipación de energía de la probeta a ensayar. Tarjeta de desarrollo: Las señales obtenidas de los sensores mencionados anteriormente deberán pasar por un proceso de modificación que servirá para preparar la señal, para que sea codificada por el computador. Este proceso descrito se llama tarjeta de desarrollo. Esta tarjeta de desarrollo servirá para una sola señal, es decir, se necesitará una tarjeta de desarrollo para cada sensor. La señal registrada por los sensores al entrar a la tarjeta de desarrollo pasa por dos procesos fundamentales: El canal de adquisición y controlador. El primero de ellos sirve para limpiar la señal de ruidos o perturbaciones que no permitan la clara visualización de la señal. Dentro de este canal, la señal pasa por un filtro pasa bajo que permitirá el paso de frecuencias bajas y atenuará las frecuencias altas de la señal. Luego la señal pasará por un filtro pasa alto que permitirá el paso de frecuencias altas y atenuará sus frecuencias bajas. Finalmente en el canal de adquisición la señal pasa por una amplificación llamada nivelador DC, que limita la señal en valores de 0 a 5 voltios que servirá para preparar la señal que va al controlador. El segundo proceso es el controlador cuya función es convertir la señal analógica en digital o datos serial, para que la señal sea codificada al computador. Para que este proceso se dé con las tres señales juntas es necesario un protocolo de comunicación, que sirve como puerto para las tres señales resultantes se observen simultáneamente en la computadora. La computadora debe tener un software matemático que ofrece un lenguaje de programación propio, que comprenda la representación de los datos y funciones de la señal para su análisis, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuarios y la comunicación con programas en otros lenguajes y otros dispositivos hardware. (Figura 7.1) En la Figura 7.2 se muestra la ubicación de los sensores de velocidad, desplazamiento y carga de impacto en el banco de prueba 58

Figura 7.1. Bloque de Aplicaciones Operacionales de la Instrumentación

59

Figura 7.2. Ubicación de los sensores en el banco

60

7.4. Manual de operaciones Un manual de operaciones es el instrumento que contiene la descripción de actividades que deben seguirse en la realización de las funciones de un dispositivo. Este manual incluye información, pasos, estrategias necesarias a utilizar y cualquier otro dato que pueda complementar al correcto desarrollo de las actividades dentro del banco de prueba. En la Tabla 5.1, se encuentra registrada la información básica referente a las características y limitaciones del banco de prueba, para que los operadores hagan uso del banco adecuadamente. Tabla 7.1. Descripción de las características del Banco de Prueba

Banco de Prueba Altura máxima del banco: Velocidad máxima de impacto: Carga máxima de impacto: Altura máxima de impacto: Fuerza máxima de impacto: Tipo de probeta

2.7 m 6.3 m/s 3N 2m 20.6 kN

Material: Forma: Tamaño: Diámetro: Orientación de rombos:

Metal Expandido Cilíndrica Altura: 50cm 0.28 m 0˚

7.4.1. Utilidad del Manual de Operaciones 1.

Permite conocer el funcionamiento interno por lo que respecta a la descripción de las

funciones y requerimientos del banco de prueba para cumplir con una ejecución efectiva. 2.

Auxilian en el adiestramiento y capacitación del personal ya que describen en forma

detallada las actividades del banco de prueba. 3.

Sirve para el análisis o revisión de los procedimientos realizados al banco de prueba.

4.

Genera tareas de simplificación de trabajo como análisis de tiempos, delegación de

personal e instrucciones a seguir.

61

5.

Este manual sirve para establecer un sistema de procedimientos existentes, así

controlando el cumplimiento de las rutinas de trabajo y evitar su alteración arbitraria. 6.

Con el manual de operaciones se comprueba de forma más sencilla las responsabilidades

por fallas o errores. 7.

Aumenta la eficiencia de los técnicos y/o empleados, indicándoles lo que deben hacer y

cómo deben hacerlo. 7.4.2. Procedimiento de las operaciones. Protocolo de Iniciación 

Antes de comenzar cualquier ajuste del banco de prueba es necesario ensamblar los

móviles de manera correcta. Este ensamblaje es el mismo para ambos móviles con la diferencia de que para cada uno llevará una configuración de brazo principal distinto. 

Se colocarán las dos láminas (láminas 1 y 2) correspondientes al móvil, colocando los

tornillos y tuercas (a y b) sin ajustarlos. 

El paso siguiente será ubicar las ruedas o rodamientos internos (rod_int1 y rod_int2 ) del

móvil para colocarlos en su posición inicial sin ajustarlos 

Luego se colocan los rodamientos externos en las láminas 1 y 2 y se ajustan para fijar su

posición en el móvil. 

Inmediatamente se chequean las distancias para verificar que los rodamientos externos

(rod_ext1 y rod_ext2) estén en contactos tangencial con las paredes internas de la viga doble T, y se ajustan los tornillos (a y b) para fijar la distancia ya determinada. 

Prontamente se ajusta los rodamientos internos (rod_int1 y rod_int2) asegurándose que

estén en contacto tangencial con las paredes internas de la viga doble T y se ajustan los tornillos (a y b) para fijar la distancia ya determinada. 

Realizado el procedimiento anterior se ajusta la lámina 3 con los tornillos (c, d, e, f)

verificando que la distancia ajustada no tenga roce con alguna parte de viga doble T. Tomando en cuenta que el ensamblaje anterior (láminas-rodamientos) coincidan con la viga doble T generando que el único movimiento sea el vertical sin juego, tanto del lado derecho como el del lado izquierdo.

62

Figura 7.3. Partes del Móvil 1 para su ensamblaje (a) Vista Isométrica, (b) Vista de plata.

Una vez ensamblado el móvil se verifica el funcionamiento de los sensores y se colocan en su posición de muestreo (Figura 7.4).

Figura 7.4. Ubicación de muestreo de los sensores en el Banco de Prueba

63

Desplazamiento del Móvil: este procedimiento se realiza desplazando el móvil 1 a la altura de impacto deseada y se fija su posición colocando un perno (p1) entre los agujeros que traspase las orejas de izamiento (S1) Masas de Impacto: se le colocan las masas de impacto (pesas de gimnasio) en el tubo cilíndrico que se encuentra ubicado en el móvil 1 y se fija con la tapa sujetadora. Este procedimiento se realiza para que las masas no se salgan al momento de la prueba de impacto. Móvil 2: se coloca el móvil dos sobre la probeta para la correcta toma de datos. La Probeta: la probeta presentada en el banco de prueba está elaborada con metal expandido. La ubicación de la probeta para el ensayo a ejecutar estará situada en la base del banco señalado en la losa de concreto. Se sujeta la probeta ajustándole cuatro tornillos en las esquina de la plataforma ubicada en la base. Cabe destacar, que la probeta debe tener una base con cuatro agujeros que coincidan con los de la base metálica y que el metal expandido se encuentre en el centro de estos agujeros para su correcto ajuste. Inicio del ensayo: en este paso es necesario quitar el perno sujetador de las masas rápidamente y se deja caer el móvil en la probeta previamente seleccionada. Los Resultados: se observan los resultados recolectados en el software y se procede a guardarlos para su posterior análisis. Retiro de las masas de impacto: inmediatamente se procede a retirar las masas de impacto, se sube el móvil a la altura más cercana a los agujeros sujetadores, se le coloca el perno para fijarlo y se retira la probeta para realizar sus análisis de deformación. Establecimiento del Banco: Para otro posible análisis de probeta es necesario cubrir los pasos mencionados anteriormente. En las siguientes imágenes se presenta el Banco de Prueba con los pasos antes mencionados para el mejor entendimiento de la operatividad del mismo:

64

Figura 7.5. Proceso de realización del ensayo Parte 1

65

Figura 7.6. Proceso de realización del ensayo Parte 2

66

Figura 7.7. Proceso de realización del ensayo Parte 3

67

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

-

El banco de prueba está diseñado para probetas de metal expandido a 0˚ grados. En casos

que se desee realizar ensayos con otro tipo de probeta se deberá tomar en cuenta las limitaciones del banco diseñado. -

Los resultados obtenidos en el diseño del Banco de Prueba tienen que ser validados de

manera experimental. -

El móvil del banco puede sostener una carga estática máxima de hasta 3N. De lo contrario

se podrían ocasionar deformaciones plásticas del mismo. -

La altura máxima a la que se puede ensayar será de 2m, debido a la altura prediseñada en

el Banco de Prueba y la carga dinámica a la que podrá llegar la masa de impacto teóricamente será de 20.613kN. -

La velocidad máxima a la que llegará la masa de impacto teóricamente será de 6.3 m/s. Se

recomienda comprobar este resultado de manera experimental. -

Las piezas evaluadas en las simulaciones con elemento finito y cuyos resultados se

presenciaron zonas con esfuerzos mayores al esfuerzo de fluencia, se produjo debido a la forma y ubicación de estas concentraciones y no se puede percibir si en la realidad la falla será generada de esa forma como se presenta en la simulación. Sin embargo, se sugiere que al momento de construir el banco se verifiquen los datos arrojados en estas zonas de falla, para certificar la resistencia del mismo. -

Se concluye que en las zonas analizadas con elemento finito donde los esfuerzos

superaron fluencia, son zonas de incertidumbre porque están situadas en zonas donde las condiciones de borde son una aproximación a la realidad. -

Una vez seleccionado los elementos estructurales que conforman el banco se diseña el

manual de operaciones que ayudará al entrenamiento del personal para garantizar el buen funcionamiento del banco de prueba.

68

-

No se puede hacer análisis de las probetas en bancos de prueba si no se tiene un ambiente

controlado del mismo, que arroje la seguridad necesaria para conocer las condiciones exactas a la que está siendo estudiada la probeta. Es por esto que la instrumentación realizada en esta investigación nos dará el modo de conocer los parámetros en lo que se está realizando el ensayo y la certificación de los procesos cada vez que se quiera hacer repeticiones de los experimentos. -

Los planos presentados en la investigación facilitarán la elaboración y construcción del

Banco de Prueba. -

El Banco de Prueba ayudará a ampliar las investigaciones experimentales realizadas con

Metal expandido.

69

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Boccardo, R. (2006). Creatividad en la Ingeniería de Diseño. Editorial Equinoccio. CaracasVenezuela. P.48-50. Milani, R. (1997) Diseño para nuestra Realidad. Editorial Equinoccios. Caracas. Saavedra, E. (2011). Estudio numérico de estructuras fabricadas con mallas de metal expandido sometidas a carga de impacto. Tesis de Grado, Universidad Simón Bolívar, CaracasVenezuela. Escalona, L. (2005) Estudio Experimental de la capacidad de absorción de energía

por

deformación del Crush Zone del vehículo F-SAE USB. Tesis de Grado, Universidad Simón Bolívar, Caracas-Venezuela. Abramowicz, W y Jones N (1984). Dynamic axial crushing of circular tubes. Ø. Jensen*, M. Langseth, O.S. Hopperstad (2004). Experimental investigations on the behaviour of short to long square aluminium tubes subjected to axial loading. Teramoto, SS y Alves, M (2004). Buckling transition of axially impacted open shells. Nia, AA y Hamedani, JH (2010).Comparative analysis of energy absorption and deformations of thin walled tubes with various section geometries. Mulder, D (2005). Expanded Metal. US. Patent No. US 2005/0060858 A1. 2005-03-27. 20 p. Sánchez, R y Graciano, C. (2005). Determinación de las Propiedades Mecánicas de Láminas de Metal Expandido. Tesis de Maestría, Universidad Simón Bolívar, Caracas-Venezuela. Nagel GM, Thambiratnam DP. A numerical study on the impact response and energy absorption of tapered thin-walled tubes. International Journal of Mechanical Sciences (2004); 46(2): 201–16.

70

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Referencias de Internet

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71

APÉNDICE

72

APÉNDICE A: PLANOS Y PRESUPUESTO

MATERIALES PERFILES Doble T IPN 160 3x4in 120mm x 60mm Tubo cilindrico φ = 1in, L=15cm LÁMINA DE ACERO 1200x2400 - 6mm RODAMIENTOS SKF 6205 N SKF 305-2Z INSTRUMENTACIÓN Celdas de Cargas Sensor de velocidad Sensor de desplazamiento Cables componentes para la toma de data LOSA DE CONCRETO Losa de concreto Plataforma metática TORNILLOS Y TUERCAS Tornillos Hexagonal 1/2 - 13 Tornillos Hexagonal 3/8, 16 Tornillos Hexagonal 3/8, 16 Tuerca Hexagonal 1/2 - 13 Tuerca Hexagonal 3/8, 16 Tuerca Hexagonal 3/8, 16 SOLDADURA Aporte PESAS Se extrae de la lámina de 6mm TOTAL

PRECIO UNITARIO CANT. TOTAL (Bs) (Bs) 1229 454 700 30

1 1 1 1

1229 454 700 30

250

3

750

80 80

16 8

1280 640

1500 700 650 250 600

1 1 1 1 1

1500 700 650 250 600

2100 200

1 1

2100 200

30 30 30 30 30 30

16 16 8 16 16 8

480 480 240 480 480 240

5

20

100 0 13583

APÉNDICE B: PLANOS DE ENSAMBLAJE

APÉNDICE C: CATÁLOGOS