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Análisis de los componentes estructurales de un aerogenerador de 3 kW mediante simulación numérica
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-06-02) Lavayen Farfán, Daniel; Yépez Castillo, Herbert; Franco Rodríguez, Rosendo
En el mundo actual es cada vez más evidente la tendencia de cambiar las fuentes de energías tradicionales por otras que sean más limpias, eficientes, y que además estén al alcance del sector rural. Una de estas alternativas energéticas es la energía eólica, para la cual se utilizan máquinas conocidas como aerogeneradores; los cuales convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica. Dado que la velocidad del viento aumenta con la altura, se prefiere que los aerogeneradores se ubiquen a cierta distancia suelo, para lo cual cuentan con estructuras que las posicionan a la altura ideal. Dichas estructuras son típicamente torres esbeltas y deben soportar el peso de los equipos, el empuje del viento a lo largo de la estructura, cargas sísmicas, entre otras; por tal motivo el diseño de estos componentes estructurales debe tener en cuenta todos los factores de diseño para asegurar el correcto funcionamiento del aerogenerador. La presente tesis tiene como objetivo conocer el comportamiento estático y dinámico de un aerogenerador prototipo de 3kW, como una iniciativa de apoyo al sector rural, utilizando simulación numérica por el método de elementos finitos (MEF). Para lograr el objetivo planteado se realizó un estudio previo analítico de los componentes estructurales para poder obtener valores de esfuerzos, desplazamientos y reacciones referenciales, así como un estudio vibratorio de la torre para obtener valores de frecuencias naturales referenciales. Al comparar los valores obtenidos se encontró que los errores porcentuales entre los distintos métodos estuvieron alrededor de 10% Posteriormente se realizaron diversos ensayos en modelos cada vez más complejos hasta llegar a modelos que se asemejaron en gran medida a la estructura del aerogenerador y que también cumplieron los criterios y resultados analíticos. Luego de tener un modelo totalmente validado se procedió a cargar el modelo con distintas combinaciones de carga para evaluar el comportamiento de la estructura bajo diversas condiciones. Después de evaluar los diversos resultados obtenidos se determinó que el mayor problema de la torre se encuentra en la unión entre la torre y cables tensores (factor de seguridad de 1.14); las cuales en caso de fallar comprometerían toda la estructura de la torre. Por lo tanto se propusieron modificaciones para evitar un colapso inmediato en caso alguna de las uniones falle.
Estudio comparativo del colapso de perfiles tubulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-27) Yarasca Huanacune, Jorge Andrés; Lavayen Farfán, Daniel
En la presente tesis se realizó un estudio comparativo del colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Las curvas características de los tubos rectangulares fueron evaluadas mediante simulación numérica y modelos analíticos reportados en la literatura. Para validar los resultados de las simulaciones numéricas, se comparó las curvas características de bisagra plástica obtenidas computacionalmente con resultados experimentales presentados por Kecman (1979). Posteriormente, los modelos numéricos fueron utilizados para determinar el grado de correlación entre las curvas características con diferentes parámetros geométricos y de material. La tesis está dividida principalmente en tres partes. En la primera parte se presenta el fundamento teórico de las principales teorías de colapso por flexión de tubos rectangulares (Kecman (1979,1983), Wierzbickiycol. (1994b), y KimyReid (2001)). El cálculo del momento máximo y el análisis del mecanismo de colapso fue explicado detalladamente. En la segunda parte se analizó mediante simulación numérica el colapso de tubos rectangulares en ensayos de flexión de 3 puntos y viga en voladizo. Para generalizar las conclusiones de este trabajo, se clasificó los tubos rectangulares de acuerdo a su modo de colapso utilizando el parámetro adimensional Ocr/Oy. Después se realizó un estudio comparativo sobre el colapso en los ensayos de flexión. En general, los resultados demostraron que la carga transversal ejercida por el indentador en el ensayo de flexión de 3 puntos provoca que el perfil colapse prematuramente. Por último se comparó las curvas características generadas con modelos analíticos y numéricos para determinar en cuáles casos es recomendable utilizar las teorías de colapso. En la tercera parte se reportan las conclusiones del presente trabajo de investigación.
Non-linear beam theory in context of bio-inspired sensing of flows
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-31) Lavayen Farfán, Daniel; Behn, Carsten; Elías Giordano, Dante Ángel
The thesis at hand is part of a research project that attempts to study and develop vibrissa inspired tactile sensors for object and fluid flow detection. The main focus of the thesis is on the development of a model for a vibrissa-like sensor for obstacle contour recognition under fluid loads. To this end, a mechanical model – based on the non-linear Euler-Bernoulli beam theory – is established. The model includes the main characteristics found in a natural vibrissa, such as elasticity of the base, that acts as the vibrissa follicle; the intrinsic curvature; and conicity. The characteristics are represented as parameters of the model. The model is subjected to a contact load and a fluid flow load, represented by a concentrated load and a distributed load, respectively. Then, the model is transformed into a dimensionless representation for further studies to achieve more general assertions. A variation of the magnitude of these loads, as well as the vibrissa parameters is also analyzed. A direct numerical approximation using the finite difference method, along with the shooting method, is used to obtain a solution of the model. Subsequently, the model is used to simulate an ideal contact between an obstacle and the vibrissa. This simulation considers a quasi-static sweep of the artificial vibrissa with the contour of a profile, while measuring and recording the forces and moment at the base. This procedure is then repeated in combination of a distributed force acting on the vibrissa, simulating the effect of a fluid flow. Two types of contact phases are identified and the conditions for each one are set. Finally, the measured quantities, which represent the observables an animal solely relies on, are used to obtain the magnitude of the fluid load and to reconstruct the profile contour of the obstacle. The developed model is used again for the reconstruction, an analysis of the observables is performed to identify and predict which contact phase the vibrissa is in. The results successfully show identification of the fluid flow load as well as reconstruction of the profile, the difference between the reconstructed profile and the original profile is then calculated as a measure of reconstruction quality.
Study of structural joints with composite materials to enhance the mechanical response of bus superstructures
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-09-22) Lavayen Farfán, Daniel; Rodríguez Hernández, Jorge Antonio
Steel structures have an ubiquitous presence in several industries due to their availability and low price. Bus super-structures are typically built using structural steel hollow shapes and serve a major role during crashes and rollovers, as they protect the passengers by absorbing the kinetic energy of impacts and dissipating it as plastic deformations. In recent years, composite materials have gained protagonism in numerous applications due to their high specific strength and stiffness. However, costs and manufacturing complexity have made all-composite automotive structures economically unfeasible. Thus, the current tendency is the use of multimaterial structures: using composites only in the zones where they are needed, while keeping an inexpensive material, like steel, elsewhere. Hollow structural shapes, used in bus structures, are susceptible to bending collapse failure during rollover and crashes, which must be precisely predicted and calculated. Existing theoretical models for this failure mechanism have certain limitations to account for larger thickness, plastic hardening, and composite reinforcements. The present work aims to address these limitations through the development of new theoretical models for the so-called medium-thin-walled hollow shapes, as well as for reinforced CFRP-Steel hollow shapes. Both materials are joined using structural adhesives due to their ease-of-use and relatively low price. Experimental test results have shown the validity and accuracy of the proposed models. These proposed models are then implemented in a concept model of a bus structure to address its crashworthiness and the effectiveness of the reinforced shapes.