Ingeniería Mecánica (Mag.)
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Item Uso de la simulación numérica como alternativa a los ensayos destructivos contemplados en las Normas ISO 3449 y 3471. Caso de estudio cargador frontal modelo HS10E(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-07) Rojas Asto, Pavel; Alencastre Miranda, Jorge HernánEl presente trabajo desarrolla un procedimiento general para la simulación por elementos finitos de dos ensayos destructivos contemplados en las normas ISO 3449, para el impacto de objetos en caída libre, y la ISO 3471, para volcadura de equipos móviles. El procedimiento propuesto abarca la compresión de la solicitud del diseño a evaluar (donde se realiza una lista de exigencias para tener claros los puntos de mejora y las restricciones del estudio), las evaluaciones preliminares (que permiten identificar las necesidades para la simulación), el tipo de simulación a realizar, la selección del programa computacional , la geometría de la estructura que se requiere analizar, la definición de las cargas, los apoyos y los materiales involucrados en el análisis, el preprocesamiento (donde se realiza la generación de la maqueta virtual, en la cual se asignan las propiedades del material, las generaciones de la malla en la estructura, los apoyos y cargas, estas últimas definidas en las evaluaciones preliminares), el post procesamiento (en donde se determina los resultados y graficas que se solicitará al programa) y la interpretación de los resultados. Para determinar la eficacia de este procedimiento se realizó el análisis de la estructura de un equipo móvil, el cual fue sometido a este procedimiento, determinándose que para el caso de la simulación para la norma ISO 3449 se requiere una simulación del tipo explicita por estar relacionado con el análisis de impacto y para el caso de la simulación de la norma ISO 3471 se requiere una simulación del tipo no lineal, tanto por superar los límites de fluencia del material como por tener grandes deformaciones plásticas. Los resultados obtenidos son coherentes con el resultado analístico y como el comportamiento esperado de la estructura, el cual se demuestra que el procedimiento propuesto cumple con el objetivo y permite hacer repetitivo el análisis hasta obtener resultados satisfactorios para el diseñador antes de someter la estructura al ensayo destructivo, reduciendo los costos y tiempo de mejora en las estructuras que requiere de dichos ensayos.Item Simulación unidimensional del comportamiento dinámico de una tubería horizontal biempotrada que transporta flujo bifásico gas – líquido usando un modelo homogéneo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-25) Castillo Neciosup, David Guillermo; Ortiz Vidal, Luis EnriqueLa vibración inducida por flujo bifásico (2-FIV) en tuberías es un fenómeno frecuente en industrias como la nuclear e hidrocarburos. Para el caso de flujo bifásico gaslíquido, estudios muestran una fuerte influencia de la velocidad de la mezcla y fracción de vacío sobre el comportamiento dinámico de tuberías. En el presente trabajo se estudia el fenómeno de vibración inducida en tuberías horizontales biempotradas usando un modelo homogéneo sin deslizamiento para la mezcla bifásica. Se trata de una abordaje común en el tópico de flujo multifásico, pero hasta ahora no utilizada en el estudio 2-FIV. La ecuación de movimiento del sistema es derivada a partir de la formulación clásica de Païdoussis. Se asume la teoría de Euler-Bernoulli para vigas y pequeñas deflexiones. Se obtiene una ecuación diferencial parcial (EDP) acoplada fluido-estructura de cuarto orden. Esta se adimensionaliza y discretiza mediante el método de Galerkin. Este método transforma la EDP en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) de segundo orden. Así mismo, el método state-space es utilizado para transformar las EDOs en sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden para calcular las frecuencias del sistema. La respuesta estructural también es calculada. Las frecuencias y respuesta son calculadas para diferentes propiedades geométricas y condiciones de flujo. Para la estabilidad fluidoelástica, los resultados muestran que la frecuencia disminuye al aumentar la velocidad de la mezcla. Si disminuye la fracción de vacío homogénea, decrece la frecuencia. Con respecto a la respuesta estructural, la máxima amplitud ocurre en el punto central de la tubería. Además, variaciones apreciables del valor de la amplitud son observadas para altas velocidades superficiales de la mezcla. Estos resultados teóricos coinciden con los resultados experimentales reportados en la literatura.Item Modelado numérico de la vibración inducida por flujo turbulento en tuberías horizontales mediante modelos multifísicos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-18) Blas Cajas, Michael Anderson; Franco Rodríguez, RosendoEn el presente trabajo se modela numéricamente la vibración inducida por flujo interno turbulento en tuberías horizontales biempotradas utilizando modelos multifísicos. Existen pocos trabajos que exploren la vibración inducida por flujo utilizando este enfoque, a su vez que no presentan una metodología clara para su aplicación. Este trabajo se centra en la definición de un modelo numérico detallado del fenómeno, que consta del modelado del flujo, la tubería y su interacción. En el modelo numérico del flujo, se empleó el Método de Volúmenes Finitos junto con el modelo de turbulencia tipo LES, WMLES SOmega. Se aplicó la condición de periodicidad para reducir el costo computacional de simular un flujo turbulento completamente desarrollado. En el modelo numérico de la tubería, se empleó el Método de los Elementos Finitos junto al método de integración temporal HHT-𝛼����� generalizado. Se consideró el modelo elástico-lineal para el material de la tubería. En el modelo de la interacción fluido-estructura, se empleó el acoplamiento unidireccional (1-way) modificando la densidad de la tubería para incluir el efecto de la inercia del fluido. La implementación del modelo numérico definido se realizó en el software ANSYS 2020 R1. Posteriormente, se aplicó el modelo implementado para evaluar la influencia de la velocidad del flujo en la respuesta vibratoria del sistema flujotubería. Se consideró una tubería horizontal biempotrada de PVC, de 20,4 mm de diámetro y 1,53 m de largo, que transporta agua como fluido, considerando cuatro velocidades de flujo distintas. Los resultados de esta aplicación muestran una adecuada correspondencia con estudios experimentales y analíticos al determinar las amplitudes y frecuencias fundamentales de vibración del sistema, y capturar el aumento de la amplitud de vibración conforme se incrementa la velocidad del flujo. Esto sugiere que el modelo numérico definido es adecuado y puede ser una herramienta importante para estudiar el fenómeno de vibración inducida por flujo en tuberías.Item Estudio teórico y experimental del comportamiento dinámico de una estructura articulada cuya geometría es modificada por elementos tensores en forma análoga a una articulación del dedo humano, sistema aplicado al desarrollo potencial de elementos alares de aeronaves subsónicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-06-05) Córdova Córdova, Luis Francisco; Rivera Campos, Richard AlbertoEl objetivo general de esta tesis es estudiar teórica y experimentalmente el comportamiento dinámico de una estructura articulada construida a partir de elementos viga y barra que es utilizada como modelo simplificado de un ala articulada de una aeronave subsónica y cuya geometría es modificada mediante un sistema propuesto de actuación análogo al hallado en una articulación del dedo humano. Inspirado en los sistemas de extensión y flexión del dedo humano, el sistema propuesto de actuación consiste en el uso de cables tensores a modo de tendones artificiales para modificar la rigidez y permitir el cambio geométrico de la estructura estudiada. Al permitir que alas articuladas adapten una posición óptima durante todas las fases de vuelo, este sistema de actuación generaría operaciones más eficientes y una menor huella de carbono que las alas rígidas, las cuales están normalmente diseñadas para tener un desempeño óptimo sólo en el rango de velocidad crucero. Para estudiar el comportamiento dinámico de la estructura articulada con tendones artificiales, se desarrollaron tres modelos matemáticos y se formularon sus ecuaciones de movimiento. Asimismo, se construyó un modelo experimental y se diseñó tres grupos de experimentos para evaluar los efectos de las variaciones de tensión y geometría sobre las frecuencias naturales de la estructura. A partir de la comparación de resultados teóricos y experimentales, se concluyó que los modelos matemáticos propuestos son adecuados para predecir el comportamiento dinámico de la estructura articulada con tendones artificiales, y que las modificaciones de tensión y geometría reconfiguran las frecuencias naturales del sistema dinámico.Item Investigation of different compliant mechanisms(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-14) Sea Ordaya, Alexander Javier; Alencastre Miranda, Jorge HernánThe use of flexible mechanisms has been increasing in the recent years. This is due of the advantages that offer with respect to rigid mechanism. However, the method to study them become more complicated. Just to mention, the mathematical equations to investigate their behavior are of a higher level, so the assistance of calculation software is required. For this reason an analytical model is developed to facilitate the study of compliant mechanism. To do this, a review of the theory involved in the calculation of compliant mechanism is made and applied in the development of the analytical model. In this case the equations derived from the Euler-Bernoulli Beam Theory were used. In order to have a contrast of results, a software that use the Finite Element Method was used. After the simulation of the structures in both models, the relative errors were obtained. In the case of the simulations to obtain the displacement due to external forces, only the first node of the structures were defined as “Clamp” and the external forces were applied to the rest of the nodes. For this investigation, nine structures were simulated. To obtain a representative relative error, an average of them were calculated, which are 5.69% and 4.28% in the x and y axis respectively. Subsequently, because in all the cases, the first node is fixed, the moment at that node were obtained and compared. The average relative error found was 1.74%. After that, the simulations to obtain the forces due to the rotation of the structures were carried out. To make the simulations, the structures rotate in the range of -0.4 rad and 0.4 rad with steps of 0.1 rad. For this investigation, 4 structures were simulated and 14 parameters were defined. The maximal relative error found was 5.05%. Finally, an study of the behavior of the normalized moment at the first node of the 4 structures when the 14 parameters vary was carried out. In this investigation it was found on one hand that the parameters R1 and R2 from the structure 3 have good influence in the curves but on the other hand, the parameters R1 and α from the structure 4 have almost no influence.Item Finite element simulation of real test procedures on drawn wires(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-17) Sanchez Damas, Shwanne Kimberling; Alencastre Miranda, Jorge HernanLa simulación por elementos finitos se ha convertido en una herramienta clave para el análisis y optimización de procesos de ingeniería, ya que permite el análisis de un gran número de condiciones a un coste relativamente bajo. En este trabajo se ha utilizado esta herramienta para el análisis de un proceso de trefilado multietapa, así como para la implementación de ensayos de tracción y torsión en dichos alambres trefilados. El objetivo es evaluar los diferentes modelos de endurecimiento para el proceso de trefilado y para los ensayos de prueba señalados. Se ha realizado la simulación del ensayo de tracción del alambre tras cada etapa de trefilado y se ha automatizado la obtención de los parámetros mecánicos más importantes. Luego, estos se han contrastado con valores experimentales para analizar los resultados obtenidos con los diferentes modelos de endurecimiento. Asimismo, los valores de daño se calculan según los criterios de Cockroft y Latham para el proceso de trefilado, para el ensayo de tracción y adicionalmente se calcula el daño total en el alambre, es decir el daño generado debido al trefilado después de cada etapa juntamente con el daño generado por el ensayo de prueba. Todos estos procedimientos se han realizado utilizando diferentes modelos de endurecimiento seleccionados. Finalmente se analizan los resultados obtenidos, se presentan las conclusiones y la proyección de perspectivas para futuros estudios.Item Análisis computacional y experimental sobre el comportamiento mecánico de las juntas no convencionales en los perfiles de aluminio estructural V-Slot(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-03) La Rosa Rojas, Victor Armando; Alencastre Miranda, Jorge HernanLos perfiles de aluminio estructural son normalmente obtenidos a partir de la extrusión, mediante este proceso se puede obtener distintas formas geométricas en la sección transversal del perfil, esto conlleva a que se desarrollen nuevas soluciones de juntas, que estén de acuerdo a los requerimientos de diseño. Es por ello que, el cumplimiento de las distintas solicitudes de diseño dependerá en gran medida de los distintos tipos de conexiones para unir estos tipos de perfiles. Dentro de este gran grupo se encuentran las juntas no convencionales, uno de estos casos es la junta tipo escuadra, que permite la sujeción de perfiles de aluminio en ángulos de 90 grados. Asimismo, permite el manejo y desmontaje sencillo de toda la estructura, sin recurrir al mecanizado, facilitando al operario poder reutilizar el perfil y la junta. Podemos encontrar, que este tipo de junta se utiliza en diferentes aplicaciones, tal como, en robots cartesianos, estructura de impresoras 3D, etc. Donde requieren soportar cargas medias bajas a altas. Sin embargo, la acción de dichas fuerzas sobre la unión no convencional requiere de cálculo y verificación de diseño. Pero, existe muy poca investigación disponible y los principales códigos estructurales (Eurocódigo 9) no proporcionan reglas definidas de diseño. Para evaluar el comportamiento mecánico de la junta y la influencia de estos sobre los perfiles de aluminio, se han desarrollado ensayos experimentales, cálculo teórico y análisis computacional. Las pruebas experimentales se desarrollaron en la universidad (PUCP). Estas, fueron sometidas a tracción y se verifico que lo primero que fallaba eran las tuercas cabeza de martillo, mas no el bracket, quien es la parte principal de la junta no convencional. Como consecuencia, el perfil horizontal se deflectaba en un aproximado de 2% respecto a la longitud efectiva de la viga. Asimismo, la fuerza máxima que soporta las aletas (canal) del perfil era casi 4 veces mayor a lo considerado por el fabricante. En general, todos los resultados obtenidos en la parte experimental, sirvieron para poder calibrar el modelo computacional, cuyos resultados fueron los esperados, con un margen de error de 9%. Finalmente, esta investigación ayudaría a suplir la falta de información. Como también, serviría para el diseño de estas juntas, tomando en cuenta los resultados obtenidos.Item Diseño de un sistema dispensador de clamshell y dosificador de arándanos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-15) Nuñez Cornejo, Ivanovha Grace; Barriga Gamarra, Eliseo BenjaminEl crecimiento de arándanos durante la última década en el Perú ha sido exponencial, siendo el 2022 el año donde el país se consagró como el primer exportador de la baya, esto trae consigo un rotundo aumento en el cultivo en todo el país, abriendo caminos a nuevos agricultores y potenciando el crecimiento de los ya establecidos. Sin embargo, uno de los principales desafíos enfrentados por este sector es el envasado. Más del 80% del proceso se realiza manualmente, ya que las máquinas disponibles están diseñadas para altos volúmenes de producción y tienen costos inalcanzables para muchos productores. El principal objetivo de este trabajo es diseñar una máquina dispensadora de clamshell y dosificadora de arándanos, que sea económicamente accesible y adecuada para operaciones de menor escala. Para alcanzar el objetivo principal del presente trabajo, se definieron los requerimientos del proyecto, estructura de funciones; además, del estado del arte actual para conocer las tecnologías y equipos existentes para el proyecto, se siguió la metodología de diseño donde, a través de una matriz, se realizó la selección de la solución conceptual; asimismo, se realizaron los cálculos detallados, simulación estructural, análisis modales, frecuencia y de vibración, así como la elaboración de los planos mecánicos, de control y eléctricos; finalmente se realizó un prototipo de cada subsistema validando su funcionamiento. Se culminó exitosamente con el diseño de la máquina dispensadora de clamshell y dosificadora de arándanos, capaz de envasar a un flujo de 90 kg/h. Además, se cumplió con todos los requerimientos establecidos para el proyecto, logrando un costo de fabricación de $6,760. Es importante destacar que esta cifra no incluye el costo asociado al diseño de la máquina.Item Design and investigations on soft tensegrity structures with magnetic actuation(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-08-31) Avila Mañuico, Eder Jhoel; Rodriguez Hernandez, Jorge AntonioLas estructuras de tensegridad suave están compuestas por elementos flexibles de elastómeros, que cumplen las funciones de piezas de tensión y compresión. También es posible tener elementos elastómeros que se vean afectados por fuerzas magnéticas, al añadir partículas ferromagnéticas a su composición. Esto abre la posibilidad de accionar una estructura de tensegridad blanda a través de fuerzas magnéticas que pueden afectar algunas partes de la misma. La presente tesis desarrolló un prototipo de mecanismo para accionar magnéticamente una estructura lineal de tensegridad blanda. Para lograr este movimiento, en primer lugar, se propuso un movimiento oscilante angular para una estructura de tensegridad lineal, y se estableció la configuración de los elementos de tensión pretensados. A continuación, también se explica en detalle el proceso de fabricación, teniendo en cuenta los cálculos por lotes, las consideraciones del molde y los pasos individuales de la fabricación de elementos de elastómero. Finalmente, se diseñó un mecanismo impulsor para accionar la estructura de tensegridad suave, y también se consideraron los cálculos cinemáticos del mecanismo.Item Evaluación del espaciamiento sobre el cordón en las uniones tubulares tipo “K” compuesto de perfiles cuadrados en el cordón y diagonales(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-08-31) Atachahua Pio, James Felix; Neira Alatrista, Gustavo AlbertoEn los últimos años, el uso de estructuras metálicas con perfiles tubulares ha experimentado un notable aumento debido a su comportamiento estructural y su aspecto estético en las construcciones. Como resultado, se han desarrollado normativas para regular el dimensionamiento y comportamiento de las uniones de este tipo de perfiles estructurales. Los programas de análisis por elementos finitos se han convertido en herramientas poderosas para simular y optimizar el comportamiento de las estructuras. En este trabajo, se presenta un estudio numérico de uniones soldadas tipo K con espaciamiento, utilizando perfiles tubulares de acero de sección cuadrada en las diagonales y el cordón. Se desarrollaron modelos numéricos con un estudio de refinamiento de malla y condiciones de borde para determinar la configuración más eficiente. Los modelos se calibraron utilizando ensayos experimentales de autores citados en la bibliografía, y se llevó a cabo un estudio paramétrico variando el espaciamiento entre las diagonales y el material de los perfiles disponibles en el mercado nacional. Se compararon las tensiones máximas antes de la falla según los criterios establecidos por la normativa. En general, los modelos calibrados mostraron una excelente correlación con los ensayos experimentales, validando el estudio paramétrico de las uniones que permiten identificar configuraciones seguras de uniones tubulares, optimizando el proceso de diseño y evitando costosos ensayos experimentales. Los resultados obtenidos demostraron que las uniones con menor espaciamiento son más resistentes.