El análisis estructural de la maquinaria de los astilleros mediante el método de los elementos finitos (MEF) es una herramienta importante para promover la Structural Integrity de los activos. Puede aplicarse, por ejemplo, para comprobar posibles fallos de diseño, investigar fenómenos imprevistos/desconocidos y proporcionar apoyo técnico para la planificación del mantenimiento.

Para saber más sobre este método aplicado a maquinaria de patio a gran escala para la manipulación de graneles, conozca un caso de éxito de Kot Engenharia en este artículo. Y para repasar los fundamentos del MEF, consulte este artículo: El método de los elementos finitos.

Análisis estructural de una recuperadora de mineral

Kot llevó a cabo la validación estructural, mediante el método de los elementos finitos, de una recuperadora de rueda de cangilones con una masa aproximada de 1.800 toneladas y una capacidad de proceso de unas 11.000 toneladas/hora. Se trata de uno de los activos responsables de la manipulación de mineral de hierro(sinterizado y alimentación de pellets) en la planta de un cliente.

El análisis mediante el método de los elementos finitos comienza con la modelización informática del bien en un programa informático deingeniería asistida por ordenador(CAE). En el entorno de software es posible generar un modelo tridimensional que reproduzca con precisión la geometría del activo. La figura 1 muestra el modelo generado de la recuperadora y la división de sus componentes.

Figura 1: Modelo de elementos finitos de la recuperadora - FUENTE: Kot Collection.

La figura 2, en cambio, muestra una representación diferente, indicando los elementos de cáscara y barra utilizados para realizar este modelo.

Figura 2: Ubicación de los elementos de armazón y barra en el modelo de la recuperadora - FUENTE: Kot Collection.

Las máquinas de patio de este tipo trabajan bajo elevados índices de carga, procedentes del propio peso del equipo, las cargas del viento y las cargas de funcionamiento. El análisis mediante elementos finitos permite discretizar estas cargas y aplicarlas a la disposición estructural del equipo. A partir de las cargas aplicadas, se realizan análisis estáticos, de fatiga, de pandeo, de conexión, de estabilidad y modales. Los resultados se interpretan según los criterios establecidos por las normas.

En el análisis estático de la recuperadora en cuestión, se adoptaron criterios normativos específicos para los elementos sometidos a diferentes envolventes de tensión e índices de utilización (UI) para cada combinación de carga. Al analizar los elementos de barra, no se encontraron índices de utilización por encima del nivel admisible. Al analizar los elementos de armazón, se observó que, en determinadas regiones del arriostramiento, los UI de la estructura superaban los valores normativos, como se muestra en la figura 3.

Figura 3: Gráfico de los índices de utilización de la estructura en el análisis estático - FUENTE: Colección Kot.

El análisis de fatiga utilizó la metodología de evaluación normativa para una vida de diseño y unos ciclos de carga definidos. En esta fase, se consideró que el equipo cargado con mineral estaba sometido a movimientos de funcionamiento como inclinación, traslación y rotación. Como resultado, se observaron regiones con UIs máximas dentro del rango admisible en la región del pórtico de la máquina, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Trazado de los índices de utilización de la estructura en el análisis de fatiga - FUENTE: Kot Collection.

Al analizar el pandeo local de las placas principales del recuperador de mineral, se comprobaron las tensiones admisibles según los criterios establecidos. Estas regiones suelen estar sometidas a cargas de compresión, lo que puede generar el efecto de fallo elástico local de determinados componentes. En esta recuperadora, las regiones se analizaron y comprobaron teniendo en cuenta las tensiones, los parámetros del material y las condiciones de contorno. Los resultados obtenidos estaban dentro de los límites aceptables.

Las conexiones se analizaron según criterios normativos preestablecidos utilizando el método analítico. Cabe destacar la importancia de comprobar las conexiones, dados los tipos de conexión de los equipos, ya sean rígidas, flexibles o con pasadores. Los resultados calculados también estaban por debajo de los índices de utilización admisibles. En la figura 5 se muestran algunas de las conexiones.

Figura 5: Conexiones con clavijas del equipo - FUENTE: Kot Collection.

El análisis modal evaluó la posibilidad de resonancia de la estructura, teniendo en cuenta las fuentes de excitación, como el viento y los elementos giratorios del equipo. El análisis comprobó las frecuencias de riesgo de distintos modos de vibración natural del equipo. En uno de los modos, se identificó el riesgo de resonancia de algunos elementos giratorios de la cinta transportadora del equipo, con una advertencia. En la figura 6 puede verse uno de los modos de vibración natural del equipo.

Figura 5: Conexiones con clavijas del equipo - FUENTE: Kot Collection.

Por último, se indicaron los puntos preocupantes y la necesidad de inspecciones durante el mantenimiento del activo. Aunque algunos índices de utilización eran superiores a los admisibles, no fue necesario proponer refuerzos para la estructura.

A la hora de resolver problemas de ingeniería mediante el método de los elementos finitos, es necesario conocer las normas que establecen los criterios adecuados para cada tipo de análisis, así como definir correctamente las condiciones de contorno, las restricciones, la masa y la posición de los componentes no modelizados. Además, es necesario medir y analizar las tensiones a las que está sometido el equipo a lo largo de su vida útil. Con este método de cálculo se fomenta el desarrollo y la evaluación con alta fiabilidad, especialmente desde la perspectiva de la Structural Integrity del activo.

Kot Engenharia tiene la experiencia y los recursos necesarios para llevar a cabo simulaciones estructurales de maquinaria de patio, como en el caso relatado en este artículo. Contacte con nuestro equipo para más información

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