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ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE UNA PRENSA HIDRÁULICA CON CIZALLA
USANDO MEF
Fidencio José Roberto Uribe Hernández^1 , Jorge Alfredo Mosqueda Avalos^2 , Jesús Eduardo Rodríguez Gutiérrez 3 , Miguel Ángel Guandulay Alcazar^4 , Julio Cesar Hernández Ramírez^5 y Edgar Octavio García Castro 6
Eje 1. La investigación en las Ciencias Básicas Mesa 2. Ciencias de la Ingeniería y Tecnología
Palabras Clave: (análisis, prensa hidráulica, MEF)
RESUMEN
Una prensa hidráulica es un mecanismo que está formado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores. El desarrollo del proyecto surgió de una necesidad, ya que en la mayoría de los talleres convencionales esta herramienta seria de muy útil para retirar distintas piezas mecánicas que estén sometidas a presión nuestra prensa será diferente a las que existen en el mercado ya que esta contara con una cizalla para cortar materiales blandos como hojas de aluminio, entre otras. Es por esto, que en el presente proyecto busca validar el prototipo propuesto y una metodología de análisis estructural mediante el Método del Elemento Finito, usando materiales comerciales. Este estudio nos permitirá visualizar gráficamente su rendimiento bajo condiciones de carga máxima, y su desempeño ante un confiable factor de seguridad.
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(^1) Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato: fide.uh.1500@hotmail.com (^2) Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato: jamosquedaavalos@gmail.com (^3) Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato; UTMOR-CA-07: eduardo.rod.gtz@gmail.com (^4) Universidad Tecnológica del Suroeste de Guanajuato; maguandulay@utsoe.edu.mx (^5) Universidad Tecnológica de Morelia, UTMOR-CA-07: jchernandez_16@hotmail.comedgar (^6) Universidad Tecnológica de Morelia, UTMOR-CA-07: octaviogc@yahoo.com.mx
INTRODUCCIÓN
Hoy en día las prensas son muy habituales, pero hace unos años no se conocían. Fue en el siglo XVII en Francia el matemático y filósofo Blaise Pascal comenzó una investigación referente al principio mediante el cual la presión aplicada a un líquido contenido en un recipiente se transmite con la misma intensidad en todas direcciones. Con este principio se pueden obtener fuerzas muy grandes utilizando otras más pequeñas.
En 1795 se le concedió una patente para su prensa hidráulica, que en la actualidad sigue siendo conocida como prensa Bramah El invento más importante de Bramah fue la prensa hidráulica. Esta prensa permite aplicar gran presión para dar forma a los materiales metálicos, aplicando el principio de Pascal.. (Joseph Bramah, Revista Rtve Articulo 2019., s.f.). Una prensa hidráulica es un mecanismo que está formado por vasos comunicantes impulsados por pistones de diferente área que, mediante pequeñas fuerzas, permite obtener otras mayores. Los pistones son hidráulicos. Estos hacen funcionar conjuntamente a las prensas hidráulicas por medio de motores.
MATERIALES Y MÉTODO
Para poder validar la propuesta de diseño, se ha planteado dibujarla en Solidworks, ya que es un software CAD, 3D que permite visualizar los elementos
Figura 3.- Prensa Hidráulica con cizalla
Una de las múltiples ventajas de utilizar este software, es que podemos calcular
las propiedades físicas y en la Tabla 1. Se presentan algunas de estas.
Masa = 610125.93 gramos
Volumen = 77723048.37 milímetros cúbicos
Área de superficie = 12537543.67 milímetros cuadrados
Materiales:
- Material: Acero estructural A 36 para la estructura
El Acero al carbono estructural conocido como hierro negro, de calidad estructural para el uso en puentes y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas.
Propiedad Valor Unidades
Modulo elástico 2e+11 N/m^ Coeficiente de poisson 0.26 N/D Modulo cortante 7.93e+10 N/m^
Densidad de masa 7850 Kg/m^ Límite de tracción 400000000 N/m^ Límite de compresión N/m^ Limite elástico 250000000 N/m^ Coeficiente de expansión térmica
/K
Tabla 1.- Propiedades del acero A 36
Debido a que el A36 tiene una composición química simple, es muy fácil de soldar,
lo que lo convierte en un material estructural atractivo en los oficios de construir donde puede ser encontrado como un soporte temporal o permanente de material de revestimiento.
METODO
- Diseñar de una prensa hidráulica con una capacidad de 5 toneladas de presión para la extracción de componentes mecánicos
- Profundizar las nociones básicas de la hidráulica para la realización de un mejor análisis mecánico
- Descomponer la prensa hidráulica en las fuerzas, reacciones y presiones que actúan sobre ella.
- Proponer alternativas de mejoramiento a las estructuras valiéndonos de ingenio y creatividad para optimizar la calidad de las mismas.
- Satisfacer las metas en el inicio del proyecto.
REQUISITOS PARA EL DISEÑO
Para fabricar la prensa en solidworks fue necesario saber las dimensiones y las
piezas que conforman a una prensa, para lo cual necesitamos tener en cuentas las siguientes partes:
ANALISIS DE ELEMENTO FINITO
El análisis de elementos finitos (FEA) es un método computarizado para predecir cómo reaccionará un producto ante las fuerzas, la vibración, el calor, el flujo de fluidos y otros efectos físicos del mundo real. El análisis de elementos finitos muestra si un producto se romperá, desgastará o funcionará como se espera. Se denomina análisis, pero en el proceso de desarrollo de productos, se utiliza para predecir qué ocurrirá cuando se utilice un producto.
FEA descompone un objeto real en un gran número (entre miles y cientos de miles) de elementos finitos, como pequeños cubos. Las ecuaciones matemáticas permiten predecir el comportamiento de cada elemento. Luego, una computadora suma todos los comportamientos individuales para predecir el comportamiento real del objeto.
El análisis de elementos finitos predice el comportamiento de los productos afectados por una variedad de efectos físicos, entre los que se incluyen:
- Esfuerzo mecánico
- Vibración mecánica
- Fatiga
- Movimiento
- Transferencia de calor
- Flujo de fluidos
- Electrostática
Prensa Hidráulica
TrabajoV.MIMPMEF futuro
Resultados
- Moldeado por inyección de plástico
Análisis de deformación por el método de elemento finito
Pre proceso
El análisis presentado para validar la configuración propuesta es el de deformación, la primera etapa del análisis es la etapa de pre proceso donde se asigna el material (Acero a36) y el tipo de mallado (Fino) Fig 4., se muestra el tipo de mallado asi como las fuerzas que actuan en toda la estructura de la prensa dando como resultado una estructura resistente.
Figura 4.- Analisis de mallado y esfuerzos
PROCESO
En la etapa de proceso se empotra las 4 vigas de las cuatro esquinas de la prensa, las cuales sirven como soporte de la misma, en la Fig. 6. se muestra el empotramiento a tierra.
RESULTADOS
Pos proceso
Se realizaron varios analisis dando como resultado que la estructura asi como sus componentes de la prensa son lo suficientemente confiables para soportar esfuerzos mayores, se obtuvieron resultados del análisis equivalente de esfuerzos elasticos von Misses, en la Fig. 9, donde se corrobora la resistencia del material, ya que existe una deformación máxima de 0.07251m y un análisis de de esfuerzos von Misses, Fig. 10, con una deformación máxima de 0.085723m.
Figura 9,-tensión elástica equivalente
Figura 10,- Total de deformacion en la estructura.
CONCLUSIONES
En el presente trabajo, de acuerdo a los analisis obtenidos se garantiza que el
diseño de una prensa hidraulica con cizalla es confiable ya que fue sometido a distintos esfuerzos para determinar su comportamiento y asi optar por realizar
modificaciones que nos garantisen seguridad, Cabe destacar que los analisis fueron realizados en los componentes donde se presentan mayores posibilidades
de deformacion por lo que faltaron algunos componentes de analizar pero esto no influye para determinar un resultado concreto el cual fue que la prensa hidraulica
con cizalla es un diseño viable y seguro, El análisis estructural nos brinda seguridad y nos brinda una idea mas clara de lo que se pretende lograr, claro que son muchos los factores que influyen en la obtencion de resultados dependiendo de las zonas a analisar .Sin duda alguna es una herramienta que permite hacer modificaciones dimensionales relativamente rápidas, al momento de validar la resistencia estructural.
REFERENCIAS
Libro Finite Element Simulations Using Ansys Second edition
https://www.fisicalab.com/apartado/prensa-hidraulica
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/prensa/prensa.htm
https://www.sim-man.com/servicios-de-simulacion/analisis-de-elemento-finito
