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Análisis de un pistón por el método térmico transitorio y estructural en Ansys. Christian Aguirre Terrazas 157749 2 de mayo de 2020

1- Introducción. Con las crecientes demandas para mejorar el rendimiento y optimizar los ciclos de vida del desarrollo de los productos, los equipos de ingeniería de todas las industrias exigen la tecnología de simulación más avanzada. Para un rendimiento óptimo, los solvers de simulación deben funcionar perfectamente en toda la física y entre todos los miembros de un equipo de ingeniería.

1.1- Análisis térmico transitorio. El módulo de análisis térmico sirve para la solución de transferencia de calor y problemas de conducción térmica. Un objetivo típico de la realización de análisis térmico es encontrar campos de temperatura y de flujo de calor (térmica) dentro del volumen de un producto. Esta disciplina se enfoca en el comportamiento de la energía térmica en un sistema, especialmente en lo que se mueve debido a las diferencias espaciales de temperatura. Debido a las características numéricas de las mallas de elementos finitos, los análisis térmicos, de acuerdo con esta metodología, generalmente se utilizan para representar los medios sólidos donde la conducción es predominante. En otras palabras, el comportamiento del fluido y ondas electromagnéticas no se modelan explícitamente en el análisis por el MEF, siendo caracterizado por medio de flujos térmicos en los límites del sistema. Cabe destacar que éstas se realizarán con más detalles que en otras herramientas de simulación numérica, tales como ANSYS CFX, ANSYS Fluent e ANSYS HFSS. En la figura 1, se muestra el resultado del análisis térmico aplicado a un circuito integrado, mostrando una escala de colores en la pieza indicando la temperatura máxima y mínima alcanzada.

Figura 1- Análisis térmico de un circuito integrado.

1.2- Análisis estructural. Tiene la capacidad de tomar en cuenta la carga de pernos, el estrés causado por la variación de temperatura y las cargas físicas, tales como presión, fuerzas, momentos, aceleraciones y desplazamientos. La respuesta de la estructura puede evaluarse en términos de desplazamiento, estrés o tensión a nivel de estructura o pieza. Esto permite predecir el rendimiento de un producto una vez en servicio. Con las herramientas de análisis de elementos finitos (FEA), puede personalizar y automatizar soluciones para sus problemas de mecánica estructural y parametrizarlos para analizar múltiples escenarios de diseño. En la figura 2 se muestra un análisis estructural aplicado a un a armadura mostrando la deformación total máxima y mínima con escala de colores.

Figura 2- Análisis estructural a una armadura.

2- Metodología. Para comenzar el análisis, primeramente, se descargó la pieza de la página GrabCad.com directamente en formato compatible para Ansys. En la figura 3 se muestra una vista isométrica de la pieza descargada.

Figura 3- Pistón.

Una vez cargada la pieza en Ansys, el material predeterminado del software es acero estructural. Por limitaciones de licencia, se utilizó un mallado predeterminado y un tamaño de 0.008 m. En la figura 4 se observa la pieza con la malla ya configurada.

Figura 4- Mallado del pistón.

Para realizar el análisis térmico transitorio, el profesor facilitó los parámetros del estudio, siendo estas las convecciones y temperaturas. En la figura 5, se muestra tanto las caras y los valores que serán aplicadas en el pistón.

Figura 5- Convecciones y temperaturas de estudio.

Una vez ya terminado el estudio térmico, la interfaz de Ansys tiene la posibilidad de relacionar o ligar dos estudios, esto permite cargar los parámetros y resultados de un estudio ya realizado a otro diferente. Entonces, el análisis térmico previamente hecho, se ligo a un estudio estructural y se cargaron todos los parámetros y resultados. Como es un estudio completamente nuevo, se tiene que cargar los nuevos parámetros del nuevo estudio, siendo este un estudio estructural, se tienen que agregar soportes en el pistón para que se pueda resolver. En la figura 7 se muestran las caras en las que se aplicaron los soportes al pistón.

Figura 6- Caras de sujeción de la pieza.

De igual forma, es necesario aplicar una fuerza o una presión en el análisis. Siendo la pieza un pistón, se simuló la presión que se puede ver aplicada en los procesos de

compresión y expansión de un motor con un valor de 0.7 MPa. En la figura 7 se observa la cara donde se aplicó la presión al pistón.

Figura 7- Cara donde se aplicó la presión.

3- Resultados. Con relación de los resultados del análisis térmico transitorio se tomó un tiempo de 1,200 segundos el cual está dividido en sub-pasos para que el equipo de cómputo sea más eficiente. En la figura 8 se observa la pieza en 4 diferentes tiempos del análisis. En el inciso (a), se muestra el análisis de la pieza a los 100 segundos, la cual presenta una temperatura mínima de 50.04 grados C y una temperatura máxima de 71.04 grados C. En el inciso (b), se muestra la pieza a los 400 segundos, y tiene una temperatura mínima de 62.90 grados C y una máxima de 85.49 grados C. En el inciso (c), se muestra el análisis de la pieza a los 800 segundos, la cual presenta una temperatura mínima de 63.29 grados C y una temperatura máxima de 85.87 grados C. En el inciso (b), se muestra la pieza a los 1,200 segundos, y tiene una temperatura mínima de 63.30 grados C y una máxima de 85.88 grados C. Se puede observar después de cierto tiempo transcurrido en el estudio que la pieza presenta poco cambio en los resultados debido a que después de ciert o tiempo, la pieza comienza a llegar a su punto de equilibrio térmico.

Figura 8- Pistón analizado en diferentes tiempos.

Como se mencionó anteriormente, si se observa la figura 9, se puede ver que a partir del inciso (b), la pieza ya no presenta cambios significativos en el esfuerzo debido a que ya llegó al equilibrio térmico. En el inciso (a) se muestran los esfuerzos que sufre la pieza en 100, en el inciso (b) se puede ver los esfuerzos que tiene la pieza en 400 segundos, en el inciso (c) se observa los esfuerzos que tiene la pieza a 800 segundos y en el inciso (d) se observan los esfuerzos que tiene la pieza en 1200 segundos.

Figura 9- Esfuerzos en el pistón a distinto tiempo.

También se realizó el análisis del factor de seguridad en donde nos dice que la pieza debe tener un factor mayor a 1 para que falle, por lo tanto, en la figura 10 se observa que la pieza falla, debido al tipo de soporte que se utilizó.

Figura 10- Factor de seguridad.

Conclusión Según los resultados del análisis antes expuesto, en un análisis estructural de cualquier tipo de pieza, es necesario realizar una previa investigación de la pieza que se quiere analizar, esto con la finalidad de saber cual es su funcionamiento y saber que condiciones y parámetros se deben tener en cuenta para que el análisis sea más cercano a la realidad. En este análisis, el pistón tuvo un factor de seguridad menor a uno debido a los soportes erróneos que fueron elegidos. También se puede concluir que cualquier pieza a la que se le aplique una temperatura, llegará un cierto tiempo en el que ya no aumente su temperatura, en otras palabras, la pieza a llegado a su punto de equilibrio térmico.

Referencias https://www.esss.co/es/blog/el-ansys-2020-r1-favorece-la-combinacion-de-simulacionesmultifisicas/ https://autofem.com/help/es/thermal_analysis.html https://www.esss.co/es/blog/analisis-termico-por-el-metodo-de-elementos-finitos/ https://www.nysplm.com/ansys/calculo-estructural.php...