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ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN PARAMÉTRICA DE LA ESTRUCTURA DE IZAJE Y
CHASIS DE SEMIRREMOLQUE DE LA UNIDAD MÓVIL APU
ROBERT ARMANDO AGUILAR MONTILLA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2016
ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN PARAMÉTRICA DE LA ESTRUCTURA DE IZAJE Y
CHASIS DE SEMIRREMOLQUE DE LA UNIDAD MÓVIL APU
ROBERT ARMANDO AGUILAR MONTILLA
DOCUMENTO PROYECTO DE GRADO
INGENIERO CARLOS ARTURO BOHORQUEZ AVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
FACULTAD TECNOLOGICA
INGENIERIA MECANICA
BOGOTÁ D.C.
2016
NOTA DE ACEPTACION
______________________
______________________
______________________
_________________________
PRESIDENTE DE JURADO
_________________________
JURADO
_________________________
JURADO
BOGOTÁ D.C. 2016
DEDICATORIA
A todos los profesores directivos y profesionales que han intervenido en
nuestro proceso de formación, y sobre todo compañeros estudiantes y
amigos por permitirnos estar en sus vidas en todo este tiempo.
AGRADECIMIENTOS
Gracias Dios por permitirnos vivir crecer y lograr cada una de nuestras
metas a mi familia por ser el motor de mi futuro, a mi madre por ser la
persona más dedicada del universo, a mis padres y hermanos por
ayudarme en el camino propuesto para llegar donde otros no han llegado,
a cada uno de los profesores que han invertido cada minuto de su vida
para formarnos como personas y profesionales infinitas gracias a todos
los que hacen posible cumplir nuestros sueños.
TABLA DE CONTENIDO
1 PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA ....................................................................... 13
1.1 ANTECEDENTES ............................................................................................ 13
1.2 ESTADO DEL ARTE ........................................................................................ 15
1.3 SEMIRREMOLQUES UTILITARIOS ................................................................ 16
1.4 NORMATIVIDAD TRÁNSITO Y TRANSPORTE .............................................. 17
1.5 DIMENSIONES MÁXIMAS PERMITIDAS ........................................................ 18
1.6 PESO BRUTO VEHICULAR MÁXIMO PERMITIDO ........................................ 18
1.7 HOMOLOGACIÓN Y SEGURIDAD ................................................................. 19
1.8 UNIDAD AXURE .............................................................................................. 20
1.9 PRINCIPIOS DE CONSTRUCCIÓN ................................................................ 21
1.10 SERVICIO ..................................................................................................... 23
1.11 TIPOS DE UNIDADES Y CABINAS .............................................................. 23
1.12 MODELO BASE DESARROLLADO ............................................................. 23
1.13 SELECCIÓN DE PIEZAS A ANALIZAR ........................................................ 24
1.14 JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 27
2 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 27
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................ 27
3 LIMITANTES........................................................................................................... 28
4 MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 29
4.1 INICIOS DEL ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS .................................... 29
4.2 PASOS AGIGANTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN ESTRUCTURAL ................ 29
4.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS ........................................................................... 30
4.4 VARIABLES DE DISEÑO ................................................................................ 31
4.5 RESTRICCIONES ............................................................................................ 31
4.6 PROGRAMACIÓN LINEAL Y FORMULACIÓN MATEMÁTICA DE DISEÑO
ESTRUCTURAL ÓPTIMO ......................................................................................... 31
4.6.1 Introducción método de análisis por elementos finitos y optimización con
herramientas computacionales ............................................................................... 33
4.6.2 Tipos de optimización ................................................................................ 34
4.6.3 Método y criterio de solución por elementos finitos .................................. 36
4.7 OPTIMIZACIÓN DE FORMA Y PARAMÉTRICA ............................................. 38
4.8 ALGUNOS ERRORES PRESENTADOS EN LAS SOLUCIONES ................... 39
4.9 GEOMETRÍAS DE ELEMENTOS .................................................................... 39
4.10 MALLADO ..................................................................................................... 40
4.11 SOLUCIÓN DEL MODELO ........................................................................... 41
5 METODOLOGÍA ..................................................................................................... 42
6 SOLUCIÓN ............................................................................................................. 43
6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR ....................................... 43
6.2 COMPONENTES Y SISTEMAS CARACTERÍSTICOS .................................... 44
6.3 DETERMINACIÓN DE CARGAS Y MODELAMIENTO .................................... 46
6.4 CÁLCULOS INICIALES ................................................................................... 47
6.5 MODELAMIENTO EN ANSYS ......................................................................... 51
6.6 DEFINICIÓN DE PARÁMETROS .................................................................... 53
6.7 MALLADO ........................................................................................................ 54
6.8 Solución modelos estáticos .............................................................................. 56
6.9 DETERMINACIÓN DE VARIABLES / PARÁMETROS A OPTIMIZAR ............ 60
6.10 OPTIMIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA VIGA PRINCIPAL-BASTIDOR ...... 61
6.11 OPTIMIZACIÓN DE ESTRUCTURA DE IZAJE ............................................ 65
7 RESULTADOS ....................................................................................................... 72
8 COSTO FINAL DE IMPLEMENTACIÓN ................................................................. 74
9 PLANOS FINALES ................................................................................................. 76
10 CONCLUSIONES ................................................................................................ 80
11 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 82
INDICE DE TABLAS
Tabla 1 Designación de acuerdo a configuración de sus ejes, articulo 4 Res 4100 de
2004 .............................................................................................................................. 17
Tabla 2 Dimensiones permitidas en artículo 7 de Res 4100 de 2004 ........................... 18
Tabla 3 Peso bruto vehicular, Res 4100 de 2004 ........................................................ 19
Tabla 4 Masa total de componentes de unidad APU, fuente elaboración propia. ......... 25
Tabla 5 Aporte de masa al ensamble por cada sub-ensamble existente, elaboración
propia ............................................................................................................................ 45
Tabla 6 resultado de puntos candidatos para viga principal bastidor APU.................... 63
Tabla 7 Propiedades mecánicas del Acero ASTM A36, (Nisbett, 2012) ....................... 67
Tabla 8 límites del dominio a tabular basándose en las tablas de dimensiones
aproximadas a perfiles comerciales en Colombia, Elaboración propia ......................... 69
Tabla 9 Correlación de puntos para realizar la optimización generada automáticamente,
elaboración propia ......................................................................................................... 70
Tabla 10 puntos candidatos cumpliendo los objetivos buscados en la optimización,
elaboración propia ......................................................................................................... 70
INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1Unidad Apu de Axure technologies en Pozo ANH 1xp, elaboración propia 20
Ilustración 2 Principios de construcción ........................................................................ 21
Ilustración 3 Ubicación de puntos de anclaje para cantoneras, fuente elaboración
propia. ........................................................................................................................... 22
Ilustración 4 Modelo base de estudio ............................................................................ 24
Ilustración 5 tipos de división de elementos por método. (Chapra - Raymond P.Canale,
2006, pág. 905) ............................................................................................................. 37
Ilustración 6 Ejemplos de elementos usados Para la división de las geometrías a una
dos y tres dimensiones. (Chapra - Raymond P.Canale, 2006, pág. 907) ..................... 37
Ilustración 7 Visualización restricciones y cargas aplicadas al modelo, en software
Inventor Autodesk, Elaboración propia .......................................................................... 46
Ilustración 8 , visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con
una carga de 150000 N, resultados de esfuerzos de Vom Mises, elaboración propia .. 47
Ilustración 9, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con
una carga de 150000 N, resultados deformación total, elaboración propia................... 48
Ilustración 10visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con
una carga de 150000 N, resultado factor de seguridad para la configuración de carga y
restricciones en estado de izaje, elaboración propia ..................................................... 48
Ilustración 11, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de
movilización con cabezote con una carga de 150000 N, resultados de esfuerzos de
Vom Mises, elaboración propia ..................................................................................... 49
Ilustración 12, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de
movilización con cabezote con una carga de 150000 N, resultados desplazamiento
total, elaboración propia ................................................................................................ 50
Ilustración 13, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de
movilización con cabezote con una carga de 150000 N, resultados factor de seguridad
configuración arrastre por quinta rueda, elaboración propia ......................................... 50
Ilustración 14 visualización de viga principal en Desingn modeler de Ansys Workbench,
elaboración propia. ........................................................................................................ 51
Ilustración 15, Bastidor modelada en Ansys Workbench con mesh automatica generada
elaboración propia ......................................................................................................... 52
Ilustración 16 Calidad de malla con herramienta statistics de Ansys Workbench,
elaboración propia ......................................................................................................... 52
Ilustración 17 Visualización de malla en sección de reducción de área, elaboración
propia ............................................................................................................................ 55
Ilustración 18 Estadística de calidad de elementos de malla, elaboración propia ......... 56
Ilustración 19, modelo de análisis inicial con restricciones de desplazamiento y cargas,
elaboración propia ......................................................................................................... 57
Ilustración 20 Resultado esfuerzo de von mises, elaboración propia ............................ 58
Ilustración 21 Resultados deformación total, elaboración propia. ................................. 58
Ilustración 22 Esfuerzos combinados de Von mises, elaboración propia ...................... 59
Ilustración 23 Deformación total, elaboración propia .................................................... 60
Ilustración 24 árbol de proceso optimización viga, elaboración propia ......................... 61
Ilustración 25 configuración viga principal para optimización, elaboración propia ........ 62
Ilustración 26 modelo de viga optimizado. ................................................................... 64
Ilustración 27 modelo análisis estático para solución óptima de diseño, elaboración
propia. ........................................................................................................................... 64
Ilustración 28 resultado esfuerzo Von mises para el modelo optimizado, elaboración
propia. ........................................................................................................................... 65
Ilustración 29Resultado deformación máxima viga optimizada,elaboración propia ...... 65
Ilustración 30 Árbol de proceso de proyecto optimización estructura de izaje .............. 67
Ilustración 31 visualización resultado esfuerzo máximo de Von mises, análisis estático
elaboración propia. ........................................................................................................ 71
Ilustración 32Visualizacion resultados desplazamiento máximo, análisis estático
elaboración propia ......................................................................................................... 72
Ilustración 33 Resultado final esfuerzos combinados de Von mises, elaboración propia
...................................................................................................................................... 73
Ilustración 34 Resultado final desplazamiento máximo, elaboración propia. ................ 73
Ilustración 35 Resultado final F.S, Elaboración propia. ................................................. 74
Ilustración 36 costos directos de materia prima para la fabricación de la unidad Móvil
Apu después de su optimización, Elaboración propia. .................................................. 75
Ilustración 37 costos directos de materia prima para fabricación de la unidad Móvil Apu
a 2015 , Elaboración propia .......................................................................................... 76
Ilustración 38 Plano final estructura bastidor e Izaje Unidad Apu Optimizada,
Elaboración propia ........................................................................................................ 77
Ilustración 39Plano final estructura bastidor Unidad Apu Optimizada, Elaboración
propia ............................................................................................................................ 78
Ilustración 40 Plano final estructura Izaje Unidad Apu Optimizada, Elaboración propia
...................................................................................................................................... 79
INTRODUCCIÓN
Las expectativas por el desarrollo de nuevos productos aplicados a la industria
petrolera en Colombia han gestado el diseño y fabricación de unidades móviles para
trabajos específicos dentro del sistema, por esta razón la compañía Axure
Technologies haciendo uso de su proyección genera la unidad móvil APU en la cual se
integran servicios prestados a compañías de exploración petrolera, este producto fue
diseñado sobre una base industrial estándar la cual consta de un tráiler semirremolque
de carga con estructura de izaje para ser movilizada por un tracto camión de dos o tres
ejes, dando como resultado una unidad carrozada con áreas confortables para su uso
en campamentos y locaciones en consecuencia a su comercialización se hace
necesaria la optimización de recursos para su fabricación y movilización, esta
necesidad es abordada en el siguiente trabajo el cual consiste en la optimización
paramétrica del chasis y su estructura de izaje haciendo uso de tecnologías limpias
existentes como lo son el análisis por elementos finitos y las herramientas ofimáticas
disponibles para ello, se utilizara el software Ansys para modelar un sistema que
represente el comportamiento del sistema en sus estados de carga en movilización y
en proceso de izaje dentro de una locación petrolera parametrizando las variables que
más afectan el aporte en masa al conjunto logrando iniciar un proceso de optimización
iterativa de dichos parámetros para finalmente determinar la configuración del diseño
que cumpla con los requerimientos iniciales para este producto garantizando la
disminución de costos de materia prima en cumplimiento con el factor de seguridad
mínimo establecido.
13
1 PLANTEAMIENTO DE PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES
En la actualidad los campamentos petroleros constan de unidades móviles que poseen
funciones muy diversas dependiendo de su utilidad dentro de campo de exploración
siendo este un ambiente de trabajo se realizan las siguientes configuraciones tales
como habitaciones, oficinas, cocina, comedor, lavandería, plantas de potabilización y
unidades de mud logging en muchos casos el personal que trabaja en el equipo vive
en estas unidades móviles.
Durante la perforación de un pozo es importante el control geológico puesto que
permite obtener datos de fundamental importancia a la unidad de mud logging puede
monitorear las manifestaciones del pozo durante la perforación del mismo, estas
observaciones son tomadas de manera continua algunos de los datos adquiridos son la
litología encontrada , medición de gas y su correspondiente cromatografía, medición de
gases no deseados, detección de niveles petroleros o gasíferos, este control geológico
permite la optimización de los parámetros de perforación se previenen problemas
propios de la actividad y esto conduce a la reducción de costos del pozo y un aumento
de la seguridad de la operación.
En Colombia las unidades de mud logging son diseñadas y construidas como resultado
de la experiencia de más de 25 años en esta actividad, proporcionan el ambiente para
el desarrollo de las labores propias del servicio. No obstante se deja a un lado la
comodidad de los operadores disminuyendo el puesto de trabajo al mínimo posible al
diseñarse esta unidad la compañía Axure Technologies se llena un espacio dentro del
modelo de negocio que integraría la operación en una unidad colaborativa dando como
resultado la construcción de una unidad móvil tipo furgón de 12.5 m de longitud por 2.6
m de ancho, con características únicas en Colombia lo cual impulsa la
comercialización de la misma para ser utilizada en el actual proyecto de perforación de
mayor profundidad para un total de 21000 Ft ya finalizado, cabe destacar que esta
14
ventana genero demanda de este producto para mercados como el mexicano el cual
estaría en incursión en los próximos meses.
Por tanto se requiere la disminución de costos en material y por ende la disminución
de cargas en transporte para generar mayor rentabilidad de este producto dentro del
mercado incorporado.
El chasis semirremolque reforzado con estructura de izaje representa la columna
vertebral estructural de la unidad móvil APU por sus siglas en inglés (Análisis,
procesos, unidad) producto de la compañía Axure Technologies S.A, la función
principal de este chasis reforzado es soportar el peso de los componentes y
accesorios propios del semirremolque de dos ejes sumados a la carga de equipos y
elementos utilizados para la instalación de los servicios que la compañía presta, por lo
tanto la unidad está sujeta a cambio de cargas y movilizaciones en terrenos irregulares
que hacen deteriorar la unidad debido al peso bruto de la misma haciendo esto un
factor diferencial reducir el costo de fabricación y transporte.
El diseño y construcción de semirremolques siendo una actividad económica
diferenciada en el mercado hace de este en muchos casos que sea resultado de la
experiencia de armadores y soldadores que conociendo la funcionalidad del sistema
disminuyen o aumentan espesores en la estructura para mejorar el comportamiento en
carga del semirremolque, por tal razón se utilizó un bastidor de carga de dos ejes
construido por industrias Capri, cual la dimensión y peso bruto están
sobredimensionados para la carga que esta unidad llevaría, se refuerza la carrocería
uniendo una estructura de izaje directamente a el marco que va unido al bastidor
principal mediante los puentes del semirremolque.
15
1.2 ESTADO DEL ARTE
Basándonos en experiencias anteriores de trabajos relacionados con la optimización de
tráiler semirremolque tomados como base para el inicio de este proyecto en los cuales
se muestra una disminución de peso en el bastidor aumentando la capacidad de carga
de la plancha, en este caso particular se encuentra que la disminución de peso en la
estructura se genera a partir del estudio del comportamiento estático y dinámico del
bastidor, Para lograr dicho análisis se hace uso de herramientas computacionales de
alto impacto desarrolladas para diferentes tipos de alcances y con módulos según el
tipo de análisis a realizar, encontrando la utilidad de cada una de las variaciones a que
se pudriere someter un diseño para hacer más robusto el mismo (Scholten & Albelda
Victoria, 2011).
Se evidencia el incremento de la utilización de modelos computacionales para la
solución óptima a retos de la industria del transporte es el caso de la utilización de
Cosmos Works en el trabajo titulado Análisis dinámico de un chasis de semirremolque
de servicio pesado, en el cual se verifico el comportamiento del bastidor de un vuelco
lateral en la aplicación de frecuencias naturales y modos propios. (Franck & Gennaro,
2009)tomando como base estos resultados la investigación se centra en el análisis por
elementos finitos calculados y optimizados utilizando software Ansys donde se
muestran los cálculos realizados por el software para entregarnos los resultados
gráficos de los cuales se toman decisiones para modificar o no el diseño inicial. Cada
cálculo de tensiones, deformaciones y esfuerzos están dados por las ecuaciones que
rigen el modelo físico del cual estemos hablando en el libro Fynite Element Análisis
theory and aplicación with ANSYS se muestran los ejemplos para cada tipo de
sistemas de cuerpos rígidos sometidos a todo tipo de cargas con sus reacciones y
método de solución con la herramienta (moaveni, 1999).
los convenios obtenidos en torno a estos estudios han sido bien representados por
cada uno de los proyectos de optimización con final exitoso este es el caso del
proyecto titulado Estudio del comportamiento bajo carga de un chasis para transporte
16
de pasajeros por medio de la tecnología de elementos finitos en el cual se muestra el
proceso de diseño basado en tecnologías limpias usando modeladores 3d y el software
Ansys en su módulo workbech obteniendo como resultado la simulación del
comportamiento estructural de los elementos críticos como las uniones de anclaje de la
carrocería, lunetas y bastidor como resultado se recomiendan modificaciones futuras
para garantizar la mejor configuración mejorando el comportamiento estructural del
vehículo (Rojas Hurtado & Mantilla Nova, 2007).también se logra la disminución de
peso de estructuras para protección pilotos de competencia de alta velocidad donde el
trabajo de estas estructuras es de vital importancia y juegan un papel importante en el
comportamiento del vehículo siendo estas las únicas pruebas no destructivas del
comportamiento de soportes y jaula que compromete la integridad de los ocupantes de
los móviles para competencias. (Castro, 2013).
1.3 SEMIRREMOLQUES UTILITARIOS
Dados los avances tecnológicos en la industria oíl & gas y en búsqueda de la entrega
de información relevante para controlar las operaciones de mayor inversión en trazos
críticos de operación fue concebida la unidad móvil Apu como unidad integradora de
las unidades de Mud logging ofrecidas en el mercado con un tecnología de punta para
la transmisión de data en tiempo real. Al tener características propias y no estar
incluido dentro de la reglamentación como cabina de servicios petroleros, Este equipo
se implementa basándose en la reglamentación vigente en cuanto a la resolución 4100
de 2004 del ministerio de transporte en la cual se adoptan los límites permisibles de
pesos y dimensiones en vehículos de carga para su libre movilización por las carreteras
del país. Tomando como referencia la tabla dispuesta para la correcta interpretación de
la norma y el uso debido se hace uso del artículo 6 para diferenciar las tipologías y
configuraciones de carrocería para dichos semirremolques ver Tabla 1.
17
1.4 NORMATIVIDAD TRÁNSITO Y TRANSPORTE
En el artículo 4 de la resolución 4100 de 2004 resolución se adoptan las designaciones
según la configuración del tipo de transporte siendo la homologación del equipo la 3S2
tracto camión de tres ejes con semirremolque el cual debe ser homologado según su
carrocería como lo estipula en el artículo 6 los tipos de carrocería existente entre ella
se encuentra servicio especial .
Tabla 1 Designación de acuerdo a configuración de sus ejes, articulo 4 Res 4100 de 2004
18
1.5 DIMENSIONES MÁXIMAS PERMITIDAS
Las dimensiones permisibles de la unidad están regidas por el cumplimiento de la
exigencia del ministerio de transporte en su resolución 4100 de 2004 en el artículo 7
en la cual se especifican los límites máximos de 2,6 m x 4,4 m x 18,5 m ver Tabla 2 ,
obteniendo resultado máximo para el diseño entregado por la compañía Axure
Technologies S.A en la cual su tráiler semirremolque posee una longitud de 12,5 m x
2,6 m y 4,4 m de altura la cual estaría dentro de los parámetros establecidos dentro de
la reglamentación colombiana.
Tabla 2 Dimensiones permitidas en artículo 7 de Res 4100 de 2004
1.6 PESO BRUTO VEHICULAR MÁXIMO PERMITIDO
Dados los lineamientos en aras del cumplimiento del artículo 8 de la resolución
expedida por el ministerio de transporte según el cual se define el PBV (peso bruto
vehicular) máximo para los vehículos de carga en las tipologías antes mencionadas ver
Tabla 3. Y siendo este semirremolque utilitario homologado con carrocería furgón, se
contempla el peso máximo de 32 Ton de las cuales se utilizan 18 Tn en carga sumando
el peso propio del semirremolque.
19
Tabla 3 Peso bruto vehicular, Res 4100 de 2004
1.7 HOMOLOGACIÓN Y SEGURIDAD
En consecuencia para el cumplimiento del DECRETO 540 DE 1995 (Ministerio de
trasnporte de Colombia, 1995) se establece los procedimientos necesarios para la
homologación del equipo construido al ser avalado por una compañía inscrita en el
ministerio de trasporte como fabricante de carrocerías para vehículos automotores;
fabricación de remolques y semirremolques con cód. 2920 (Ministerio de transporte
Colombia, 2016).Garantizando los requerimientos de seguridad para su tránsito por las
vías nacionales. Este equipo cuenta con tren de apoyo Holland Mark V con capacidad
de carga estática 67 ton, suspensión mecánica de tensores (ballestas) con capacidad
de 22 Ton, frenos Neumáticos, con campanas de 16.5” x 8” fabricadas en hierro gris,
cámaras de aire T-30-30 (Sotecol, 2016) de seguridad (Spring Brake) en los dos ejes,
luces parqueo estacionarias y delimitadoras y elementos reflectivos en los costados
laterales.
20
1.8 UNIDAD AXURE
Unidad de trabajo colaborativo diseñada para satisfacer las necesidades de perforación
en campos petroleros con integración de equipos de preparación de muestras,
geología, data de perforación, sensores y conectividad para realizar labores de
geología, dirección de pozos, sala de crisis entre otras funciones, unidad adaptativa a
las necesidades propias de cada cliente logrando cumplir con estándares de calidad,
ofreciendo espacios armónicos dentro de una perforación robusta y rustica. Ver
Ilustración 1.
Ilustración 1Unidad Apu de Axure technologies en Pozo ANH 1xp, elaboración propia
21
1.9 PRINCIPIOS DE CONSTRUCCIÓN
La unidad carrozada homologada para la compañía Axure Technologies es una
cabina montada sobre un chasis bastidor de 12.5 m de largo por 2,6 m de ancho sobre
el cual se ancla una estructura de izaje rígida de 2,3 m de alto con una longitud de 7,5
m, formando así la jaula de izaje con seis puntos de apoyo de los cuales se unen
puentes y marco del planchón semirremolque de Industrias Capri el cual consta de dos
perfiles en I con geometría variable de material Acero A 36 formada con planchas de
calibre de ½ y ¾ de pulgada con aletas soldadas a tres bolillos con dimensiones de
aletas de 3 in x ½ in por contorno superior e inferior de bastidor viga en Bastidor unido
por 27 puentes de lámina A 36 cal 1/8 in doblada en frio de 120 mm x40mmx40mm, se
rodea su contorno por una lámina doblada en frio para generar un perfil de 200 mm x
75 mm x 75 mm cal 3/16 in en acero A36. Estructura pórtico de izaje en perfiles
rectangulares de 5 in x 5 in cal ¼ in como se muestra en la Ilustración 2. Se ubican
puntos de izaje para su correcto anclaje y movilización cada uno de los puntos de unión
utilizados llamados cantoneras como lo determina la norma Iso 1161 con anclaje para
ser utilizado con twist lock (ver anexo 1) o para el uso de pulpo de cuatro ramales con
gancho obteniendo la configuración de tensiones para los puntos de izaje ubicados en
la parte superior de dicha unidad.
Ilustración 2 Principios de construcción
22
Para tal efecto se tienen en cuenta desarrollos tecnológicos en torno a la forma de
construcción de contenedores de carga iso 40 encontrando su particularidad en los
elementos incluidos en el diseño construido por la compañía Axure tecnologías los
cuales cuentan con puntos de izaje superiores en los vértices y nodos de su
estructuran son soportes en Angulo de alma 3/16 in x 250 mm a 45 ° ver Ilustración 3,
al no contemplar los esfuerzos residuales en la estructura anclada a esta estructura de
izaje de la cual se soportan las cargas de la carrocería, se contemplan dichos soportes
como elemento estructural principal, los puntos de izaje son cantoneras con un
esfuerzo máximo de 22000 N descritos por los proveedores de estos elementos
basándose en pruebas descritas en cumplimiento de la norma ISO 1161 conforme a
las dimensiones y ubicación de los puntos de anclaje los cuales son ubicados en las
esquinas superiores ver , estos puntos de anclaje deben cumplir la normatividad
vigente sobre material y proceso de construcción generadas por función en hierro
nodular en cumplimiento de la norma ASTM A 536 con una resistencia a la tracción 450
MPa, ver anexo 1.
Ilustración 3 Ubicación de puntos de anclaje para cantoneras, fuente elaboración propia.
23
1.10 SERVICIO
Esta unidad presta servicios de mudloggin en taladros de perforación petrolera siendo
la unidad principal de manejo de datos debe estar sometida a diferentes esfuerzos en
el momento de su traslado dentro de la locación petrolera, no obstante se debe
transportar con vehículo dotado de quinta rueda para transitar por las carreteras del
país.
1.11 TIPOS DE UNIDADES Y CABINAS
Las unidades utilizadas en trabajos de taladros de perforación son determinadas
dependiendo de su servicio prestado y las protecciones que la misma ofrezca para
determinada tarea, por tanto se divide dependiendo la utilizad en el campamento de
perforación por cuanto existen cabinas desde las más básicas dormitorios,
restaurantes, servicio médico, oficinas, salas de juntas, gimnasios y las más
especializadas que constan de equipos y servicios de acuerdo a el tipo de pozo en el
cual se está trabajando todas ellas con características diferenciadoras que hacen de
este tipo un compendio de módulos capaces de formar un campamento petrolero capaz
de satisfacer las necesidades de los individuos y la operación.
1.12 MODELO BASE DESARROLLADO
Consta de una estructura de acero A 36 formada por 32 puentes de 3x 2x3 in de calibre
3/16 in de los cuales es sujeto un marco en lámina A36 doblada y formada para lograr
delimitar las dimensiones del semirremolque, todo esto sujeto a un bastidor formado
por dos vigas soldadas perfil en I de dimensión variable desde 33 cm hasta 55 cm
24
entre su alma y aleta constante de ½ in por 4 ½ in en su parte posterior están soldados
los 6 soportes de ballestas, de los cuales van sujetos dos ejes de carga cada uno con
un peso aproximado de 5800 N, ballestas soportadas y pivotadas por un balancín
intermedio dando mayor estabilidad al semirremolque sujetado a este bastidor se
encuentra la jaula de izaje con sus 6 columnas de 5 in x ¼ y sus travesaños superiores
como se muestra en la siguiente ilustración.
Ilustración 4 Modelo base de estudio
1.13 SELECCIÓN DE PIEZAS A ANALIZAR
La unidad al tener tan alto el factor de seguridad del ensamble es posible disminuir en
gran manera el peso de la unidad y para tal efecto se describe la siguiente tabla con los
valores aproximados de masa de los elementos constructivos, de este se puede
seleccionar los elementos que poseen más afectación o aporte a la masa total de la
unidad construida. Siendo los elementos viga principal o bastidor y estructura de izaje
los sub sistemas de mayor aporte en masa a la masa total de la unidad APU de Axure
technologies como se muestra en la siguiente Tabla 4.
25
Tabla 4 Masa total de componentes de unidad APU, fuente elaboración propia.
ITEM cantidad Elemento masa(Kg) masa total
(Kg)componentes
1 1 Viga Principal 2187,5 2187,5
2 1 Puentes APU 344,52 344,52
3 2 Tren de Apoyo 114,88 229,76
4 1 dos ejes completos 1253,9 1253,9
5 1 Marco 376,23 376,23
6 1 piso alfajor troquelado 114,13 114,13
7 1 Estructura izaje 743,58 743,58
8 32 refuerzo 0,992 31,744
10 4 soportes ejes 32,129 128,516
11 2 Soporte hojas y zapata 17,307 34,614
12 2 SOPORTE TREN DE
APOYO 10,357 20,714
13 1 Soportes internos King Pin 90,756 90,756
14 1 Lamina Soporte King Pin 167,92 167,92
15 1 PING K 7,620 7,62
16 1 Puentes APU piso 344,66 344,66
17 1 Laminación carrocería 946,92 946,92
18 1 techo 249,15 249,15
19 1 Estructura lateral derecho 369,35 369,35
20 1 estructura lateral izquierdo 340,58 340,58
21 1 estructura frente 96,570 96,57
22 1 estructura posterior 94,320 94,32
23 1 estructura bodegas 135,44 135,44
24 4 puertas 56,35 225,4
25 6 persianas bodegas 72 ,00 432,00
Dados los avances en diseño computacional es posible realizar pruebas específicas en
los elementos constructivos de equipos de carga como los mostrados en (Teo Han Fui,
2007)para un chasis de carga para vehículo de tracción de 4,5 ton el cual determina los
esfuerzos causados por la carga en ejercicios propios de su trabajo efectuando análisis
estático, vibraciones globales del chasis de camión incluyendo torsión, flexión lateral y
26
flexión vertical de 2 y 3 puntos nodales, obteniendo como resultado la aceptabilidad
para el cumplimiento de los requerimientos funcionales definidos en el diseño
preliminar incorporado al modelo a prueba.
Para obtener resultados más precisos dentro de un análisis estructural por elementos
finitos como el utilizado anteriormente se deben tener en cuenta algunos criterios como
los estipulados en la utilización del software inventor profesional con su aplicación de
análisis por elementos finitos FEA(Finite element analysis) por sus siglas en inglés, en
el cual se muestran los pasos de cálculo necesarios para lograr introducir
satisfactoriamente las variables a controlar y la definición de las estructuras y sus
propiedades en procura de obtener un resultado fiable respecto a el cumplimiento de
los requerimientos de diseño definidos al inicio de cualquier análisis (TORRES, 2014).
Al hacer uso de herramientas computacionales se disminuye el riesgo de pérdida de
tiempos y materiales al disminuir el costo de inversión para lograr un prototipo con
criterios de desarrollo como los generados a partir de software CAD como solid Works,
Autodesk inventor, solid edge, pro/engineer algunos de estos ya incluyen dentro de sus
librerías el análisis de esfuerzos, vibraciones y fatiga las más utilizadas para comprobar
datos teóricos recopilados por los departamentos de ingeniería por tal razón se ha
centrado en la obtención de los efectos de cualquier modificación de elementos que
generen un nuevo reto de ingeniería al cambiar los valores de referencia con el cual se
han calculado las piezas de un conjunto que cumple una función definida (J. Masiá
Vañó, 2006),este es el caso de estudio de los efectos de una suspensión neumática en
un semirremolque de carga sus efectos y modelado por elementos finitos para definir
las nuevas características del conjunto, por tanto se obtiene como resultado que la
flexibilidad de la suspensión transmite una torsión a ambos lados del bastidor principal
y marco del semirremolque, logrando modelar de manera más precisa el
comportamiento del sistema suspensión respecto a el radio de las ruedas.
27
1.14 JUSTIFICACIÓN
Se hace evidente la necesidad de optimizar costos en materiales y ensamble de
semirremolque de dos ejes para soportar la carga especifica definida por la carrocería y
los equipos internos que llevaría en servicio la unidad Apu de la compañía Axure
Technologies S.A, además de esto los perfiles utilizados en la construcción de la
estructura de izaje posiblemente están sobredimensionados para la carga que la
unidad posee como consecuencia de ello se aumenta el costo de fabricación y en
movilización el consumo de combustible los valores de referencia pueden variar de
40000 a 180000 por ton de carga transportada por un tracto camión, asumiendo una
reducción de 10 % en peso bruto del semirremolque podríamos obtener una
disminución por trayecto del mismo % en el costo de movilización faltante de estimar la
reducción de emisiones de CO2 al ambiente al no tener el consumo habitual del tracto
camión debido a la posible disminución de masa de la estructura principal de la unidad.
2 OBJETIVO GENERAL
Realizar un análisis experimental para determinar el diseño óptimo de la estructura de
izaje y chasis de una unidad móvil APU ensamblada sobre un semirremolque de dos
ejes.
2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar la configuración inicial de la unidad acorde a la función para cual fue
diseñada definiendo sus cargas principales y el peso bruto del conjunto
elementos/equipos transportados sobre la misma.
Realizar análisis por elementos finitos FEA para establecer los esfuerzos de
cada componente.
28
Realizar la optimización paramétrica de chasis y estructura de izaje para
solucionar el requerimiento inicial de disminución de peso del tráiler
semirremolque de dos ejes utilizado para la unidad APU como bastidor para
soportar la carrocería de la misma.
Analizar los costos de implementación de esta nueva configuración del diseño
comparándose con los costos iniciales del producto construido.
Generar planos finales de la estructura de izaje y bastidor dimensionando y
determinando las modificaciones que se pudieren realizar para cumplir con los
requerimientos iniciales.
3 LIMITANTES
Para el desarrollo del proyecto se establecieron las siguientes limitantes:
La carga de los puntos de izaje debe ser la misma de la masa total del semi
remolque con un fs. De 1.43.
Se debe tabular la carga ejercida por la masa de los dos ejes con sus respectivas
ruedas.
El diseño incluye la selección del perfil utilizado para la configuración del bastidor y
estructura de izaje de la unidad APU.
No se considera la carrocería como un elemento estructural, no se diseñaran
elementos de unión como remaches, tornillos, soldaduras o laminas exteriores.
29
4 MARCO TEÓRICO
4.1 INICIOS DEL ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS
Inicia en el año 1940 con el trabajo realizado por Hrennikoff (Hrennikoff, 1941) McHenry
y Newmark emplearon elementos como líneas para representar vigas de sección
continua para solucionar y encontrar los esfuerzos en dichos sólidos, luego de esto en
1941 el señor Courant empleo una interpolación polinómica por pasos sobre regiones
diferenciadas de forma triangular para solucionar problemas de torsión y vibración
(Courant, 1943), para posterior mente ser este el método desarrollado en el año 1950
como método de solución matricial en las computadoras digitales de esta época, pero
gracias a este avance en la ingeniería se gestó el método del elemento finito como una
técnica numérica que convierte el dominio de un sólido en elementos discretos de
tamaño y forma determinada.
Ante este continuo progreso fue sobre el año 1956 cuando se desarrollaron métodos
matriciales de análisis estructural utilizando los principios de la energía, se logra la
idealización de problemas complejos obteniendo como resultado un conjunto de
elementos que poseen las características para soportar la torsión y vibración causada
por el uso en aeronaves (PROFESSOR J. H. ARGYRIS, 1957), cabe destacar los
desarrollos encontrados son fundamentados sobre el álgebra matricial encaminada a
determinar el comportamiento de interconexiones nodos y barras rígidas.
4.2 PASOS AGIGANTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN ESTRUCTURAL
Como resultado de la continua búsqueda de información en referencia a los métodos
de análisis convencionales para obtener un resultado de diseño óptimo se prescribe la
decisión del ingeniero diseñador en base a su experiencia y conocimiento dando como
resultado soluciones satisfactorias para las necesidades inicialmente planteadas de
30
conocimiento anterior o experiencias acumuladas pero un poco tedioso si esta
necesidad o problemática no se había tratado por el equipo de diseño anteriormente.
Por estas razones se plantea el salto más importante en este tema al generarse en el
año el concepto de análisis por elementos finitos FEM al involucrar desarrollos de
software como Nastran el cual fue desarrollado para aplicaciones aeroespaciales
donde la inversión fue realizada como resultado de pruebas fallidas en la consolidación
de un software para las necesidades requeridas de estas disciplinas siendo así como la
Computer Sciences Corporation CSC realiza este desarrollo en el año 1960 pero solo
fue postulado al público hasta el año 1971 por la oficina de utilización de la NASA para
estas aplicaciones de uso industrial. Este desarrollo inicialmente fue generado por Joe
Mule (NASA) y Gerald Sandler (NASA). (NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE
ADMINISTRATION, 1971).
El trabajo realizado después del lanzamiento de este nuevo software a la industria trajo
como resultados la disminución de recursos utilizados en la elaboración de maquinaria
la aplicación física de las cantidades necesarias de materiales produjo la creación de
algunos términos de la era industrial como lo es la vida útil de cada elemento,
justificando su cambio y posterior disposición final no objeto de este estudio.
4.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS
La respuesta acertada al comportamiento físico del material como resultado de su
aplicación con unas limitantes de forma y tamaño obtenidas mediante procesos
iterativos de datos correlacionados respetando sus restricciones y demás factores
determinados por el diseñador el cual limita el estudio a el cumplimiento de unas
características base de optimalidad en concordancia con su función objetivo y en
tendencia a obtener un resultado final acorde a su necesidad para ello estas limitantes
serán tratadas más delante de manera más extensa.
31
4.4 VARIABLES DE DISEÑO
La teoría para determinar las variables a optimizar se encuentran limitadas por la
capacidad del diseñador de entender y diferenciar cuales son los puntos de mayor
relevancia los cuales afectan de manera directa su resultado buscado, por tanto se
obtienen en el proceso de generación de modelos solidos los cuales representan la
realidad física del caso de estudio conceptualizando de manera gráfica visualizando lo
ocurrido con el volumen de material empleado para ejecutar una tarea, definiendo así
los parámetros o variables que afectan en gran medida el comportamiento de la pieza
solido o ensamble para el beneficio buscado.
4.5 RESTRICCIONES
Son las limitantes físicas que determinan el comportamiento de un elemento sometido
a diferentes fuerzas en contacto directo o indirecto con las superficies del elemento,
determinadas por el sistema objeto de este estudio y el modelo a analizar, cabe resaltar
que estas son generadas de acuerdo a la configuración inicial del prototipo real, las
restricciones son en gran medida las interacción de fuerzas y superficies de un
elemento para obtener una reacción o el resultado esperado del comportamiento de un
modelo.
4.6 PROGRAMACIÓN LINEAL Y FORMULACIÓN MATEMÁTICA DE DISEÑO
ESTRUCTURAL ÓPTIMO
Tuvo lugar a principios de 1934 cuando publicaciones como la del matemático
Kantoróvich “métodos matemáticos de organización y planificación de la producción”
pero solo se tuvo conocimiento de esta aplicación años más tarde en la década de
1960 donde esta fue traducida de su idioma original, fue en el año de 1963 cuando se
32
plantea una recopilación de los estudios realizados anteriormente y se postula un
método llamado simplex para resolución de problemas lineales basándose en métodos
de programación donde se busca el máximo de una función en cumplimiento de unas
inecuaciones básicas determinadas en un rango de iteraciones para comprender su
resultado satisfactorio (Angulo Forero, 1987),ayudando a la gesta de múltiples
desarrollos teóricos y aplicaciones a necesidades específicas soportado con el
surgimiento de la robustez en computadoras de esa época. Como resultado se plantea
el teorema para la solución de problemas no lineales como lo son el análisis elástico de
optimización estructural el cual requiere unas restricciones no lineales para el
cumplimiento de la función objetivo, por tanto este debe ser abordado bajo Teorema
de Karush Kuhn Tucker KKT (TUCKER, 1951) el cual es una generalización del método
de multiplicadores de lagrange.
La formulación del diseño estructural óptimo está determinada por el tipo de análisis el
cual se lista como sigue dependiendo del tipo de función y los resultados esperados, es
así como un análisis lineal se compone de una función determinada para cumplimiento
de unas variables específicas es así como de manera general se pueden plantear la
ecuación más simple para determinar este criterio
min ∶ 𝑧 = 𝐹 (𝑥, 𝑦)
𝑠. 𝑎 𝐻(𝑥, 𝑦) = 0
𝐺(𝑥, 𝑦) ≤ 0
𝑥𝜖𝑋 ⊆ 𝑅𝑛
𝑦 =∈ {0,1}𝑚
El planteamiento de un problema lineal como lo fuere un análisis de optimización de
estructura en hormigón con restricciones de tipo límites máximos y mínimos, se plantea
de la siguiente manera:
33
min :𝑧 = 𝑐𝑇 𝑥
𝑠 𝑎 𝐴 𝑥 ≤ 𝑏
𝑥 ≥ 0
Para soluciones de análisis no lineales como lo son el comportamiento de un resorte a
tensión o compresión o en la revisión del comportamiento de un material elástico se
debe plantear dicha ecuación la cual tendría la siguiente estructura:
𝑚𝑖𝑛: 𝐹(𝑥)
𝑠. 𝑎 ℎ(𝑥) = 0
𝑔(𝑥) ≤ 0
𝑥𝜖𝑋 ⊆ 𝑅𝑛
La aplicación de estos modelos matemáticos no solo se limita a el análisis estructural
su utilización está siendo garantizada en aplicaciones de ingeniería como la fabricación
de aeronaves, diseño de elementos mecánicos y circuitos electrónicos, su desarrollo
inicial fue para el control de procesos y economía por tanto en estas áreas se evidencia
su aplicación en control de presupuestos y rentabilidad de inversión.
4.6.1 Introducción método de análisis por elementos finitos y optimización con
herramientas computacionales
El diseño como proceso interactivo permite atreves de diferentes pasos, evaluar
resultados obtenidos y regresar a una fase de análisis para comprobar que las
decisiones tomadas entregaran el mejor resultado teniendo en cuenta la finalidad de y
requerimientos de diseños iniciales. De esta manera se logra sintetizar de manera
confiable varios componentes de un sistema para analizarlos y optimizarlos y luego
volver a la síntesis para comprobar que efectos genera en los demás elementos que
34
componen el sistema. Por tanto es necesario conocer las fuerzas aplicadas,
restricciones y composición de materiales del modelo, se presentan inconvenientes al
tener numerosas variables a controlar en consecuencia se requiere realizar
demasiadas iteraciones para refinar los resultados de manera aceptable para cada uno
de los componentes individuales. (Richard G. Budynas, 2012), para dar un buen
resultado final se debe generar o construir modelos abstractos del ensamble y
proceder con un análisis matemático, cuando este se desarrolla se espera que
demuestre en gran medida el modelo físico real. Luego de esto se abre paso la
evaluación final de los resultados si estos no fueren satisfactorios o en algún elemento
no se cumplan los requerimientos el sistema se debe reiniciar para así continuar
iterando hasta lograr determinar la mejor configuración para obtener los resultados de
espeardos.
La optimización como Fuente de solución de problemas de ingeniería ha sustituido en
gran parte las metodologías de generación de prototipos que influían en las decisiones
del diseñador en cuanto a material utilizado y las características constructivas para el
cumplimiento de los requerimientos iniciales como lo son requerimientos de carga
,esfuerzos máximos permisibles, energía de deformación,etc. Por tal razón se busca la
conceptualización de los criterios que contribuyan a la maximización o minimización de
una cantidad física de elementos ya sea su masa total o sus parámetros de
configuración dimensiones estándar o posición mejorando el comportamiento en
trabajo obtenido por el mismo elemento.
4.6.2 Tipos de optimización
optimización de tamaño (sizing optimization)
La reducción de peso se genera por la modificación de secciones o partes rectas
manteniendo fijas las coordenadas nodales.
optimización de forma (shape optimization)
35
La minimización se logra cambiando la conectividad entre nodos, manteniendo
fijas las coordenadas nodales y las partes rectas.
optimización topológica (topology optimization)
La minimización de masa se logra cambiando las coordenadas y conectividades
nodales, manteniendo fijas las secciones rectas.
4.6.2.1 Integración de tipos de optimización para obtener resultados más confiables en
los procedimientos
Agrupando estas técnicas de optimización se pueden resumir en dos las cuales
integrarían algunos de los tipos de optimización anteriores.
Análisis y diseño anidados (Nested Analysis And DesigN o NAND):
Se realiza el análisis de forma y tamaño en el mismo tiempo pero de manera
alternada dejando uno de los parámetros anidado mientras se trabaja en la
configuración del otro análisis, buscando la mejor configuración combinando las
dos soluciones.
Análisis y diseño simultáneo (Simultaneous Analysis and Design o SAND):
Como se indica textualmente se realiza el procedimiento de optimización de la
forma y el tamaño simultáneamente.
36
4.6.3 Método y criterio de solución por elementos finitos
El método por elementos finitos es una herramienta de cálculo de gran utilidad por su
respuesta en uso práctico para por medio ecuaciones finitas por tanto entrega una
solución finita pero no “exacta “a un problema planteado, por el contrario entrega
múltiples soluciones a este mismo problema donde el juicio o decisión de fondo recae
propiamente en el ingeniero o calculista el cual puede dar por resuelto el problema con
su razonamiento, en palabras cortas este método consiste en dividir un sólido o
superficie en partes más pequeñas llamadas elementos unidos entre sí por medio de
nudo o nodos las cuales forman una malla con puntos discretos o nodos, determinando
así que los desplazamientos de cada elemento viene determinado por los
desplazamientos que sufren los nudos de cada elemento, así se podrá obtener la
matriz de rigidez de cada elemento siguiendo los pasos de cálculo matricial, así una
vez los resultados obtenidos de los desplazamientos de cada elemento se puede
determinar las tensiones y deformaciones en el interior del elemento.
El método del elemento finito presenta dificultades para ser aplicado en sistemas con
geometrías de forma irregular o de composición heterogénea por tanto este mismo
ofrece una alternativa para obtener una solución aproximada de la EDP (ecuaciones
diferenciales parciales) para cada uno de estos elementos, esta se genera uniendo las
soluciones individuales guardando la continuidad en las fronteras de dichos elementos,
así esta EDP se cumple para las secciones propuestas, (Chapra - Raymond P.Canale,
2006), esta teoría se muestra en la siguiente Ilustración 5 donde se evidencia las
dificultades de una pieza con geometría irregular y composición heterogénea, el
modelamiento por diferencias finitas (b) y el modelamiento por elementos finitos(c)
(Chapra - Raymond P.Canale, 2006).
37
Ilustración 5 tipos de división de elementos por método. (Chapra - Raymond P.Canale, 2006, pág. 905)
Para tal efecto si se consolidara un elementos solido en 3 dimensiones ese tendrían la
propagación de estos elementos en forma de sólidos para ellos se especifica el tipo de
elementos posibles para la obtención de los mejores resultados en cada tipo de
análisis. Ver Ilustración 6.
Ilustración 6 Ejemplos de elementos usados Para la división de las geometrías a una dos y tres dimensiones.
(Chapra - Raymond P.Canale, 2006, pág. 907)
38
4.7 OPTIMIZACIÓN DE FORMA Y PARAMÉTRICA
La optimización en muchas de sus vertientes y aplicada a la mecánica de solidos se
plantea de manera tal que sus ecuaciones diferenciales entre elementos de la malla
genere una respuesta de contorno para determinar si cumple con los requisitos para la
cual fue creada al disminuir su volumen trayendo como resultado la disminución de
masa de la misma , disminución de costos de producción o infraestructura para su
producción, los modelos matemáticos que rigen este estudio vienen dadas por la
siguiente forma de la derivada topológica utilizando métodos de homogenización
basados en la caracterización topológica de la estructura basándose en la densidad,
encontrando regiones con densidad nula donde el valor de esfuerzos y deformaciones
contribuye a la eliminación de estos volúmenes dando como resultado la formación de
formas ficticias de material el cual debe ser eliminado utilizando métodos de
eliminación o penalización o filtrado para lograr una solución aplicable a la ingeniería
del problema planteado.
Una nueva vertiente es llamada con el nombre de análisis de sensibilidad topológica la
cual consiste en obtener la respuesta referente a la creación o modificación de
perforaciones, al realizar nuevas cavidades en la estructura y determinar el costo de
manufactura de esa modificación (Amstutz, 2012).
La optimización paramétrica viene determinada por los datos definidos en la
concepción del problema o función objetivo de la cual se desprenden los valores
sujetos a variación para lograr la disminución de material empleado para la
construcción del elemento y no exceder los requerimientos de diseño con el fin de
obtener el mejor aprovechamiento de las características del material y sus propiedades
mecánicas como lo es su resistencia mecánica , tenacidad entre otras más. Para el
diseño paramétrico se tienen en cuenta restricciones las cuales son evaluadas dentro
de la función objetivo validado su comportamiento dependiendo de las propiedades
mecánicas del elemento para tal efecto se debe limitar el número de variables a
39
optimizar puesto que el costo computacional de realizar demasiadas iteraciones en la
malla generada ocasionara un tiempo de procesamiento el cual no se debe exceder
aumentando así la probabilidad de obtención de los puntos característicos que cumplen
con los lineamientos iniciales .
4.8 ALGUNOS ERRORES PRESENTADOS EN LAS SOLUCIONES
Al obtener la división de la estructura de un sólido dadas las irregularidades de cada
pieza se presentan errores de cálculo inevitables los cuales son:
Errores computacionales: errores de redondeo generados por los cálculos flotantes
computacionales y formulaciones de integración definidas para cada aplicación.
Errores de conversión discreta: debido a la geometría y distribución de los
desplazamientos de una estructura real dadas sus variaciones de forma y el uso de
un numero finito de elementos para discretizar la estructura introduce error al tratar
de igualar la geometría con la distribución del desplazamiento con las limitantes
matemáticas que estos pudieran tener.
4.9 GEOMETRÍAS DE ELEMENTOS
Para lograr determinar el comportamiento de la estructura desarrollada en modeladores
CAD se genera división en las piezas para obtener esfuerzos en nodos o puntos más
pequeños determinando un mallado que cumpla con los requerimientos del estudio por
tanto este debe determinarse según la necesidad del estudio, este comprende la
división de la superestructura en una malla de alambre interconectado por nodos con
dimensiones determinadas por la formación nodal de la geométrica en dimensiones y
formas para colocar límites a estas subdivisiones , existen diferentes tipos de
geometrías determinadas por la calidad del análisis y los resultados obtenidos, del
40
tamaño y el tipo de elemento se podrían obtener resultados más acertados a la realidad
aumentando la calidad de los mismos pero también la capacidad final del estudio en
cuanto al consumo computacional requerido para ejecutar las ecuaciones diferenciales
del modelo por tanto debe existir siempre un balance entre número de elementos,
nodos y calidad de los elementos vs gasto computacional.
4.10 MALLADO
La discretización viene determinada por los lineamientos necesarios para la
consolidación de una superestructura definida con parámetros soportados por el
software Ansys y por el hardware disponible puesto que al definir la división del modelo
en elementos finitos muy pequeños aunque se comportara el elemento de una manera
lo más cerca a la realidad se hará un análisis mucho más tedioso y complejo para
tabular por superficies o por nodos en respuesta a la gran cantidad de elementos y
nodos que se generarían, haciendo uso de las capacidades del software Ansys como
se plantea en su brochure representativo se pueden utilizar diferentes tipos y
capacidades de mallado como lo son:
las superficies de roces.
mallado tetraédrico.
prisma.
capas de inflación.
barrido hexagonal.
malla multizona.
malla adaptativa con refinamiento.
41
El uso especializado de la herramienta Workbench incluida dentro del software a utilizar
se logra generar una discretización acorde al modelo analizado, consolidando una
maya en procura de obtener una calidad superior de cada elemento, esto se puede
supervisar con la herramienta control mesh del software donde se genera una gráfica
con información relevante de cantidad de elementos y calidad de los mismos el número
máximo a buscar es de 1 para la calidad de los elementos.
4.11 SOLUCIÓN DEL MODELO
Para la solución se dispone de herramientas computacionales que comprueban los
lineamientos de análisis de esfuerzo deformación utilizando ecuaciones precargadas
de métodos analíticos siendo esta la opción más adecuada al sustituir el tiempo
necesario para la realización de cálculos analíticos aislados en una versión sincrónica
de análisis definido, basándose en las limitantes del software Ansys el cual contiene
herramientas como simúlate con la cual es posible generar respuesta de superficie y
nodales, ejecutando análisis estáticos lineales que revelan tensiones o deformaciones ,
con posibilidad de realizar análisis de vibraciones y transitorias avanzadas con estudios
no lineales que se centran en los efectos dinámicos y comportamientos complejos
obteniendo respuestas en tiempos limitados por el comportamiento del sistema
modelado.
42
5 METODOLOGÍA
ACTIVIDAD No. ACTIVIDAD A REALIZAR DESCRIPCIÓN
1 Revisión documental
En esta etapa del proyecto se realizará una
revisión de la documentación relacionada con
el diseño conceptual, diseño preliminar en
general, para posteriormente vincularlos como
documentos soporte para el proceso de
optimización de la estructura de izaje y
bastidor de la unidad APU.
2 Adquisición de planos
Adquirir los planos del tráiler semirremolque,
para este caso y debido a la facilidad de
consecución de estos se decidió seleccionar
los tráiler semirremolque planchón de dos ejes
de marca Capri el cual ya está utilizado en la
unidad construida.
3 Determinación cargas
Determinar las cargas (fuerzas) a las cuales se
encuentre sometida la estructura de izaje y
bastidor tráiler semirremolque utilizado en
servicio de la unidad APU de Axure
technologies S.A
4 Diseño conceptual
Se realizara un modelo 3d del solido a
optimizar y diferenciaremos los elementos a
optimizar en el chasis y la estructura de izaje.
5 Modelamiento Ansys
Con ayuda del software Ansys, una vez
determinadas las cargas que actúan sobre la
estructura de la unidad APU, se pretende
realizar el modelamiento y la simulación del
comportamiento de la unidad en las diferentes
estados de carga, analizar cómo influyen estas
sobre la estructura, mediante la observación
de las deformaciones y esfuerzos máximos
producidos.
6 Optimización
Optimizar la estructura de izaje y bastidor de
semirremolque para esta utilidad unidad APU
de Axure Technologies S.A buscando la
minimizar el material a utilizar y l maximizar la
resistencia del semirremolque para esta
utilidad.
7 Diseño preliminar Determinar las nuevas dimensiones con las
43
cuales el diseño de la unidad cumple con los
requerimientos funcionales y los posibles
materiales a emplear. Este último como
asesoría para posibles mejoras en el proceso
de fabricación.
8 Verificar
Realizar análisis de comportamiento de la
nueva estructura modelada para verificar el
cambio en el comportamiento de la misma en
carga, comparando los resultados con los
calculados inicialmente y con los datos
adquiridos por el fabricante de
semirremolques.
9 Conclusión
Determinar la configuración recomendada para
la fabricación del semirremolque tipo furgón
unidad APU de la compañía Axure
Technologies S.A.
6 SOLUCIÓN
6.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA A SOLUCIONAR
Se requiere la disminución de material de fabricación de la unidad móvil Apu
ensamblada sobre un semirremolque de dos ejes el cual tiene una capacidad de carga
de 30000 KG de los cuales se están usando en esta unidad 12000 Kg de carga en
carrocería y equipos, la estructura de izaje debe soportar el peso de la estructura con
un fs. De 1,5 por tanto debe garantizar el levantamiento de la unidad con un
desplazamiento no mayor a 6 mm lo cual es el máximo permitido por la carrocería en
sus líneas de dilatación en juntas.
44
6.2 COMPONENTES Y SISTEMAS CARACTERÍSTICOS
La unidad está determinada según requerimientos del ministerio de transporte de
Colombia el cual da los lineamientos de fabricación de este tipo de unidades
semirremolque y furgones para obtener la homologación permitiendo su tránsito libre
en las vías del territorio nacional, para la determinación final de los componentes a
optimizar se realizara el listado de componentes en la Tabla 5 de aporte en peso al
total de la estructura es así como se determina los componentes que influyen en mayor
porcentaje al aumento de masa en la tara del semirremolque unidad APU.
45
Tabla 5 Aporte de masa al ensamble por cada sub-ensamble existente, elaboración propia
Los ejes como elemento constructivo no se tienen en cuenta para su optimización al
ser elementos estandarizados por el ministerio de transporte, estos sistemas son
adquiridos en conjunto para ser ensamblados por tanto la optimización de los mismos
no son incluidos dentro de este estudio.
ITEM cantidad Elemento masa(Kg)
masa total
(Kg)componente
s
% de
masa
1 1 Viga Principal 2187,5 2187,5 24,40%
2 1 Puentes APU 344,52 344,52 3,84%
3 2 Tren de Apoyo 114,88 229,76 2,56%
4 1 dos ejes completos 1253,9 1253,9 13,99%
5 1 Marco 376,23 376,23 4,20%
6 1 piso alfajor troquelado 114,13 114,13 1,27%
7 1 Estructura izaje 743,58 743,58 8,29%
8 32 refuerzo 0,992 31,744 0,35%
10 4 soportes ejes 32,129 128,516 1,43%
11 2 Soporte hojas y zapata 17,307 34,614 0,39%
12 2 SOPORTE TREN DE APOYO 10,357 20,714 0,23%
13 1 Soportes internos King Pin 90,756 90,756 1,01%
14 1 Lamina Soporte King Pin 167,92 167,92 1,87%
15 1 PING K 7,620 7,62 0,08%
16 1 Puentes APU piso 344,66 344,66 3,84%
17 1 Laminación carrocería 946,92 946,92 10,56%
18 1 techo 249,15 249,15 2,78%
19 1 Estructura lateral derecho 369,35 369,35 4,12%
20 1 estructura lateral izquierdo 340,58 340,58 3,80%
21 1 estructura frente 96,570 96,57 1,08%
22 1 estructura posterior 94,320 94,32 1,05%
23 1 estructura bodegas 135,44 135,44 1,51%
24 4 puertas 56,35 225,4 2,51%
25 6 persianas bodegas 72 ,00 432,00 4,82%
Total(Kg) 8965,894
46
6.3 DETERMINACIÓN DE CARGAS Y MODELAMIENTO
Al determinar la configuración inicial de la unidad Apu se obtiene un peso neto del
semirremolque el cual está alrededor de los 9000 Kg por tanto se determina la carga
máxima permisible la cual será de 18500 Kg para la estructura de izaje de los cuales
9500 será la asignada a equipos elementos propios de funcionamiento de la unidad,
equipos muebles y demás carga que pudiere añadirse a esta unidad dependiendo de
su uso y/o aplicación en la industria petrolera, por tanto se obtiene la configuración
inicial donde la carga aplicada será de 150000 N distribuida de manera uniforme en la
sección horizontal del semirremolque , se toman como puntos de apoyo las cantoneras
superiores para anclaje del sistema de elevación mecánico ver Ilustración 7, donde
estarán ubicadas las restricciones de desplazamiento y Rotación en los 3 ejes
añadiendo a esto el peso del sistema motriz del semirremolque obteniendo la
determinación estática de cargas del sistema, en esta ilustración se muestra la
configuración inicial con su centro de gravedad mostrando la estabilidad del ensamble,
con cargas por peso de ejes y carga del semirremolque.
Ilustración 7 Visualización restricciones y cargas aplicadas al modelo, en software Inventor Autodesk, Elaboración
propia
47
6.4 CÁLCULOS INICIALES
El análisis estático de la súper estructura con las cargas definidas para el estudio
donde se muestra la distribución a lo largo de la superficie del planchón bastidor, se
evidencian los elementos de mayor esfuerzo de von misses en la Ilustración 8 y
desplazamientos generados a partir del trabajo realizado al intentar elevar la estructura
soportando esta carga permisible ver Ilustración 9.
Modelo con levantamiento de unidad con torre grúa o PH la cual genera
desplazamientos en el eje vertical de los puentes transversales al ser cargado el
sistema con una carga distribuida de 150000 N equivalente a la carga máxima
aproximada de uso de la unidad. Siendo la carga mínima de 93000 N se opera el
sistema con 150000 N en ansias de obtener un F.S de 1,6 para esta unidad obteniendo
como resultado un FS promedio de 9 y un desplazamiento máximo de 3,2 mm ver
Ilustración 10.
Ilustración 8 , visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con una carga de 150000 N,
resultados de esfuerzos de Vom Mises, elaboración propia
48
Ilustración 9, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con una carga de 150000 N,
resultados deformación total, elaboración propia
Ilustración 10visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de izaje con una carga de 150000 N,
resultado factor de seguridad para la configuración de carga y restricciones en estado de izaje, elaboración propia
49
Se ejecuta el estudio al modelo de análisis con unidad cargada sujetada a cabezote o
quinta rueda, para esta configuración te tienen en cuenta las áreas de contacto de
bases de soportes de ballestas las cuales tienen un área de 38100mm2 por tanto para
disminuir el gasto computacional se boceto el área igual a la original disminuyendo el
número de elementos en el estudio, logrando establecer en estas áreas los soportes o
fijación de restricciones de movimiento en Fx,Fy y Fz así como los momentos en estas
mismas áreas establecidos en los ejes x,y,z obteniendo una configuración estática con
4 puntos de apoyo y una carga distribuida a lo largo de la estructura bastidor, como se
evidencia en los siguientes resultados para esfuerzo combinado de Von mises máximo
71,48 Mpa ver Ilustración 11 . Desplazamientos máximos 1,79 mm ver Ilustración 12 y
por ultimo obtención de un f.s de 15 ver Ilustración 13. Por tanto se determina que esta
unidad esta sobredimensionada para la carga y el uso requerido.
Ilustración 11, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de movilización con cabezote con una
carga de 150000 N, resultados de esfuerzos de Vom Mises, elaboración propia
50
Ilustración 12, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de movilización con cabezote con una
carga de 150000 N, resultados desplazamiento total, elaboración propia
Ilustración 13, visualización de estado de carga de la unidad Apu en estado de movilización con cabezote con una
carga de 150000 N, resultados factor de seguridad configuración arrastre por quinta rueda, elaboración propia
51
6.5 MODELAMIENTO EN ANSYS
Se divide el análisis en obtener un mejor comportamiento de los elementos que mayor
porcentaje de aporte en masa generan al ensamble, obteniendo como resultado la
división en dos elementos del sub ensamble los cuales son la viga bastidor o viga
principal la cual es modelada con la herramienta Desing model de Ansys los elementos
son realizados a partir de los planos de fabricación aportados por la compañía Axure
Technologies SAS dando como resultado el sólido más simple que representa el
modelo general para así lograr describir una manera más acertada el fenómeno físico
de la estructura bastidor ver Ilustración 14.
Ilustración 14 visualización de viga principal en Desingn modeler de Ansys Workbench, elaboración propia.
Se genera el modelo básico de la estructura bastidor compuesto por dos vigas
principales, dos soportes King pin y 4 travesaños los cuales soportan las cargas
laterales del semirremolque se modelan los soportes de los muelles y balancines como
un área en la estructura para diferenciar estos de la viga principal y no extender el
gasto computacional así se logra el ensamble como un sólido ver Ilustración 15,esta
52
plataforma muestra el mallado general de la estructura y la calidad del mallado inicial
en el modelo ver Ilustración 16.
Ilustración 15, Bastidor modelada en Ansys Workbench con mesh automatica generada elaboración propia
Ilustración 16 Calidad de malla con herramienta statistics de Ansys Workbench, elaboración propia
53
6.6 DEFINICIÓN DE PARÁMETROS
Luego del modelamiento y análisis estático se procede a determinar los valores de
parámetros iniciales definidos a ser utilizados en la optimización, estos presentaran
variación iterativa para determinar el diseño optimo en cumplimiento de los
requerimientos iniciales obteniendo una solución confiable en cuanto a disminución de
costos de material, fabricación y transporte de la unidad móvil Apu de la compañía
Axure Technologies, por tanto los parámetros definidos son los especificados como
sigue:
XYPlane.V16 = 0,58000000
Extrude6.FD1 = 0,01250000
XYPlane.V28 = 0,25400000
XYPlane.V2 = 0,52250000
XYPlane.H29 = 4,27464792
XYPlane.H3 = 4,50000000
XYPlane.V26 = 0,01270000
Se especifican los parámetros de espesor del alma Fd1,altura de alma central de
bastidor V16,Altura de alma trasera soporte ejes V2, Altura de alma delantera o tiro
V28,largo de alma central H29, largo de alma trasera soporte ejes H3, espesor de aleta
superior e inferior V26.
ZXPlane.H1 = 127,00000000
ZXPlane.H4 = 4,80000000
Plane4.H1 = 4,80000000
Se especifican los parámetros de ancho de perfil estructural cuadrado H1, con espesor
de perfiles de columnas H4 y espesor de perfiles de travesaños superiores Plano 4 .H1
, datos tomados del modelado con la plataforma Geometry de Ansys Workbench.
54
6.7 MALLADO
La discretización de los elementos es ejecutado cumpliendo con la búsqueda de
generar elementos de calidad que describan fielmente el fenómeno, se busca un
refinamiento que utilice al máximo las características del modelo ayudando a la
disminución de elementos que pudieren interferir con la calidad del análisis posterior,
por tal razón es realizado un seccionamiento geométrico para obtener mala de calidad
1 con elementos hexaedros 3d de manera tal que el mallado sea estructurado de muy
buna resolución al tener calidad en los elementos de la malla, se busca obtener una
estadística del mallado haciendo uso de la herramienta Mechanical de Ansys donde es
posible elegir y subdividir el elemento según la conveniencia del análisis con la
herramienta mesh control del software Ansys ver Ilustración 17, se agrupan zonas de
alto impacto en el análisis donde pudieran presentarse grietas, cargas concentradas,
contactos soldaduras, uniones ,anclajes o con cambios abruptos de sección transversal
donde los esfuerzos y las deformaciones pueden alcanzar su límite máximo obteniendo
la configuración que mayor calidad en análisis de malla se pueda obtener por método
automático con predominancia de hexaedros.
55
Ilustración 17 Visualización de malla en sección de reducción de área, elaboración propia
Se encuentra luego de la experiencia que el mallado automático por defecto optimiza
recurso computacional pero afecta la calidad del análisis al no generar un mallado
basado en la concentración de esfuerzos por esta razón es conveniente realizar una
selección del tamaño de los elementos para este caso de análisis se limita a un
tamaño de elementos de 0,002m o mejor de 2 mm obteniendo como resultado para el
modelo inicial un total de 173742 elementos, esta división es mucho más precisa al
tener mejor definidos los elementos buscando llegar a la precisión de la solución de las
ecuaciones / matrices de esfuerzo – deformación, en la ilustración siguiente se muestra
el desarrollo de esta malla y la calidad de los elementos mostrando un aumento
significativo en los elementos hexaédricos los cuales tienen una calidad de alrededor
del 0,85- 0.9 ver Ilustración 18, lo que genera mayor confiabilidad en los resultados a
obtener.
56
Ilustración 18 Estadística de calidad de elementos de malla, elaboración propia
6.8 Solución modelos estáticos
Para la solución del modelo se toman dos valores iniciales de carga para lo cual se
realizó el análisis por MEF en el software Autodesk inventor licencia en propiedad de la
compañía Axure Technologies SAS con serial N° 377-8574####, donde se muestran
las restricciones del modelo,donde se muestra el modelo idealizado de este caso de
uso para tal efecto se ingresan las mismas restricciones el en software Ansys
definiendo la configuración de carga estática con soportes en los soportes de muelles
modelados para tal fin y la restricción inicial de soporte a quinta rueda o por medio del
King pin como se muestra en la siguiente Ilustración 19.
57
Ilustración 19, modelo de análisis inicial con restricciones de desplazamiento y cargas, elaboración propia
Para el modelo aplicado inicialmente se obtienen los siguientes resultados donde se
evidencia el sobredimensionamiento excesivo que tiene este modelo al tener los
resultados de esfuerzo equivalente de Von Mises por debajo de 71 Mpa ver Ilustración
20 con una deformación máxima de 0.8 mm como se muestra en Ilustración 21
siguientes utilizando una carga máxima de 150000N lo equivalente a la sumatoria de la
carga máxima del semirremolque y la carga por peso bruto del mismo, luego de esto se
decide definir de manera más acertada el modelo para continuar con el análisis.
58
Ilustración 20 Resultado esfuerzo de von mises, elaboración propia
Ilustración 21 Resultados deformación total, elaboración propia.
59
Los resultados obtenidos para a configuración inicial del modelo de estructura de izaje
presentan una variación del esfuerzo equivalente de Von Mises al ser inferior al
bastidor principal pue su tope es de 65 Mpa ver Ilustración 22 con una deformación
máxima de 5 mm ver Ilustración 23 los cuales están dentro de los parámetros de
dilatación de la carrocería.
Ilustración 22 Esfuerzos combinados de Von mises, elaboración propia
60
Ilustración 23 Deformación total, elaboración propia
6.9 DETERMINACIÓN DE VARIABLES / PARÁMETROS A OPTIMIZAR
Luego de encontrar las zonas donde el esfuerzo combinado de Vom mises es mayor se
asumen los parámetros determinantes como lo son el H1, H5, H6 altura de alma
tomando los cambios de altura entre secciones también se definen los parámetros de
esfuerzo máximo y deformación máxima como parámetros a maximizar, para obtener
una configuración tal que se cumpla el requerimiento de disminución de peso de la
estructura viga principal como requerimiento de la optimización primaria al ser este
elemento el que más aporte en masa genera al conjunto, para la optimización de la
estructura de izaje la variables a optimizar son las que determinan el perfil a utilizar
siendo estos el espesor V1 y el ancho del perfil H1 para así obtener la configuración de
la estructura para el izaje de la unidad Apu.
XYPlane.V16 = 0,58000000
Extrude6.FD1 = 0,01250000
61
XYPlane.V28 = 0,25400000
XYPlane.V2 = 0,52250000
XYPlane.H29 = 4,27464792
XYPlane.H3 = 4,50000000
XYPlane.V26 = 0,01270000
6.10 OPTIMIZACIÓN DE LA ESTRUCTURA VIGA PRINCIPAL-BASTIDOR
Para obtener la solución óptima del bastidor de la unidad Apu se tienen en cuenta los
datos obtenidos con el refinamiento de la estructura en la optimización como se
muestra en el árbol de proceso de este estudio ver Ilustración 24 donde se identifican
los pasos seguidos en el software Ansys para esta labor, iniciando con la determinación
de cargas y limitante de restricciones siendo la carga inicial de la unidad de 180000 N
dividido en dos áreas de 3,16 m2 en efecto se ejerce una presión sobre dicha área de
27939 Pa ver Ilustración 25 , para luego ser aprobados por medio de un nuevo análisis
iterativo como el mostrado en Tabla 6 generando un grupo de parámetros de la
estructura que cumplen con los requerimientos necesarios para el correcto desempeño
de la unidad Apu y su estructura de izaje ver anexo 2.
Ilustración 24 árbol de proceso optimización viga, elaboración propia
62
Ilustración 25 configuración viga principal para optimización, elaboración propia
Tabla 6 optimización de parámetros, elaboración propia.
Dichos parámetros son el resultado de ejecutar la optimización con el software Ansys
Workbench sin presentar errores de tabulación se obtiene la selección de los puntos de
candidatos óptimos los cuales se enlistan como sigue:
63
Tabla 7 resultado de puntos candidatos para viga principal bastidor APU
Reference Name P1 -
YZPlane.H1
P2 -
Plane5.H5
P3 -
Plane6.H6
P4 -
Equivalent
Stress
Maximum
(Pa)
P5 - Total
Deformation
Maximum
(m)
Parameter
Value
Variation from
Reference
Parameter
Value
Parameter
Value
Parameter
Value
Parameter
Value
OPC1 Candidate Point 1 470,77 522,58 246,83 12029938,15 0,000197186
Candidate Point 2 477,04 566,08 259,00 13076957,94 0,000192347
Candidate Point 3 474,95 537,08 271,18 12290264,58 0,000196311
OPC2 New Custom
Candidate Point
405,45 225,25 180,20 109625954,7 0,004922792
New Custom
Candidate Point
409,89 232,28 190,00 81518893,98 0,0030279
New Custom
Candidate Point
418,78 234,63 200,59 81803890,13 0,003001382
New Custom
Candidate Point
522,5 580 273,95
Para la selección de los parámetros para la viga bastidor se toman como aplicables los
valores aproximados siguientes a los puntos candidatos obteniendo los siguientes
valores nominales:
Extrude1.FD1 = 3600,00000000
Plane5.H5 = 250,00000000
YZPlane.H1 = 450,00000000
YZPlane.H2 = 9,50000000
Plane6.H1 = 200,00000000
Plane6.V7 = 15,805000000
Se iniciara análisis estático del modelo optimizado luego de obtenerlos resultados de la
optimización del modelo inicial con la generación de los puntos candidatos, para ello
se crea el bosquejo del modelo optimizado Ilustración 26.El análisis estático es
ejecutado con la configuración de cargas y restricciones mostrada en la Ilustración 27 ,
en consecuencia el resultado para esfuerzos máximo de Vom Mises mostrado en la
64
Ilustración 28 con un esfuerzo máximo de 70.8 MPa y una deformación máxima de 2,5
mm como se evidencia en la Ilustración 29.
Ilustración 26 modelo de viga optimizado.
Ilustración 27 modelo análisis estático para solución óptima de diseño, elaboración propia.
65
Ilustración 28 resultado esfuerzo Von mises para el modelo optimizado, elaboración propia.
Ilustración 29Resultado deformación máxima viga optimizada,elaboración propia
6.11 OPTIMIZACIÓN DE ESTRUCTURA DE IZAJE
Para la solución del modelo analizado se tendrá cuenta el peso total de la unidad
móvil Apu de la compañía Axure Technologies SAS tomando como referencia una
66
masa de 18000 kg dividida en dos superestructuras laterales las cuales se analizan
como una imagen para la disminución del gasto computacional obteniendo como
resultado una estructura la cual está restringida como en el análisis inicial con cuatro
restricciones de movimiento en los 3 ejes ubicado en la formación nodal de las
cantoneras superiores cargada la estructura por una fuerza 88290 N distribuida a lo
largo del travesaño horizontal referenciado como estructura marco lateral el cual es un
perfil en C de dimensiones 200x 75 con un espesor de 4,5 mm el cual no es modelado
en este análisis por no estar comprometido a ser realizada su optimización, por tal
razón se modela una estructura sólida para simular el esfuerzo al que está siendo
sometida la estructura de izaje la cual está parametrizada a ser modificada según los
siguientes parámetros listados a continuación.
ZXPlane.H1 = 127,00000000
ZXPlane.H4 = 4,80000000
Plane4.H1 = 4,80000000
Donde se denota la siguiente determinación de variables que definen las características
básicas de la estructura de izaje como lo son el espesor del perfil y al ser un perfil
cuadrado la longitud de uno de sus lados, logrando así garantizar los parámetros
óptimos para el correcto uso y aplicación de los perfiles seleccionados maximizando el
esfuerzo de Von mises y disminuyendo los parámetros seleccionados, se muestra el
procedimientos seguido para garantizar el desarrollo de la optimización acorde a los
requerimientos establecidos al inicio de este estudio para demostrarlo se muestra el
árbol de proceso del proyecto en la plataforma Ansys Workbench como se evidencia se
cumple con la definición de la geometría la definición de los parámetros de ingeniería
para el material ASTM A 36 ver Tabla 8 como se muestra en el siguiente árbol de
proceso.
67
Ilustración 30 Árbol de proceso de proyecto optimización estructura de izaje
Tabla 8 Propiedades mecánicas del Acero ASTM A36, (Nisbett, 2012)
Se limita el objetivo de la optimización al buscar minimizar los parámetros y obtener un
aumento en el esfuerzo de Von mises el cual estaba totalmente bajo por tanto la
estructura podría cambiar su configuración en procura del cumplimiento de estos
objetivos se limita los parámetros P1, P2 y P3 como lo son la dimensión del perfil y sus
espesores en columnas y travesaños, los valores a maximizar son el esfuerzo de Von
68
Mises y el desplazamiento de la estructura como se muestra en la Tabla siguiente todo
esto en búsqueda del cumplimiento de los límites de esfuerzo ultimo del material y el
F.S mínimo el cual es de 1,6 en la estructura de izaje.
Tabla 9 Definición de parámetros a optimizar y determinación de objetivos de optimización, elaboración propia
Para lograr la variación correcta en función de los perfiles comerciales que se pudieren
utilizar se realiza el cambio del dominio para los puntos a generar automáticamente por
el software Ansys work bench , estos son definidos directamente por el usuario y en lo
posible se enlistan puntos manualmente con el fin de obtener una respuesta acertada
para los objetivos del estudio.se limita el grupo de variación a valores comprendidos
entre 89 mm y 152 mm para el caso del ancho de perfil y de 2,4 mm a 6,4 mm para el
espesor del perfil a seleccionar como se muestra en la siguiente Tabla 10.
69
Tabla 10 Límites del dominio a tabular basándose en las tablas de dimensiones aproximadas a perfiles comerciales en Colombia, Elaboración propia
Luego del cambio del rango del dominio a tabular se realiza la actualización del
proyecto el cual consigue generar una tabla de datos de optimización a ser tabulada
para cada punto, ver anexo 3, obteniendo un resultado de esfuerzo de Von Mises y
desplazamiento para los valores tomados de aquí depende si es exitosa o no la
optimización como se muestra en la Tabla 11, puesto que se debe tener en cuenta y
realizar la verificación de las restricciones del ensamble si estas generan errores los
cuales se mostraran en las celdas de resultado y el software tardaría más tiempo en
tabularlo como se evidencia en la siguiente ilustración.
70
Tabla 11 Correlación de puntos para realizar la optimización generada automáticamente, elaboración propia
Como resultado de la generación de resultados para el juego de parámetros
caracterizados automáticamente se entrega unos puntos candidatos para el diseño
estudiado el cual se muestra en la siguiente tabla, estas son generadas por el software
como puntos candidatos que en mayor porcentaje cumple con los objetivos de la
optimización de estos puntos candidatos se tomara la base para la selección del perfil.
Tabla 12 puntos candidatos cumpliendo los objetivos buscados en la optimización, elaboración propia
Para la selección de los parámetros para la estructura de izaje de la unidad móvil APU
se toman como aplicables los valores aproximados siguientes a los puntos candidatos
obteniendo los siguientes valores nominales:
ZXPlane.H1 = 100,00000000
ZXPlane.H4 = 2,50000000
Plane4.H1 = 2,50000000
Reference Name P1 - ZXPlane.H1 P2 - ZXPlane.H4 P3 - Plane4.H1
P4 - Equivalent
Stress Maximum
(Pa)
P5 - Total
Deformation
Maximum (m)
Parameter
Value
Variation from
ReferenceParameter Value Parameter Value Parameter Value Parameter Value
Candidate Point 1 89,315 2,42 2,42 95472670,01 0,009798094
Candidate Point 2 111,995 2,9825 2,617530864 73209304,53 0,007937138
Candidate Point 3 96,875 3,17 3,012592593 82149926,41 0,008302804
71
Se realiza análisis estático del modelo optimizado luego de obtener los resultados de la
optimización del modelo inicial con la generación de los puntos candidatos y la
selección del perfil comercial cuadrado de amplia comercialización en Colombia , para
ello se realiza el siguiente bosquejo del modelo y es realizado nuevamente el análisis
estático obteniendo los siguientes resultados para esfuerzo equivalente de Vom Mises
de 98 Mpa como se muestra en la siguiente ilustración, obteniendo una deformación
máxima del elemento de 8,7 ver Ilustración 32 este valor será verificado más adelante
con el ensamble completo del modelo y su análisis estático.
Ilustración 31 visualización resultado esfuerzo máximo de Von mises, análisis estático elaboración propia.
72
Ilustración 32Visualizacion resultados desplazamiento máximo, análisis estático elaboración propia
7 RESULTADOS
Se realiza el estudio estático del modelo de la nueva configuración de la unidad Apu
con estructura de izaje con lo cual se genera el nuevo solido a ser ejecutado en análisis
estático con una carga de 150000 N realizando dos modelos con variación en las
restricciones uno con restricciones de izaje de cargas cuatro puntos con restricciones
de desplazamientos en las cantoneras superiores , la siguiente configuración es la
buscada para el trasporte de carga por medio de vehículo dotado con quinta rueda
soportando el conjunto por medio de 7 restricciones de desplazamiento en los soportes
de ballestas y en lámina tornamesa o área destinada a King pin obteniendo los
resultados siguientes:
73
Ilustración 33 Resultado final esfuerzos combinados de Von mises, elaboración propia
Los esfuerzos obtenidos corresponden a la configuracion del bastidor con estructura
de izaje aplicando una carga total de 150000 N distribuidos a lo largo de las vigas
principales, con modificacion en los parametros optimizados y un desplazamiento
maximo de 3,97 mm como se evidencia en la ilustración siguiente.
Ilustración 34 Resultado final desplazamiento máximo, elaboración propia.
74
El desplazamiento máximo en esta configuración de carga es el punto de la Viga
principal en la conexión nodal del puente principal y esta viga para un valor de 3,9 mm
de desplazamiento máximo ver Ilustración 34 .
Ilustración 35 Resultado final F.S, Elaboración propia.
Se obtiene una viga principal bastidor con un porcentaje de disminución de material del
53,32 % con un Fs de 3,05 ver Ilustración 35 logrando disminuir la viga bastidor
principal en un total de 1021 Kg en peso de material disminuyendo costos de
manufactura, ensamble y sobre todo costos de transporte de la unidad móvil APU.
Se logra una disminución del 50,37% de masa total de la estructura de izaje pasando
de utilizar un perfil de dimensiones 5 in x 5 in x 3/16 in, luego de optimizar la estructura
se obtiene un perfil de 100x100 x 2,5 mm llegando a satisfacer los requerimientos con
un F.S de 2,1 con una masa final de 336,034 kg con un esfuerzo máximo de 98 Mpa.
8 COSTO FINAL DE IMPLEMENTACIÓN
Para obtener el costo final de la implementación se recurre al costo de materiales
directos de fabricación los cuales se muestran en la siguiente grafica donde se puede
75
observar que el 37 % del costo equivale al servicio de fabricación del semirremolque de
dos ejes homologado por la compañía industrias Capri para la compañía Axure
Technologies S.A, el porcentaje de reducción de este bastidor está representado en la
disminución de material empleado para generar las vigas principales y la estructura de
izaje según optimización realizada en el presente ducumento,el valor total para
implementación de este modelo es de alrededor de $ 66.000.000 millones de pesos ver
Ilustración 36 comparado con los $ 92.000.000 millones iniciales distribuidos en costo
de semirremolque laminado exterior y estructura ver Ilustración 37 , la carrocería al
estar construida en su fase inicial con lamina de aluminio de calibre 3 mm lamina lisa
esta puede ser sustituida por lamina de calibre hasta 1,2 mm con lo cual se disminuye
en gran valor el costo de la materia prima para el laminado exterior, previa verificación
del cambio en costo del perfil estructural de la misma se pudiere lograr el siguiente
cuadro de costos para la nueva implementación, sin tener en cuenta el costo y
depreciación de infraestructura instalada por la compañía Axure technologies SAS.
Ilustración 36 costos directos de materia prima para la fabricación de la unidad Móvil Apu después de su
optimización, Elaboración propia.
Cabe aclarar los costos iniciales del proyecto tienen un tope en materiales directos de
alrededor de 92.893.000 Millones de pesos discriminados como se muestra en la
$ 42.735.000
$ 7.480.000
$ 12.876.300
costos directos materiales optimizado
Trailer, estructura y juego
Tuberia
Laminas exteriores aluminio
76
ilustración siguiente así como la disminución del costo total proyectado de la nueva
configuración es de alrededor de los 63.091.300 millones de pesos.
Ilustración 37 costos directos de materia prima para fabricación de la unidad Móvil Apu a 2015 , Elaboración propia
9 PLANOS FINALES
Se generan planos de construcción de la nueva configuración de la unidad APU
teniendo en cuenta los resultados de la optimización para cada una de las piezas de
ensamble del bastidor y su estructura de izaje como se evidencia en las ilustraciones
siguientes.
$ 55.448.000
$ 13.600.000
$ 23.845.000
Costos materiales directos iniciales
Trailer, estructura y juego
Tuberia
Laminas exteriores aluminio
77
Ilustración 38 Plano final estructura bastidor e Izaje Unidad Apu Optimizada, Elaboración propia
78
Ilustración 39Plano final estructura bastidor Unidad Apu Optimizada, Elaboración propia
79
Ilustración 40 Plano final estructura Izaje Unidad Apu Optimizada, Elaboración propia
80
10 CONCLUSIONES
Se culmina con una reducción de aproximadamente el 50 % de la masa inicial por
cuanto las operaciones generadas en el software comprenden el comportamiento
estático de la estructura determinando la mejor configuración para el cumplimiento del
factor de seguridad el cual llega en su punto más bajo a ser de 2,1.
Para la fabricación del semirremolque bastidor con estructura de izaje de la unidad
APU de la compañía Axure technologies SAS se logra una diminución de alrededor del
32 % del costo inicial lo que concuerda con el cumplimiento del requerimiento inicial al
ser asociado la mayor aportación en costo de las estructuras optimizadas.
La fabricación del nuevo semirremolque al tener en su configuración una disminución
sustancial en dimensiones esta se reflejara en la diminución de infraestructura
instalada requerida para la preparación y ensamble de las piezas de fabricación del
nuevo bastidor así como también la estructura de izaje la cual disminuye en gran
manera su masa al cambiar de perfil a un perfil de menores dimensiones las cuales
son de 100 x 100 x 2,5 mm el cual es más fácil de manipular y ensamblar.
La mayor ganancia de la nueva estructura está en sus costos de desplazamiento o
transporte los cuales son generados a partir de la carga transportada por un tracto
camión y la distancia recorrida, al disminuir el volumen de material empleado para la
fabricación de la unidad Apu de la compañía Axure Technologies SAS esta última
tendría una disminución de los fletes pagados a empresas de transporte que prestan
este servicio de llevar dicha unidad a los taladros de perforación por todo Colombia
siendo este un costo variable que dependiente de la carga y la distancia.
Al disminuir el peso bruto vehicular la disminución de emisiones de CO y NOx del tracto
camión utilizado para llevar a su destino la unidad APU será proporcional a la
eficiencia del mismo y su carga transportada siendo esta una disminución proporcional
al volumen de emisiones con proyección en el tiempo de la utilización en servicio de la
unidad Móvil Apu de la compañía Axure Technologies SAS.
81
Se proyecta un análisis más complejo del comportamiento de la unidad Móvil Apu para
el diseño de su carrocería exterior conforme las necesidades futuras de clientes si así
lo requieren y en ansias de convertir el nuevo modelo en una versión customisable para
diferentes disciplinas que requieren esta unidad en campo para pozos exploratorios,
completamientos o de producción.
82
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85
Anexo 1
86
Anexo 2
Valores de las posibles configuraciones para estructura de izaje
Name P1 -
ZXPlane.H1
P2 -
ZXPlane.H4 P3 - Plane4.H1
P4 - Equivalent Stress Maximum
(Pa)
P5 - Total Deformation
Maximum (m)
1 89,315 2,42 2,42000 95472670,00748 0,00980
2 89,945 4,42 3,75333 66351616,80193 0,00739
3 90,575 3,42 5,08667 332298074,12399 0,04657
4 91,205 5,42 2,86444 62605268,63066 0,00702
5 91,835 2,92 4,19778 362758561,77511 0,04756
6 92,465 4,92 5,53111 286094353,92456 0,04379
7 93,095 3,92 3,30889 73767647,31340 0,00769
8 93,725 5,92 4,64222 55807411,82389 0,00649
9 94,355 2,67 5,97556 330319417,42082 0,04587
10 94,985 4,67 2,56815 57853176,69106 0,00730
11 95,615 3,67 3,90148 338497256,53301 0,04560
12 96,245 5,67 5,23481 56610499,40367 0,00640
13 96,875 3,17 3,01259 82149926,41186 0,00830
14 97,505 5,17 4,34593 58894138,47478 0,00666
15 98,135 4,17 5,67926 316868722,22939 0,04262
16 98,765 6,17 3,45704 49370329,12298 0,00639
17 99,395 2,545 4,79037 350345332,29676 0,04553
18 100,025 4,545 6,12370 306069000,93459 0,04109
19 100,655 3,545 2,71630 77898910,84625 0,00784
20 101,285 5,545 4,04963 57026425,30614 0,00640
21 101,915 3,045 5,38296 337506311,47639 0,04332
22 102,545 5,045 3,16074 54421484,04350 0,00671
23 103,175 4,045 4,49407 328295835,66569 0,04203
24 103,805 6,045 5,82741 50486404,54107 0,00587
25 104,435 2,795 3,60519 394023012,02098 0,04475
26 105,065 4,795 4,93852 319079284,18406 0,03983
27 105,695 3,795 6,27185 339079004,93211 0,04002
28 106,325 5,795 2,46938 56323804,79594 0,00639
29 106,955 3,295 3,80272 340706413,14006 0,04279
30 107,585 5,295 5,13605 54924854,55965 0,00606
31 108,215 4,295 2,91383 58161803,64059 0,00691
32 108,845 6,295 4,24716 52906982,56109 0,00580
33 109,475 2,4825 5,58049 381858692,61505 0,04181
34 110,105 4,4825 3,35827 58281437,43610 0,00663
35 110,735 3,4825 4,69160 343392205,00324 0,04025
36 111,365 5,4825 6,02494 300790806,40542 0,03559
87
37 111,995 2,9825 2,61753 73209304,53285 0,00794
38 112,625 4,9825 3,95086 52074190,17845 0,00616
39 113,255 3,9825 5,28420 345209293,00848 0,03786
40 113,885 5,9825 3,06198 53875353,59252 0,00589
41 114,515 2,7325 4,39531 371397388,93723 0,04091
42 115,145 4,7325 5,72864 313213118,99778 0,03551
43 115,775 3,7325 3,50642 62611115,02380 0,00682
44 116,405 5,7325 4,83975 51228599,01455 0,00555
45 117,035 3,2325 6,17309 345546882,17880 0,03710
46 117,665 5,2325 2,76568 53978084,06627 0,00607
47 118,295 4,2325 4,09901 58440682,58480 0,00625
48 118,925 6,2325 5,43235 51518652,63353 0,00519
49 119,555 2,6075 3,21012 405241883,74055 0,04122
50 120,185 4,6075 4,54346 62128575,97580 0,00588
51 120,815 3,6075 5,87679 354537992,07801 0,03531
52 121,445 5,6075 3,65457 51642320,54391 0,00558
53 122,075 3,1075 4,98790 364557968,09805 0,03687
54 122,705 5,1075 6,32123 298196833,09999 0,03164
55 123,335 4,1075 2,51877 62155339,49638 0,00645
56 123,965 6,1075 3,85210 52821082,66567 0,00528
57 124,595 2,8575 5,18543 405161617,89052 0,03639
58 125,225 4,8575 2,96321 61320665,29762 0,00586
59 125,855 3,8575 4,29654 355448814,07075 0,03479
60 126,485 5,8575 5,62988 53978042,49199 0,00494
61 127,115 3,3575 3,40765 395676249,78711 0,03668
62 127,745 5,3575 4,74099 52276472,75802 0,00520
63 128,375 4,3575 6,07432 345778876,27893 0,03108
64 129,005 6,3575 2,66691 58000313,52765 0,00525
65 129,635 2,45125 4,00025 410458464,98171 0,03743
66 130,265 4,45125 5,33358 358014579,37471 0,03099
67 130,895 3,45125 3,11136 82163943,47672 0,00641
68 131,525 5,45125 4,44469 50703994,67891 0,00506
69 132,155 2,95125 5,77802 381307714,23861 0,03302
70 132,785 4,95125 3,55580 64439093,87663 0,00537
71 133,415 3,95125 4,88914 369385068,41601 0,03139
72 134,045 5,95125 6,22247 341515033,89813 0,02655
73 134,675 2,70125 2,81506 444311833,55545 0,03709
74 135,305 4,70125 4,14840 63542449,10576 0,00525
75 135,935 3,70125 5,48173 374882082,20448 0,03042
76 136,565 5,70125 3,25951 72047947,87808 0,00502
77 137,195 3,20125 4,59284 375899585,60940 0,03223
88
78 137,825 5,20125 5,92617 323022819,59747 0,02665
79 138,455 4,20125 3,70395 61381127,19049 0,00544
80 139,085 6,20125 5,03728 62884344,76927 0,00444
81 139,715 2,57625 6,37062 364739006,18275 0,03090
82 140,345 4,57625 2,43646 66127032,71245 0,00551
83 140,975 3,57625 3,76979 370183459,21135 0,03127
84 141,605 5,57625 5,10313 55147538,61044 0,00450
85 142,235 3,07625 2,88091 80511273,16273 0,00626
86 142,865 5,07625 4,21424 60940074,34285 0,00478
87 143,495 4,07625 5,54757 325665729,96796 0,02720
88 144,125 6,07625 3,32535 53120140,41268 0,00462
89 144,755 2,82625 4,65868 387147848,75905 0,03080
90 145,385 4,82625 5,99202 286101769,96127 0,02484
91 146,015 3,82625 2,58461 60436730,52536 0,00563
92 146,645 5,82625 3,91794 50636091,90104 0,00447
93 147,275 3,32625 5,25128 345942520,14270 0,02801
94 147,905 5,32625 3,02905 48732268,04149 0,00477
95 148,535 4,32625 4,36239 324258167,63400 0,02656
96 149,165 6,32625 5,69572 51674753,33943 0,00402
97 149,795 2,51375 3,47350 414426125,09723 0,03219
98 150,425 4,51375 4,80683 314473677,80209 0,02514
99 151,055 3,51375 6,14016 342014880,49286 0,02551
100 151,685 5,51375 2,73276 53532540,32510 0,00466
89
Anexo 3
tabla posibles configuraciones para viga principal
Name P12 -
Extrude1.FD1
P13 -
Plane5.H5
P14 -
YZPlane.H1
P15 -
YZPlane.H2
P16 -
Plane6.H1
P17 -
Plane6.V7
P4 -
Equivalent
Stress
Maximum
(Pa)
P5 - Total
Deformation
Maximum (m)
1 3243,6 225,25 405,45 8,5595 180,2 16,92078 109625955 0,004922792
2 3250,8 250,25 435,45 8,9395 185,91429 17,262235 89654558 0,004159176
3 3258 237,75 465,45 9,3195 191,62857 17,603689 3,049E+10 591,6501249
4 3265,2 262,75 415,45 9,6995 197,34286 17,945144 78729737 0,002853069
5 3272,4 231,5 445,45 10,0795 203,05714 18,286598 81594882 0,0030479
6 3279,6 256,5 475,45 8,6355 208,77143 18,628053 75338322 0,002640564
7 3286,8 244 425,45 9,0155 214,48571 18,969507 78335112 0,002863517
8 3294 269 455,45 9,3955 181,01633 19,310962 75834717 0,002706869
9 3301,2 228,375 485,45 9,7755 186,73061 19,652416 80871048 0,003062586
10 3308,4 253,375 408,78 10,1555 192,4449 19,993871 77891581 0,002900511
11 3315,6 240,875 438,78 8,7115 198,15918 20,335325 78486543 0,00294615
12 3322,8 265,875 468,78 9,0915 203,87347 16,951821 75355195 0,002553499
13 3330 234,625 418,78 9,4715 209,58776 17,293276 81803890 0,003001382
14 3337,2 259,625 448,78 9,8515 215,30204 17,63473 74633961 0,002545434
15 3344,4 247,125 478,78 10,2315 181,83265 17,976185 78478001 0,002831115
16 3351,6 272,125 428,78 8,7875 187,54694 18,31764 76149185 0,002677937
17 3358,8 226,8125 458,78 9,1675 193,26122 18,659094 81759009 0,003075527
18 3366 251,8125 488,78 9,5475 198,97551 19,000549 74452924 0,002598939
19 3373,2 239,3125 412,12 9,9275 204,6898 19,342003 78598069 0,002901824
20 3380,4 264,3125 442,12 10,3075 210,40408 19,683458 71621330 0,002460162
21 3387,6 233,0625 472,12 8,8635 216,11837 20,024912 75469563 0,00270878
22 3394,8 258,0625 422,12 9,2435 182,64898 20,366367 76550900 0,002802612
23 3402 245,5625 452,12 9,6235 188,36327 16,982863 79881978 0,002848055
24 3409,2 270,5625 482,12 10,0035 194,07755 17,324317 72965453 0,002415204
25 3416,4 229,9375 432,12 10,3835 199,79184 17,665772 80939724 0,002963795
26 3423,6 254,9375 462,12 8,5747 205,50612 18,007226 74900781 0,002574019
27 3430,8 242,4375 492,12 8,9547 211,22041 18,348681 74726649 0,002571375
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90
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91
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