Diseño y optimización de soportes de componentes externos mediante CATIA Ponente: Benjamín Tapia Aguilar
Que son los Elementos Externos? Se llama elementos externos a todo lo que se encuentra fuera de las carcasas que delimitan la turbomaquinaria (Power plant). En general comprende: Sistema de CombusCble, Sistema de Aceite, Sistemas Eléctricos, Sistema EBU (Engine Built Unit). Accesorios (Bombas, extractores de calor, etc..) Nacelle. All images are proprietary informacon
Que son los soportes? Piezas usadas como método de sujeción o soporte de componentes o accesorios. Pueden ser fabricados como chapa metálica o mediante maquinados. Categorizados por: Posición en motor, Método de diseño. All images are proprietary informacon
Desarrollo de Requisitos Fases de diseño Diseño Conceptual Etapa 1 (Selección del Concepto) Diseño Preliminar Etapa 2 (Revisión Preliminar) Diseño de Detalle Validación del Diseño Etapa 3 (Revisión Critica) CerCficación Soporte
Mecánicos: Requisitos de Diseño Soportar cargas estáticas y dinámicas. Soportar cargas debidas a temperatura. Soporta el peso de la propia instalación. Ayuda a reducir vibraciones de los componentes soportados. Funcionales: Estética, facilidad de mantenimiento. Robustos y Fiables. Bajo coste de adquisición y mantenimiento. Fabricables.
Criterios de Diseño Materiales (Aluminio, Acero Inoxidable, Inconel, Titanio, etc..) Normas de Diseño Radios y ángulos de doblado, Espesores, Ancho de Ala y distancias a bordes, Radios Exteriores y diámetros de agujeros, Diámetros y geometría de agujeros. (Flotantes vs fijos). Herramientas de ensamble y tolerancias de fabricación. Uniones: tornillo tuerca > remachadas > soldaduras. Tipos de inspecciones (visual, líquidos penetrantes, rayos X),
Comportamiento Mecánico Análisis Estático. Factor de reserva mayor de 1.5. Análisis Modal. 1ª Frecuencia natural fuera del rango de frecuencias del motor. * Roarks Formulas for Stress and Strain
Diseño Preliminar 3D Experiencia / Analogía Procedimiento de diseño Etapa 1 (Selección del Concepto) Cálculos a mano FEM Preliminar Etapa 2 (Revisión Preliminar) Diseño Final 3D Etapa 3 (Revisión Critica) Diseño de Detalle
Diseño Preliminar Diseño en contexto con maqueta electrónica. Criterios de diseño automatizados: Parámetros de diseño bajo estándares de cliente. Power Copies. Catálogos.
Customizacion de Parámetros
Experiencia / Analogía Se usa principalmente con rediseños mas que en nuevos diseños. Preferido en formas y geometrías no tan complejas. Usado como referencia en soportes de componentes críticos. Cálculos a mano Método sencillo de verificar que el diseño del soporte cumple con criterios mecánicos (especialmente modal). Aplicable a rediseños y nuevos diseños. M * y σ = I 1 3 I = * b* t 12 M = m* a * FC * l Muy buena aproximación si el diseño no es complejo 1.732 E * I y se usan factores apropiados. f1 = * 2π m* l Usado como preliminar en soportes de componentes σ 0.2 críticos, pero se deberá comprobar con un FEM. R. F. = > 1. 5 σ 3
Cálculos FEM CATIA Generative Structure Analysis Usado para soportes de componentes. Fácil de usar por personal no especializado y con conocimientos básicos de FEM. Buena aproximación con mallados no tan complejos. Excelentes resultados con geometría no tan compleja. Bajo tiempo de iteración. ANSYS Utilizado para soportes de accesorios. Usado para análisis críticos (resonancia, FBO). Mayor tiempo de iteración diseño-analisis en comparación con CATIA.
Inputs para Calculo FEM Materiales. Tomados de base de datos existente en CATIA. Masa de componentes a soportar (tubos, mazos eléctricos, accesorios, etc..). Temperatura de trabajo y expansiones térmicas. Cargas debidas a tolerancias de ensamble. Cargas Inerciales (Comercial vs Militar). Vibraciones debidas a operación del motor (N1, N2, Generador, etc ) Cargas externas debidas al componente (actuadores, válvulas, intercambiadores de calor, etc..). Restricciones (soldaduras, elementos de sujección, etc)
Si los soportes son aceptados bajo los criterios mencionados se procede al detalle y revisión final junto con el ensamble completo. Si no se acepta se hacen ajustes en base al modo de falla existente. El diseño se optimiza en caso de que su margen de seguridad sea alto. Reducción de espesor, Modificación del diseño, Aceptación de Diseño Remoción de material en zonas libres de esfuerzos.
Comentarios finales - El diseño de soportes de componentes externos es una actividad, que aunque parece sencilla, requiere de muchas herramientas de ingeniería y a la par de conocimientos teóricos básicos de Ingeniería, manejo de software, manufactura, etc... - La robustez que CATIA ofrece para el diseño de estos componentes permite que una sola persona sea capaz de realizar un diseño optimo sin necesidad de iterar con diferentes grupos, lo que implica la reducción de tiempo de diseño. - Los diversos productos CAD/CAE/CAM que ofrece CATIA ayudan de manera excelente a crear procesos eficientes de trabajo e ingenieria concurrente.
MUCHAS GRACIAS POR SU ASISTENCIA!!!