El pasado de 16 de julio tuvimos la oportunidad de ofrecer un webinar sobre la simulación de vibraciones mecánicas con SolidWorks. Era un área de estudio que teníamos pendiente por mostrar, y durante un par de horas fueron bastantes las interacciones y consultas que nos hicieron. En este sentido, decidimos redactar este artículo respondiendo a todas las inquietudes, de manera que todos puedan tener acceso a la misma información de interés.

 

¿Algún dispositivo económico para medir vibraciones?

   En el webinar mostramos cómo es posible medir vibraciones con un Arduino y un acelerómetro MPU6050. Es una de las tecnologías más baratas y eficientes que existen actualmente en el mercado. Sin embargo, todo dependerá del proyecto que se quiera realizar y del nivel de resolución necesario en la toma de datos.

 

¿Qué consideraciones se deben tomar para la participación de la masa?

   El Factor de Participación de Masa Efectiva es un indicador que permite ponderar cuánta de la energía vibratoria en dirección X, Y o Z contribuye a la dinámica general del sistema. Por esta razón, está muy relacionado con la obtención de resultados correctos en una simulación dinámica. La consideración principal es que el Factor de Participación de Masa Efectiva Acumulativo (CEMPF) sea de al menos un 80% en la dirección de la excitación. Para una explicación más detallada, recomendaría leer Understanding Mass Participation Factor results in frequency studies.

 

¿Cómo podríamos realizar el análisis vibracional del eje de una zaranda vibratoria?

   Depende del tipo de falla que se desee analizar. En general, lo procedente sería realizar varios estudios, quizás en este orden: análisis estático, análisis dinámico armónico y análisis de fatiga. En la empresa CADSO ofrecemos asesoría gratuita para diagnosticar eficazmente qué es lo que se necesitaría simular y cómo.

 

¿Hasta qué punto sería necesario un análisis sísmico en una estructura, como un panel solar o en un puente grúa?

   Más que análisis sísmico, serían necesarios todos los estudios dinámicos que garanticen la rigidez y operación del sistema. Con relación a ello, siempre será recomendable realizar simulaciones de impacto, o análisis de frecuencia para anticiparse a las resonancias y modos de vibración. Los estudios estáticos son casos particulares de los estudios dinámicos, por lo que al realizar un estudio dinámico ya estaríamos abarcando la generalidad del sistema de cargas. En cuando a las cargas sísmicas, las mismas deberán considerarse si las normas así lo estipulan o si la zona de la construcción es una zona sísmica.

 

¿Qué alternativas tiene SolidWorks para evitar la resonancia?

   Como la frecuencia de resonancia es una característica inherente al sistema, no se podría hablar propiamente de evitarla, mas sí podemos atenuar las amplitudes obtenidas en dicha frecuencia, las cuales suelen ser las máximas. Dependiendo de los grados de libertad y sencillez del proyecto, podría realizarse una simulación de balanceo con SolidWorks Motion o un estudio dinámico en SolidWorks Simulation Premium, para evaluar los efectos de la amplitud de resonancia en diferentes configuraciones de rigidez (material y geometría).

 

¿Cómo analizar las vibraciones de una estructura metálica vertical con una masa móvil en ella?

   El hecho de que la exista una masa móvil significativa en la estructura hace que el centro de gravedad y la rigidez de la misma varíen en el tiempo. Será necesario realizar algunas simplificaciones al análisis, dependiendo de si la masa móvil se traslada de forma acelerada o a velocidad constante. Si la masa móvil es acelerada, conviene traducir esa aceleración en una fuerza de impulso equivalente, que servirá como dato de entrada para realizar después de una simulación dinámica. Si la masa se mueve a velocidad constante, su aceleración relativa con respecto a la estructura es cero, y entonces se podría realizar una simulación estática para el peor caso posible, de acuerdo con la ubicación de esta masa.

 

¿Algunas recomendaciones con relación al mallado para el análisis de frecuencia?

   Los análisis de frecuencia están implícitos en los análisis dinámicos. Siendo la simulación dinámica bastante exigente con los requisitos del computador, es muy probable que se necesite usar elementos shell y beam para mallar perfiles estructurales y modelos delgados, respectivamente. Esto exige un conocimiento intermedio del programa por parte del usuario, sobre todo porque, además de los distintos tipos de elementos del mallado, hay que considerar los contactos locales entre ellos. En CADSO brindamos los cursos para explicar estas metodologías.

 

¿Es posible simular el efecto de dos fuerzas desbalanceadas en una estructura?

   Sí, es posible. Dos o más cargas, tantas como existan en la realidad del problema físico. De ahí la gran ventaja de realizar simulaciones estructurales con el método de elementos finitos y no sólo con cálculos teóricos, pues a través de una simulación podemos abordar la complejidad del problema.

 

¿Los datos obtenidos en Arduino van directo a SolidWorks? ¿No se requieren drivers?

   Los datos fueron transmitidos a la computadora por el acelerómetro MPU6050 a través de un protocolo I2C (protocolo de bus) que posee el Arduino. Luego, se integró esta data a una hoja de Excel y de ahí a SolidWorks.

 

¿Es posible flexibilizar el modelo 3D para modificar los modos de vibración en SolidWorks?

   Sí. Los modos de vibración están intrínsecamente relacionados con las sujeciones en el modelo. Si hay empotramientos, articulaciones, bisagras o «patines», los modos de vibración se comportarán consecuentemente.

 

¿El sensor Arduino puede trabajar en ambientes explosivos, como tuberías de gas?

   Esto depende de cómo se diseñe el hardware para trabajar en ese ambiente. Probablemente se deberá modificar el hardware original de la tarjeta de prototipado. Por fortuna, la tecnología Arduino no sólo es una placa con un ATMEGA 328, sino todo un sistema en desarrollo. Actualmente existen placas muy potentes capaces de trabajar en ambientes industriales. Un ejemplo de ellas es la Portenta H7.

 

¿Se pueden simular esfuerzos hidráulicos sobre una estructura, como por ejemplo una compuerta?

   Sí, es posible hacerlo. Las cargas aplicadas serían las presiones ejercidas sobre la estructura.

¿Existe una versión de prueba de SolidWorks?

Sí. Pueden ingresar a este artículo, en donde se describen varias posibilidades.

 

¿Se puede realizar un análisis vibracional en reductores de velocidad, específicamente en los rodamientos?

   Sí, es posible. Los rodamientos en los ejes son zonas de apoyo y de condiciones de restricción especiales. Dentro de la simulación en SolidWorks existen los conectores virtuales tipo rodamiento (bearing connectors), encargados de aproximarse correctamente a la física de estos soportes sin necesidad de incluir el modelo 3D del rodamiento en la simulación.

 

¿Se puede realizar una simulación a partir de una ya realizada con un determinado número de ciclos ya recorrido?

   No. Los análisis de fatiga, que son los que arrojan como resultado el número de ciclos de carga antes de la falla, se simularían desde el estado inicial de la operación. Esto es así porque sería muy difícil caracterizar en una simulación un material que ya tiene desgaste o esfuerzos acumulados.

 

¿Cómo se pueden calcular en SolidWorks los coeficientes de rigidez y amortiguación?

   Los coeficientes para la amortiguación de Rayleigh (que se utilizan para una simulación dinámica no-lineal) se calculan manualmente a partir de la data de dos frecuencias naturales (simuladas en SolidWorks) y de sus respectivos coeficientes de amortiguación. Estos coeficientes de amortiguación, a su vez, pueden ser estimados a partir de tablas o calculados de acuerdo con la vibración obtenida en campo.

 

¿Es posible realizar un análisis sísmico en estructuras de concreto armado?

   Es posible, aunque hay herramientas en el mercado más especializadas para estos propósitos. En SolidWorks, por ejemplo, se puede realizar la simulación de un ensamblaje conformado por barras de acero insertadas dentro de zapatas de concreto. El concreto, dependiendo del caso, puede simularse como un material ortotrópico. Desde luego, serán necesarias las propiedades mecánicas del material en función del plano de esfuerzo elegido.

 

¿Se pueden hacer simulaciones de modelos importados desde otros CAD?

   Sí, es posible. Sin embargo, hay que considerar que el proceso de simulación, en la práctica, suele ser uno iterativo. A partir del modelo 3D se realiza una simulación, cuyos resultados nos darán lineamientos para editar la geometría del modelo y luego volver a simular. Si el modelo es importado desde otro CAD a SolidWorks, puede ocurrir que no se cuente con el árbol de operaciones para poder editar la geometría. En estos casos, los cambios en la geometría tendrían que realizarse en el CAD original, luego importar de nuevo el modelo a SolidWorks y a partir de ahí volver a simular.

 

¿En dónde se puede obtener más información sobre toma de datos con Arduino?

   A través del equipo de ElectroLabOpen. Correos: electrolabopenve@gmail.com y rojasyilber83@gmail.com

 

¿Cómo puedo conocer más sobre simulaciones en SolidWorks en el Perú?

   A través del equipo de CADSO, distribuidores oficiales de SolidWorks en Perú. Solicita una reunión sin compromiso.

 

Salvador Suniaga / Ingeniero mecánico. Esp. Gerencia de Producción y Operaciones. SolidWorks Elite AE. CADSO S.A

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