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El talón de Aquiles del rendimiento de las grúas: Por qué los modelos tradicionales de AEF se quedan cortos en la predicción de la rigidez

/ 03 Jun 2024 / por: Yurii Shumak

Análisis por elementos finitos (FEA)

Grúas y equipos de elevación

¿Se ha preguntado alguna vez por qué una predicción precisa de la rigidez de una grúa es crucial para un funcionamiento seguro y eficaz? Este artículo examina las limitaciones de los modelos tradicionales de AEF (análisis por elementos finitos) que se basan en elementos de viga. Expondremos cómo estos modelos pueden pasar por alto detalles críticos y conducir potencialmente a predicciones de rigidez inexactas.

La rigidez de las grúas desempeña un papel primordial a la hora de garantizar el funcionamiento suave, seguro y eficaz de estas máquinas críticas. Una grúa rígida presenta una deflexión mínima bajo carga, lo que permite un posicionamiento preciso de la carga y mitiga los balanceos potencialmente peligrosos durante el funcionamiento. Por el contrario, una rigidez insuficiente de la grúa se traduce en una deflexión excesiva, lo que compromete la precisión del control e introduce problemas de seguridad.

Los modelos tradicionales de análisis por elementos finitos (AEF ) suelen basarse en elementos de viga para representar la estructura de la grúa. Aunque computacionalmente eficiente, este enfoque adolece de una limitación significativa: su incapacidad para captar con precisión las complejidades de las geometrías de las grúas del mundo real. Los elementos de viga son esencialmente representaciones unidimensionales, que descuidan los intrincados detalles de características como:

• Uniones soldadas: Estas uniones, en las que convergen múltiples miembros estructurales, introducen geometrías complejas que influyen significativamente en cómo se transfieren las fuerzas e impactan en la rigidez global. Los elementos de viga tienen dificultades para representar estas complejidades.
• Uniones atornilladas: Al igual que las conexiones soldadas, las uniones atornilladas introducen complejidades geométricas que los modelos tradicionales de elementos finitos no suelen captar con precisión.
• Conexiones con pasadores: La forma en que se transfieren las cargas a través de las conexiones con pasadores puede tener un impacto sustancial en la rigidez de la grúa. Los elementos de viga pueden no tener en cuenta adecuadamente estas trayectorias de carga específicas.
• Esquinas y transiciones afiladas: Estas características, a menudo presentes alrededor de conexiones soldadas o atornilladas, pueden afectar significativamente a la distribución local de tensiones e influir en la rigidez global. Los elementos de viga tienen dificultades para representar estos cambios geométricos bruscos.
• Sistemas de pórtico: El pórtico, la estructura de soporte que lleva el mecanismo de elevación, es un componente crítico a menudo mal representado por los elementos de viga. Su compleja geometría, en la que intervienen múltiples miembros interconectados, influye significativamente en la rigidez global de la grúa.

Estas limitaciones de los modelos tradicionales de AEF que utilizan elementos de viga pueden conducir a predicciones de rigidez sobreestimadas. Esta sobreestimación se traduce en una falsa sensación de seguridad durante el funcionamiento, lo que puede enmascarar peligros potenciales para la seguridad y comprometer la eficacia operativa debido a un balanceo excesivo imprevisto.

En las secciones siguientes, exploraremos un enfoque más refinado de la predicción de la rigidez de la grúa que aborda estas deficiencias y garantiza una representación más exacta del comportamiento de la grúa en el mundo real.

Un enfoque perfeccionado de la predicción de la rigidez de las grúas

El AEF tradicional con elementos de viga proporciona una comprensión básica de la rigidez de la grúa, pero para obtener predicciones más precisas es necesario un enfoque más refinado. En SDC Verifier, abogamos por una  enfoque de modelado híbrido, nuestro software aprovecha los puntos fuertes tanto de los elementos de vigas como de los modelos detallados de placas.

Este enfoque combina estratégicamente:

• Elementos de viga: Siguen siendo la base para modelar la estructura general de la grúa debido a su eficiencia computacional. Son muy adecuados para representar miembros largos y esbeltos como las plumas y las patas de las grúas.

• Modelos detallados de placas: Se incorporan en zonas críticas donde las geometrías complejas influyen significativamente en la rigidez. Los elementos de placa son representaciones bidimensionales que ofrecen una representación más precisa de estas características.

1. Conexiones soldadas:

• Representación del elemento viga: Un único elemento viga suele conectar varios miembros estructurales en una soldadura, descuidando los intrincados detalles de la geometría de la soldadura y la forma en que se transfiere la carga.
• Modelo detallado de placas: Este enfoque utiliza placas individuales para representar la zona de soldadura, capturando la interacción entre los miembros conectados y proporcionando una representación más precisa de la distribución de esfuerzos.

2. Conexiones atornilladas:

• Representación de elementos de viga: De forma similar a las uniones soldadas, los elementos de viga suelen simplificar las uniones atornilladas, despreciando la influencia de los orificios de los tornillos y el material circundante.
• Modelo detallado de placas: Este enfoque incorpora placas individuales para representar la unión atornillada, incluidos los orificios de los tornillos y el material circundante. Esto permite un análisis más preciso de las concentraciones de tensión y su impacto en la rigidez.

3. Conexiones fijas:

• Representación del elemento viga: Los elementos de viga pueden no captar adecuadamente la trayectoria específica de la carga a través de una conexión articulada, lo que puede provocar imprecisiones en la predicción de la rigidez.
• Modelo de placa detallado: Este enfoque utiliza elementos de placa para modelar la geometría específica del pasador y su interacción con los componentes circundantes, proporcionando una representación más precisa del mecanismo de transferencia de carga y su influencia en la rigidez.

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4. Esquinas y transiciones agudas:

• Representación de elementos viga: Los elementos de viga tienen dificultades para representar los cambios geométricos bruscos de esquinas y transiciones, lo que puede provocar imprecisiones en la distribución de tensiones y la predicción de la rigidez.
• Modelo detallado de la chapa: Este enfoque utiliza mallas refinadas con elementos más pequeños para captar con precisión las geometrías afiladas de esquinas y transiciones. Esto permite un análisis más preciso de las tensiones localizadas y su impacto en la rigidez global.

5. Sistemas de pórtico:

• Representación de elementos viga: La representación de la compleja geometría del sistema de pórticos con elementos viga conduce a menudo a una subestimación significativa de su influencia en la rigidez global.
• Modelo detallado de placas: Este enfoque utiliza placas individuales para modelar los distintos componentes del sistema del pórtico, incluidos los pilares, las vigas y los miembros de arriostramiento. Esto permite una representación más precisa de la trayectoria de la carga a través del pórtico y su contribución a la rigidez global de la grúa.

Al incorporar modelos de placa detallados en estas áreas críticas, el enfoque de modelado híbrido proporciona una representación más precisa de la geometría y el comportamiento reales de la grúa. Esto conduce a predicciones de rigidez significativamente mejoradas en comparación con los modelos tradicionales de elementos de viga.

Las ventajas del modelado detallado de grúas

Las ventajas del enfoque de modelado híbrido de SDC Verifier van mucho más allá de lograr unas predicciones de rigidez más precisas. Al incorporar modelos detallados de placas en áreas críticas, obtenemos valiosos conocimientos que contribuyen a:

1. Mejora de la evaluación de la vida útil por fatiga

El análisis detallado de las tensiones de las uniones soldadas se hace posible con el uso de modelos de placas. Esto nos permite identificar los lugares en los que es más probable que se produzcan concentraciones de tensiones. Estas zonas son especialmente susceptibles a la iniciación y propagación de grietas por fatiga a lo largo del tiempo. Al localizar estas zonas críticas, podemos:

• Recomendar inspecciones específicas y estrategias de mantenimiento preventivo para mitigar los riesgos de fatiga.
• Implemente mejoras en el diseño de las soldaduras para optimizar la distribución de las tensiones y prolongar la vida útil de la grúa.

2. Identificación de las concentraciones locales de tensión

El modelado detallado proporciona una visión más fina de la distribución de las tensiones en toda la estructura de la grúa. Esto nos permite identificar las zonas en las que se producen concentraciones locales de tensiones que superan el límite elástico del material. Estas concentraciones pueden provocar fallos potenciales si no se abordan. La detección temprana mediante el modelado detallado permite:

• Aplicar modificaciones de diseño para redistribuir la tensión y evitar fallos localizados.
• Optimización de la selección de materiales para ubicaciones específicas en función de los niveles de tensión identificados.

3. Evaluación mejorada de la integridad estructural global

La capacidad de capturar con precisión el comportamiento de las conexiones críticas y del sistema de pórticos mediante un modelado detallado proporciona una comprensión más holística de la integridad estructural de la grúa. Esto permite:

• Una evaluación más exhaustiva de la capacidad de la grúa para soportar las cargas de diseño y los esfuerzos operativos.
• Identificación de los posibles puntos débiles de la estructura antes de que se conviertan en problemas críticos.
• Confianza en la capacidad de la grúa para cumplir las normas y reglamentos de seguridad.

Impacto en la optimización del diseño y la seguridad

Los conocimientos obtenidos de la modelización detallada contribuyen directamente a optimizar el diseño de las grúas. Al comprender el verdadero comportamiento de la estructura bajo carga, los ingenieros pueden:

• Perfeccione los diseños para lograr una distribución eficaz de la carga y minimizar las concentraciones de tensión.
• Seleccione los materiales adecuados en función de los niveles de tensión reales experimentados en las zonas críticas.

En última instancia, el modelado detallado de la grúa fomenta un enfoque proactivo de la seguridad. Al identificar los posibles problemas antes de que se agraven, podemos garantizar la integridad estructural de la grúa, minimizando el riesgo de accidentes y fomentando unas operaciones seguras y fiables.

Validación en el mundo real: Optimización de la grúa STS con modelado detallado

Un gran ejemplo que muestra la eficacia de nuestro enfoque de modelado detallado es el proyecto que llevamos a cabo junto con Kalmar Países Bajos sobre la verificación exhaustiva de la grúa STS para la terminal Euromax.  

Debido a las modificaciones realizadas en la grúa para aumentar su eficacia operativa, se estableció un requisito de frecuencia natural mínima.  

Entre otros cálculos como la resistencia, la vida útil restante, el pandeo, las soldaduras, los pernos, la elevación, los transportes, etc., también se realizó un estudio de rigidez basado en el método de análisis de elementos finitos.  

Para demostrar el papel fundamental que desempeña el modelado detallado del sistema de pórtico en la evaluación de la rigidez de la grúa, se realizaron una serie de análisis de modos normales empleando diversas técnicas de modelado y se compararon con las mediciones reales.  

En concreto, el sistema de pórtico se modeló utilizando: 

• Elementos de viga 1D, un método popular entre la comunidad de ingenieros 
• enfoque de modelado detallado con elementos 2D (copia exacta) 
• enfoque de modelado detallado con elementos 2D del sistema de pórtico similar (diseño comparable, pero no idéntico)  

Tabla con los resultados 

A partir de los resultados del AEF recibidos y de las mediciones reales de las frecuencias naturales (véase la tabla anterior), se revelaron varias conclusiones clave: 

1. El modelado preciso del sistema de pórtico es crucial para obtener resultados correctos de rigidez, como demuestra la discrepancia muy pequeña del 0,14% entre los resultados del AEF y las mediciones reales. 
2. El modelado del sistema de pórtico con elementos de viga simples puede dar lugar a frecuencias naturales sobreestimadas en más de un 32% en comparación con un enfoque de modelado de placa más detallado 
3. Incluso la modelización detallada basada en grúas o configuraciones similares resultó insuficiente, mostrando más de un 12% de discrepancia. 
4. Los resultados más precisos requieren un modelo detallado que se ajuste exactamente al sistema de pórtico utilizado.  

Esto refuerza la idea de que los elementos de viga tradicionales tienen dificultades para captar con precisión la influencia de la geometría del pórtico en la rigidez global.  

En esencia, este estudio de caso sirve como prueba fehaciente de la eficacia de nuestro enfoque de modelado detallado. Al centrarse en áreas críticas como diversas conexiones y, en particular, el sistema de pórtico, la rigidez y las frecuencias naturales de la grúa pueden predecirse con mucha más precisión, lo que garantiza un mejor diseño y seguridad.  

Comprender el talón de Aquiles: el sistema de pórtico 

Los elementos de viga proporcionan una comprensión básica de la rigidez del pórtico, pero pasan por alto aspectos importantes como la rigidez axial. 

Sobreestiman la rigidez al no tener en cuenta la flexión de los componentes individuales del pórtico. Además, estos modelos tienen dificultades para captar los efectos de torsión, lo que conduce a predicciones inexactas de la capacidad del pórtico para resistir fuerzas laterales.  

En esencia, el sistema de pórtico se comporta más como un entramado complejo que como una simple viga. Al incorporar modelos detallados de placas para el pórtico, podemos tener en cuenta la flexión y la torsión de los componentes individuales, proporcionando una representación mucho más precisa de sus características reales de rigidez. Esto nos permite predecir el comportamiento global de la grúa con mayor exactitud y evitar posibles problemas operativos en el futuro.  

Optimización del enfoque de modelado: Equilibrio entre precisión y eficacia 

Nuestro enfoque específico se centra en el modelado detallado del sistema crítico del pórtico, consiguiendo mejoras significativas en la precisión a la vez que se optimiza la eficiencia. Esto garantiza que las grúas cumplan las exigencias operativas, fomentando la seguridad, la eficiencia y un flujo de trabajo fluido.  

Aunque el modelado detallado con placas de toda la estructura proporcionaría el máximo nivel de precisión, es importante encontrar un equilibrio entre precisión y practicidad, limitándolo a menudo a las conexiones localmente importantes modeladas con placas. La buena noticia para los que no quieren modelar muchas zonas en detalle es que nuestro estudio de caso ha demostrado que se puede conseguir una mejora significativa con un enfoque limitado. He aquí cómo optimizamos el proceso de modelado:  

Centrarse en el sistema de pórtico: Como hemos visto, el sistema de pórtico es el principal culpable de las discrepancias en los modelos tradicionales de elementos de viga. Al dar prioridad a un modelo de placa detallado para el pórtico dentro del análisis de elementos finitos, podemos reducir significativamente el desajuste entre las frecuencias naturales predichas y medidas, haciéndolas casi idénticas. Este enfoque específico nos permite captar el complejo comportamiento del pórtico, incluidos los efectos de flexión y torsión, lo que conduce a una representación más realista de la rigidez global de la grúa.  

Conclusión

esta exploración ha puesto de relieve el papel crítico de una predicción precisa de la rigidez de las grúas para garantizar la seguridad operativa, la eficiencia y la longevidad. Los modelos tradicionales de AEF que utilizan elementos de viga, aunque son eficientes desde el punto de vista computacional, a menudo se quedan cortos debido a su incapacidad para captar las complejidades de las geometrías de las grúas del mundo real.

El enfoque de modelado híbrido de SDC Verifier salva esta distancia. Combinando estratégicamente elementos de viga para el modelado general de la estructura y modelos de placa detallados para áreas críticas como las conexiones soldadas, las conexiones atornilladas, las esquinas y el sistema de pórtico, conseguimos una representación significativamente más precisa del comportamiento de la grúa.

Las ventajas van más allá de la mera mejora de las predicciones de rigidez. El modelado detallado permite:

• Mejora de la evaluación de la vida a fatiga mediante el análisis de tensiones de las soldaduras.
• Identificación de concentraciones locales de tensión para el mantenimiento preventivo.
• Evaluación exhaustiva de la integridad estructural general.

Esto se traduce en:

• Diseño optimizado de la grúa con una distribución eficaz de la carga y concentraciones de tensión minimizadas.
• Mayor eficacia operativa gracias a un balanceo minimizado y una manipulación más suave de la carga.
• Confianza en el cumplimiento de las normas y reglamentos de seguridad.

El estudio de caso de Kalmar Países Bajos sirve como poderoso testimonio de la eficacia de nuestro enfoque. El modelado detallado del sistema de pórtico arrojó una predicción de la frecuencia natural con una discrepancia de apenas el 0,14% respecto a las mediciones reales, en comparación con una sobreestimación significativa utilizando elementos de viga.

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