manual de pro mechanic a wildfire
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Laboratorio de Simulación SIMON BOLIVAR - UNEFM -
CONTENIDO
Módulo 1. Introducción a Pro/MECHANICA Wildfire 4.0.
Módulo 2. Análisis Estructural a Elementos de Sujeción.
Módulo 3. Análisis Estructurales por Medio de Graficas.
Módulo 4. Análisis a Estructuras.
Módulo 5. Optimización de Diseño Estructural.
Módulo 6. Análisis Térmico en Estado Estable.
Módulo 7. Análisis Térmico en Estado Transitorio.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este módulo aprenderá las funciones básicas de
Pro/MECHANICA Wildfire 4.0
Objetivos
Conocer los pasos para realizar un análisis en Pro/MECHANICA
Familiarizarse con la interface de Pro/MECHANICA Estructural y Térmico
Crear Nuevos materiales para la biblioteca de Pro/MECHANICA
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Introducción a Pro/MECHANICA
PRO/MECHANICA WILDFIRE 4.0
Pro/MECHANICA es la parte de Pro/Engineer que nos permite realizar simulaciones
estructurales y térmicas avanzadas a todo tipo de geometría incluyendo sólidos,
corazas, vigas, o modelos mixtos. También permite extraer la geometría de un
modelo sólido, simplificando el proceso para modelos delgados como modelos de
láminas de metal.
La simulación estructural y térmica avanzada de Pro/Engineer contiene una librería
robusta de herramientas que permiten construir modelos de simulación rápidos, los
cuales incluyen:
• Análisis de deformación no lineal grande.
• Análisis estático de tensión previa, incluido los efectos de rigidización de tensión.
• Análisis modal de tensión previa, incluido los efectos de flexión a la rotación.
• Análisis térmico transitorio.
• Análisis dinámicos de: o Respuesta temporal o Respuesta frecuencial o Respuesta
aleatoria o Choque.
Pro/MECHANICA Estructural
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Pro/MECHANICA
Estructural Termico Movimiento
Permite realizar análisis estructurales a una pieza o conjunto, ya sean estáticos,
modales, dinámicos, de fatiga
Pro/MECHANICA Térmico
Permite realizar el estudio de la transferencia de calor a estructuras y piezas, ya sean
en estado Estacionario o Transitorio.
Transferencia de calor en estado estable
El sistema se caracteriza por condiciones de estado estable si la temperatura
en cada punto es dependiente del tiempo.
Transferencia de calor en estado transitorio
En general, la temperatura de un cuerpo varía con el tiempo así como con la
posición.
Además de los estudios mencionados Pro/MECHANICA permite realizar estudios
de Sensibilidad y Optimización de la pieza
Para realizar los análisis, se deben tener los datos de:
Estructurales Térmicos
Material Material
Cargas Temperaturas
Restricciones de movimiento Coeficiente de transferencia de calor
(h)
Comandos utilizados en Pro/MECHANICA Wildfire 4.0
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Carga de Fuerza - Momento
Estructura Control
Carga de Presión ResorteRegión de Superficie
Masa Región de Volumen
Carga por gravedad Interface Esbozo
Carga Centrifuga Soldadura Plano
Carga Global de Temperatura
Conexión Rígida Eje
Restricción de Desplazamiento
Conexión con Peso Curva
Restricción de Simetría
Material Esbozo
CarcasaAsignación del
MaterialSistema de
Coordenadas
Par de CarcasaSimulación de
MedidaCarga de Calor
Temperatura PrescritaCondición de Convección
Simetría Térmica
Visualización de Simulación
ResultadosAnálisis y Estudios
de Mechanica
Crear Mallado
PROCESO PARA REALIZAR ANALISIS SIMPLE EN PRO/MECANICA
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
1. Abrir la pieza que se va a analizar.
2. Iniciar Pro/E MECHANICA.
Abrir el menú Aplicaciones > MECHANICA. Dejar las
unidades por defecto. Luego aparece la ventana de
MECHANICA, en la cual se elige el tipo de análisis que se
desea (Estructural o térmico).
3. Asignar el Material
Hacer click en el icono Materiales y aparecerá la ventana de materiales
Se elige el material que se desee y se agrega en la siguiente columna haciendo
click en . Se pueden seleccionar varios materiales ya que esta ventana es
para preseleccionar dichos materiales y ver sus propiedades. Cabe destacar que
Pro/MECHANICA ofrece la oportunidad de crear nuevos materiales.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Haciendo click en el icono se definen las propiedades estructurales y térmicas
del material, en esta ventana se encontraran datos de la densidad, conductividad
térmica, se selecciona el criterio de falla, coeficiente de expansión térmica.
Luego se hace click en Asignación de Materiales para asignar el material
final de la pieza
4. Agregar las restricciones del material (Solo para Estructural)
Las restricciones se definen para que la pieza no se mueva, o solo se pueda mover
en una dirección determinada, al aplicársele la carga. Solo al definir las
restricciones del modelo, se puede observar el efecto de las fuerzas. Las
restricciones pueden ser para evitar movimiento de traslación y de rotación, cada
una con sus tres componentes correspondientes a los ejes X, Y y Z.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Para activar la caja de diálogos de las restricciones, se hace click en Restricciones
.
5. Aplicación de la carga de trabajo
Para especificar la carga (s) aplicada (s), se hace click en Carga de Fuerza -
Momento . En la caja de dialogo se presenta la opción de colocar la fuerza en
cualquiera de los ejes (X, Y y Z) y también como se observa en la figura que se
pueden definir cargas de momento.
Restricciones del Material Aplicación de las Cargas
Nota: Los puntos 4 y 5, solo se aplican para análisis Estructurales.
6. Condición de convección (Solo para análisis Térmicos)
Acá se define el coeficiente de transferencia de calor (h) y la temperatura del
sistema.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Al hacer click en Condición de Convección se despliega la siguiente ventana:
7. Crear el mallado de la pieza
En general, la malla requerida para en análisis es generada automáticamente por
Pro/E System, pero esta puede ser modificada por el usuario. Esto se puede
realizar de dos formas:
Especificando el tamaño del mallado
Haciendo click en Control , para desplegar el menú de AutoGEM
Control, en esta se especifican las dimensiones del elemento.
Luego se hace click en Crear Mallado , para crear el mallado.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Especificando el ángulo del mallado desplegando el menú
AutoGEM > Configuraciones…> Limits
HASTA ESTE PUNTO LAS ACCIONES 3, 4, 5, 6 y 7 SE PUEDEN REALIZAR
SIN NINGUN ORDEN ESPECÍFICO
8. Definir el análisis
Acá se especifica el tipo de análisis
Estructurales (estáticos, modales, dinámicos, de fatiga)
Térmico (transitorio o Estacionario)
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Luego se corre el análisis
Después Aparecerá la ventana para seleccionar los resultados que se desean
observar.
EJERCICIOS PRACTICOS
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Ejercicio 1 y 2, se realizaran para que el estudiante se familiarice con la interface de
Pro/MECHANICA Estructural y Térmico
Ducto.prt
Ejercicio 3, se creara un material.
EJERCICIO 1. Pro/MECHANICA ESTRUCTURAL
Actividad 1. Abrir el class file
1. Haga click en Fichero > Abrir o
2. Seleccionar ducto.prt. Haga click en Abrir.
3. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
1. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Structure >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
1. Haga click en Materiales
2. Seleccionar fe20.mtl > Aceptar.
3. Haga click en Asignación del Material > Ok.
Actividad 4. Aplicar las restricciones de Movimiento
1. Haga click en Restricciones y permite la traslación y rotación en el eje X, esto
se logra seleccionando el punto que se encuentra al lado de X, tanto de
traslación como de rotación.
2. Seleccionar cualquier superficie externa de la figura > Ok
Actividad 5. Aplicar las Cargas
1. Haga click en Carga de Fuerza - Momento y en la sección Force en la
componente Y introduzca el valor [-100].
2. Seleccionar la superficie externa opuesta al lado en el cual están las restricciones
de movimiento > Ok.
3. Cerrar la ventana y borrar de la memoria.
EJERCICIO 2. Pro/MECHANICA TERMICO
Actividad 1. Abrir el class file
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
1. Haga click en Fichero > Abrir o
2. Seleccionar ducto.prt. Haga click en Abrir.
3. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
1. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Thermal >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
1. Haga click en Materiales .
2. Seleccionar fe20.mtl > Aceptar.
3. Haga click en Asignación del Material > Ok.
Actividad 4. Aplicar las condiciones de convección
1. Haga click en Condición de Convección .
2. En la sección de Convection Coefficient (h) introduzca el valor [20].
3. En Bulk Temperature introduzca el valor [500].
4. Seleccione todas las superficies externas de la pieza > Ok.
5. Cerrar la ventana y borrar de la memoria.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
EJERCICIO 3. CREAR UN MATERIAL
Actividad 1. Abrir el class file
1. Haga click en Fichero > Abrir o
2. Seleccionar ducto.prt. Haga click en Abrir.
3. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
1. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Structure >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
1. Haga click en Materiales
2. Haga click en Nuevo .
3. En la pestaña Estructural y llenar las casillas:
a. Nombre: Ceramic
b. Densidad = 4520 kg / m3
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
c. Modulo de Young = 400000 MPa
4. En la pestaña Térmico y llenar las casillas:
a. Calor especifico = 1.624*109 mm2 / sec2* ˚C
b. Conductividad Térmica = 10781 N / sec * ˚C
5. Haga click en Guardar en la Biblioteca > Aceptar.
6. Haga click en Cancelar > Si.
7. Cerrar la ventana y Borrar desde la Memoria.
Ejercicio Propuesto
Crear una material Llamado Fibra de Vidrio, que poseer las siguientes
características:
a. Nombre: Fdv (Fibra de Vidrio)
b. Densidad = 4 lbm / in3
c. Calor especifico = 0.23 in2 / sec2 * °F
d. Conductividad Térmica = 0.25 in * lbm / sec3 * °F
Guardarlo en la Biblioteca
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá a analizar problemas Estructurales
utilizando las herramientas que ofrece Pro/MECHANICA
Structural Wildfire 4.0
Objetivos
Determinar el esfuerzo al cual esta sometido un elemento de sujeción al
momento de aplicarle una carga.
Crear una región de superficie especifica en la pieza que se va a analizar.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Análisis Estructural a Elementos de Sujeción
FUNDAMENTOS TEORICOS
Ejercicio, analizar un elemento de sujeción el cual está sometido a una carga determinar cual es el esfuerzo que tiene que soportar el elemento.
La geometría de los elementos es:
L = 2.21 in h = ½ in w = ½ in
En el caso de la cuna trapezoidal, h = ½ in , h’= ¼ in
La fuerza aplicada es 21000 lbm / in*sec2
Material Acero AISI 1020, limite elástico (Sy) = 57000 lbm / in*sec2
Sujecion_1.prt
Actividad 1. Abrir el class file
4. Haga click en Fichero > Abrir o 5. Seleccionar Sujecion_1. Haga click en Abrir.6. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
3. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.4. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Estructural >
Aceptar.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 3. Seleccionar el material
8. Haga click en Materiales
9. Seleccionar Fe20 .10. Haga click en > criterio de rotura > Energia de Distorsion (Von Misses) >
Limite elástico [57000] >Aceptar > Aceptar.
11. Haga click en Asignacion del Material > Ok.
Actividad 3. Región de Superficie
1. Haga click en > Listo seleccionar la superficie que se muestra en la figura > Por defecto.
2. Crear la región que se muestra en la figura
3. Haga click en > seleccionar la superficie seleccionada previamente > Listo > Aceptar.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
4. Repetir los pasos anteriores con cada una de las caras restantes de la pieza, menos la superior y la base.
Actividad 4. Definir las restricciones
1. Haga clic en mantener las opciones por defecto y seleccionar todas la regiones de superficie creadas mas la base de la pieza > Ok.
Actividad 5. Aplicar la carga
1. Colocar la vista por defecto de la pieza.
2. Haga click en Carga de Fuerza - Momento , en la sección de Force y colocar [-21000], seleccionar la sección mostrada en la figura > Ok.
Actividad 6. Cambiar el ángulo del mallado
1. Haga click en AutoGEM> Configuraciones…> Limits.
2. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor [20] > Ok.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 6. Crear y definir el análisis Estructural
1. Haga click en Análisis > Análisis/Estudios de Mechanica…
2. Haga click en File > New Static…
3. En la sección Name escribir Sujecion. Dejar el resto de las opciones por defecto>Ok.
4. Haga click en Correr el Analisis .
5. En la siguiente ventana seleccionar Si.
6. Hacer click en Mostrar Status del Estudio para observar los cálculos.
Actividad 7. Revisar los resultados
1. Cerrar la ventana Diagnostics Analysis y Run status.
2. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Resultados
3. La ventana Result Window Definition seleccione la pestaña Disply options >
Activa la sección Deformed > Ok and Show.
4. Haga click en Resultados , seleccionar Sujeción > abrir.
5. En Diplay tipe > Graph, en Graph ordinate (vertical) axis > Stress.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
6. Haga click en , y seleccione la región que se muestra en la figura > Aceptar >
Ok> Ok and Show.
Esfuerzo vs Longitud
7. Cual es el esfuerzo máximo de la pieza
____________________________________________________________________
8. Cerrar todas las ventanas sin guardar los cambios y borrar de la memoria.
Ejercicio Propuesto
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Realizar el ejercicio anterior pero con la pieza Sujecion_2.prt. Las dimensiones
de esta son:
L = 2.21 in w = ½ in h = ½ in h’= ¼ in
Sujecion_2.prt
Cual es el esfuerzo máximo al cual esta sometido la pieza
________________________________________________________________
En base a los resultados, cual elemento de sujeción seleccionarías
_____________________________________________________________
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá las funciones básicas de
Pro/MECHANICA Wildfire 4.0
Objetivos
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Análisis Estructurales por Medio de Graficas
Estudio de análisis estructural por medio de la opción Results de
Pro/MECHANICA
El análisis estructural es una herramienta multidisciplinaria de ingeniería asistida por
computadora, que analiza el comportamiento físico de un modelo para un mejor
entendimiento y mejoramiento del desempeño mecánico de un diseño. Puede ser
usada para calcular directamente esfuerzo, deflexión, además de predecir el
comportamiento del diseño en el mundo real.
La opción de análisis estructural de Pro/MECHANICA permite la habilidad de
estudiar el comportamiento del diseño por medio de herramientas visuales como
graficas esfuerzo-deformación y esfuerzo en un área especifica del modelo, que
permiten al usuario determinar con mayor precisión cuales son lo puntos mal
vulnerables del diseño y, si es el caso, dar las premisas par un estudio de optimización
adecuado.
Ejercicio 1. Análisis estructural de una pieza de hierro tipo 60 sujeta cargas y
momentos.
Se le aplicara el análisis estructural a una pieza de hierro 60 el cual tiene un limite
elástico de 10 MPa, y que estará restringida de todo tipo movimiento en uno de sus
bordes, estará sujeta a una fuerza en el eje Y de -100 lbs y un momento 10lbs·in en el
eje Z. Este análisis se interpretara por medio de la ayuda de elementos visuales
integrados en el Pro/MECHANICA, que aportaran un estudio en distintos puntos de
la pieza para determinar como Interactúan al momento de aplicar las cargas y
observar los puntos críticos existentes en el modelo.
Actividad 1. Abrir el class file
7. Haga click en Fichero > Abrir o
8. Seleccionar bracket.prt. Haga click en Abrir.
9. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
5. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
6. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar structure >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
7. Haga click en Materials
8. Seleccionar fe60.mtl (hierro) .
9. Haga click derecho en el material seleccionado en la casilla da materiales y
seleccione propiedades.
10. En la ventana de propiedades elegir como criterio de rotura la Teoria de Energia
de Distorsión (von mises) y dar un limite elástico de 10 MPa y acepte.
11. En la ventana de materiales haga click en aceptar.
12. Haga click en Material Assignment
13. asegurarse de que en la pestaña de materiales de la ventana de asignación de
materiales este seleccionado fe60 y hacer click en Ok.
Actividad 4. Definir las restricciones.
1. Seleccione el ícono .
2. Asegurarse que en la casilla de referencias de la ventana de restriciones este
seleccionado edges/curves(bordes/curvas) y seleccione el borde posterior derecho
de la piesa como lo mnuestra la figura 1.1.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Figura 1.1
3. Dejar las restricciones de traslacion y rotacio en fixed para que la pieza no tenga
ningun tipo de movimiento En el borde.
4. haga click en aceptar.
Actividad 5. Definir las cargas del sistema.
1. Seleccione el ícono .
2. Asegurarse de que en la casilla de referencias este seleccionado la opcion
edges/curves y tomar borde que muestra la figura 1.2.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Figura1.2
3. Darle valor a la fuerza en la direccion en Y de -100lbs y un momento de -20
lbs/sec2 en el eje z en la ventana de cargas/momentos y dejar las otras fuerzas y
momentos en 0. aceptar.
Actividad 6. Cambiar el ángulo del mallado
3. Haga click en AutoGem > Configuraciones…> Limits.
4. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor 20 y acepte.
Actividad 7. Realizar el Análisis de Elementos Finitos.
1. A continuación se le hará el análisis estático a la estructura, seleccionando en el
ícono perteneciente a la parte de análisis y estudio de Mechanica.
2. De la ventana de Analisis seleccione File > New Static.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
3. En la ventana de definicion de analisis estatico, nombrar al analisis como
Bracket_ Static, asegurarse de que LoadSet1 y ConstrainSet1 esten
seleccionados y que el metodo sea Multi-Pass Adaptive. Seleccione el boton
OK.
4. Haga click en Star Run en la ventana de analisis y estudio d Mechanica.
5. En la siguiente ventana seleccionar Si.
6. Hacer click en Display Study Status para observar los cálculos.
Actividad 8. Revisar los resultados.
9. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar .
10. Hacer click en el ícono bajo Design Study y seleccionar el analisis que se hizo en
el ejercicio anterior. Colocar el display type en Fringe, Quantity en Stress, el
component en Von Mises. Seleccione OK and Show. A continuacion se muestra
la figua 1.3
Figura 1.3
Nota: observe los puntos críticos de la pieza donde se concentran los esfuerzos
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
11. Seleccionar .
12. Seleccionar el analisis Bracket_static y presione abrir
13. Elija graph como display type, en la seccion de Graph Ordinate elegir Stress, en
component von Mises. En la casilla de Graph Abscissa dejar Curv Arc Length
para la opcion de Relative to. Hacer click en el ícono en la casilla Graph
Location y seleccione el borde donde se aplico la carga y el momento, haga click
en aceptar en la ventana de confirmacion y haga click en OK nuevamente. Para
finalizar haga click en OK and Show para visualizar la grafica.
14. Seleccionar .
15. Seleccionar el analisi Bracket_static y presione abrir
16. Elija graph como display type, en la seccion de Graph Ordinate elegir Stress, en
component von Mises. En la casilla de Graph Abscissa dejar Curv Arc Length
para la opcion de Relative to. Hacer click en el ícono en la casilla Graph
Location y seleccione el borde redondeado de la parte derecha del modelo como
se observa en la figura 1.4, haga click en aceptar en la ventana de confirmacion y
haga click en OK nuevamente. Para finalizar haga click en OK and Show para
visualizar la grafica.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Figura 1.4
17. Seleccionar .
18. Seleccionar el analisi Bracket_static y presione abrir
19. Elija graph como display type, en la seccion de Graph Ordinate elegir Stress, en
component von Mises. En la casilla de Graph Abscissa dejar Curv Arc Length
para la opcion de Relative to. Hacer click en el ícono en la casilla Graph
Location y seleccione el borde donde se aplico la restriccion, haga click en
aceptar en la ventana de confirmacion y haga click en OK nuevamente. Para
finalizar haga click en OK and Show para visualizar la grafica.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Figura 1.5 y Figura 1.6
Figura 1.7
Nota: en sentido horario la primera grafica indica el esfuerzo que sufre la pieza a lo
largo del borde de donde se ejercen las carga y el momento, la segunda grafica indica
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
el esfuerzo que sufre el borde redondeado y la tercera el esfuerzo que sufre el borde al
que se le aplico la restricción. A partir de los datos que arrojan las graficas se puede
decir que de los tres puntos que se evaluaron el mas critico de todos es el borde que
tiene las restricciones ya que esta sometido a esfuerzos de hasta 3600 (lbm/in sec2)
Ejercicio Propuesto.
Abrir la pieza Bracket.prt
Realizar los pasos del ejercicio práctico, con la diferencia de que solo se aplicara
una carga de -300 lbs en el borde superior y un restricción de movimiento en
toda superficie de la base como lo muestra la figura 1.8.
Figura 1.8
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá las funciones básicas de
Pro/MECHANICA Wildfire 4.0
Objetivos
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Análisis a Estructuras
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá las funciones básicas de
Pro/MECHANICA Wildfire 4.0
Objetivos
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Optimizacion de Diseño Estructural
Optimización de Diseño
El análisis estructural utilizando FEA (Análisis de Elementos Finitos) provee los
medios para evaluar fatiga y esfuerzos que se producen en el modelo, dado las
condiciones de trabajo y el material que lo compone.
Utilizando estas herramientas de análisis y otras integradas en Pro/ENGINEER, se
puede cuantificar el objetivo de diseño de un modelo, este objetivo normalmente esta
directamente relacionado a un número de dimensiones de diseño. Al cambiar los
valores de las dimensiones, o de las variables de diseño, el objetivo de diseño va
cambiar acorde a estos. La herramienta de optimización de diseño busca
automáticamente los mejores valores para las variables de diseño dado los objetivos
de diseño previamente definidos por el usuario.
La herramienta de optimización de diseño de Pro/ENGINEER ajusta
automáticamente uno o más parámetros de diseño en una serie de iteraciones de
análisis del modelo para llegar lo más cerca posible al objetivo satisfaciendo los
límites y restricciones que define el usuario.
Ejercicio 1. Optimización del diseño de un eje y rueda de acero sujeta a una
carga uniforme.
En este ejemplo, para simplificar la solución del problema se asume que el eje y la
rueda son todo un cuerpo de acero, y como objetivo de diseño se quiere minimizar la
masa total del sistema tomando como variable de diseño el ancho de cara de la rueda.
Otros parámetros son:
El material del modelo es acero.
El sistema no puede soportar un esfuerzo de Von Mises mayor a 7x108
(lbm/s2in2).
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
La carga de trabajo aplicada alrededor de la cara del la rueda es de F= [0; 1x10 7;
0] (lb).
La optimización del diseño se obtendrá en el momento que se tenga el valor
optimo del ancho de cara que permita al modelo tener un mínimo de masa.
Actividad 1. Abrir el class file
10. Haga click en Fichero > Abrir o
11. Seleccionar gear_shaft.prt. Haga click en Abrir.
12. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia.
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
14. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
15. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar structure >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
16. Haga click en Materials
17. Seleccionar steal.mtl (acero) .
18. Haga click derecho en el material seleccionado en la casilla de materiales y
seleccione propiedades.
19. En la ventana de propiedades elegir como criterio de rotura la Teoria de Energia
de Distorsión (von mises) y dar un limite elástico de 20 MPa y acepte.
20. En la ventana de materiales haga click en aceptar.
21. Haga click en Material Assignment
22. asegurarse de que en la pestaña de materiales de la ventana de asignación de
materiales este seleccionado STEEL y hacer click en Ok.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 4. Definir las restricciones.
5. Seleccione el ícono .
6. Asegurarse que en la casilla de referencias de la ventana de restriciones este
seleccionado surfaces(superficies) y seleccione manteniendo presionado el boton
de control el principio y el fin del eje del sistema.
7. dejar las restricciones de traslacion en la opcion de fixed y las de rotacion igual a
ecpcion del eje X en donde se colocara en free.
8. haga click en aceptar.
Actividad 5. Definir las cargas del sistema.
4. Seleccione el ícono .
5. Asegurarse de que en la casilla de referencias este seleccionado la opcion surfaces
y tomar el frente de cara de la rueda como referencia.
6. Darle valor a la fuerza en la direccion en Y de -10,000 lbs en la ventana de
cargas/momentos y dejar las otras fuerzas y momentos en 0 y aceptar.
Actividad 6. Cambiar el ángulo del mallado
5. Haga click en AutoGem > Configuraciones…> Limits.
6. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor 20 y acepte.
Actividad 7. Realizar el Análisis de Elementos Finitos.
7. A continuación se le hará el análisis estático a la estructura, seleccionando en el
ícono perteneciente a la parte de análisis y estudio de Mechanica.
8. De la ventana de Analisis seleccione File > New Static.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
9. En la ventana de definicion de analisis estatico, nombrar al analisis como gear_
Static, asegurarse de que LoadSet1 y ConstrainSet1 esten seleccionados y que
el metodo sea Multi-Pass Adaptive. Seleccione el boton OK.
10. Haga click en Star Run en la ventana de analisis y estudio d Mechanica.
11. En la siguiente ventana seleccionar Si.
12. Hacer click en Display Study Status para observar los cálculos.
Actividad 8. Realizar el Análisis de sensibilidad Global.
1. De la ventana de Analisis seleccione File > New SensitivityDesign Study…
2. en la ventana consiguiente en la casilla de analisis seleccionar gear_Static .
3. Nombrar el estudio como Gear_Global.
4. Asegurarse que en la casilla de tipo de estudio este seleccionado Global
Sensitivity.
5. Hacer click en el ícono de selección de dimensiones del modelo .
Seleccionar el frente de la cara de la rueda para que aparezca la cota respectiva y
hacer click en esta.
6. en la casilla de variable de la ventana del estudio de sensibilidad colocar 0.5 en la
casilla de start.como se muestra en la figura
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
7. Haga click en aceptar.
8. En la ventana de analisis seleccionar Gear_Global y hacer click en .
9. En la siguiente ventana seleccionar Si.
10. Hacer click en Display Study Status para observar los cálculos.
Actividad 9. Revisar los resultados.
20. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar .
21. en la nueva ventana seleccionar graph como display type, en la seccion de Graph
Ordinate hacer click en el ícono de selección de measure y en la nueva ventana
hacer click en la opcion total_mass (masa total), hacer click en OK.
22. en la ventana de definicion de resultado hacer click en OK and Show.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
23. seleccionar el ícono .
24. seleccionar el analisis Gear_Global y haga click en abrir.
25. en la nueva ventana seleccionar graph como display type, en la seccion de Graph
Ordinate hacer click en el ícono de selección de measure y en la nueva ventana
hacer click en la opcion max_stress_vm (esfuerzo maximo de Von Mises), hacer
click en OK.
26. en la ventana de definicion de resultado hacer click en OK and Show.
La grafica de la izquierda indica que la masa total del componente es proporcional al
ancho de frente de la rueda, mientas que la grafica de la derecha indica que el valor
mas alto de esfuerzo se encuentra en 3.5 in del frente de la rueda. A partir de esto se
puede decir que para reducir la masa total del sistema se puede reducir el ancho de
cara de la rueda sin variar en mucho el esfuerzo de von mises.
Actividad 10. Estudio de Optimización.
1. De la ventana de Analisis seleccione File > New optimization Design Study…
2. Nombre el estudio cmo Gear_Optimization.
3. Asegúrese de que en la pestaña Type este seleccionada la opción Optimization.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
4. En la casilla de objetivo (Goal) seleccionar en la pestaña minimize y dejar
tota_mass como objetivo.
5. En la casilla de design limits seleccionar el ícono (measure), y en la ventana
de measure list seleccionar max_stress_vm y aceptar, colocar el valor de 7x108
(lbm/s2in2).
6. En la casilla de varibles seleccionar el ícono (Select Dimension) y tomar el
ancho de cara de la rueda, seleccionar la cota de esta. Colocar el valor Minimum
como 0.5 y Maximum como 4. haga click en OK.
7. en la ventana de estudios de analisis y diseños hacer Click en Info>Check>
Model para asegurse de que no ocurre singan problema con el modelo. Si no lo
hay hacer clin en para empezar con la optimizacion del proceso.
8. Hacer click en Display Study Status para observar los cálculos.
Actividad 11. Análisis del Estudio de Optimización.
1. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar (asegurarse de haber
seleccionado con anterioridad el estudio de optimizacion).
2. En la nueva ventana seleccionar Fringe como display type, en la pestaña de
Quantity seleccionar Stress y en la casilla de Component seleccionar von
Misses.
3. Hacer click en OK and Show.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
En la grafica se puede observar la forma en que el programa optimiza el modelo por
medio de la reducción de ancho de cara de la rueda, dando como resultado la
disminución de la masa total del modelo.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Ejercicio Propuesto. Optimización del diseño de un eje y rueda de acero sujeta a
una carga uniforme.
Practicar el ejercicio 1 con:
Material del modelo: Fe60.
El sistema no puede soportar un esfuerzo de Von Mises mayor a 6x108
(lbm/s2in2).
La carga de trabajo aplicada alrededor de la cara del la rueda es de F= [2 x107;
1x107; 0] (lb).
La optimización del diseño se obtendrá en el momento que se tenga el valor
óptimo del ancho de eje que permita al modelo tener un mínimo de masa.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá a analizar problemas de
Transferencia de Calor en Estado Estacionario utilizando las
herramientas que ofrece Pro/MECHANICA Thermal Wildfire
4.0
Objetivos
Seleccionar materiales que ofrezcan mejor resistencia a la transferencia de
calor en base a los análisis realizados en Pro/MECHANICA
Comprobar que al agregarle superficies extendidas a una pieza esta
incrementa exponencialmente su flujo de calor.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Analisis Termico en Estado Estacionario
FUNDAMENTOS TEORICOS
Transferencia de calor en estado Estable
En el análisis de transferencia de calor con frecuencia se tiene interés es la razón de
esa transferencia de calor a través de un medio, en condiciones y temperaturas
superficiales estacionarias.
La transferencia de calor en estado estable y unidimensional se refiere al hecho de
que solo se necesita una coordenada para describir la variación espacial de las
variables dependientes. Así, en un sistema unidimensional existen gradientes de
temperatura a lo largo de una sola dirección coordenada y la transferencia de calor
ocurre exclusivamente en esa dirección.
Conducción
Es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia o
cuerpo hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de las interacciones
entre esas partículas.
Convección
La convección ocurre siempre que una superficie esta en contacto con un fluido que
tiene temperatura diferente a la de la superficie en cuestión.
Temperatura
Es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema
termodinámico.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Aislante térmico
Un aislante térmico es un material caracterizado por su alta resistencia térmica.
Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a
igualarse en temperatura.
El mejor aislante térmico es el vacío, pero debido a la gran dificultad para obtener y
mantener condiciones de vacío, éste se emplea en muy pocas ocasiones. En la
práctica se utiliza aire, que gracias a su baja conductividad térmica y un bajo
coeficiente de absorción de la radiación, constituye un elemento muy resistente al
paso de calor. Sin embargo, el fenómeno de convección que se origina en las cámaras
de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia térmica. Por esta razón
se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos, capaces de
inmovilizar el aire y confinarlo en el interior de celdillas más o menos estancas. Se
suelen utilizar como aislantes térmicos: lana de roca, fibra de vidrio, vidrio celular,
poliestireno expandido, poliestireno extruido, espuma de poliuretano, aglomerados de
corcho, etc.
Superficies extendidas (Aletas)
Se usan las aletas o superficies extendidas con el fin de incrementar la razón de
transferencia de calor de una superficie, esto se logra porque exponen un área mas
grande a la convección y a la radiación. Las aletas deben se de materiales
intensamente conductores como el aluminio.
En el análisis de las aletas, se considera operación estacionaria sin generación de
calor en la aleta y se supone que la conductividad térmica K del material permanece
constante. También por conveniencia en el análisis, se supone que el coeficiente de
transferencia de calor por convección, h, es constante y uniforme sobre toda la
superficie de la aleta. Se reconoce que, en general, ese coeficiente h varía a lo largo
de la aleta así como de su circunferencia y que su valor en un punto es una fuerte
función del movimiento del fluido en ese punto.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Usualmente se usa una superficie con aletas cuando el fluido convectivo participante
es un gas, ya que los coeficientes convectivos de transferencia de calor para un gas
son usualmente menores que los de un liquido. Las aletas pueden ser con secciones
transversales rectangulares, como tiras que se anexan a lo largo de un tubo, se les
llama aletas longitudinales; o bien discos anulares concéntricos alrededor de un tubo,
se les llama aletas circunferenciales. El espesor de las aletas puede ser uniforme o
variable.
EJERCICIOS PRACTICOS
Ejercicio 1, analizar un tubo de Acero por el cual fluye vapor de agua a 450 ˚F y h int
= 30 lbm / sec3 * ºF, se requiere que al tubo se le coloque una capa aislante de 1 in
espesor, para disminuir las perdidas de calor.
La geometría del tubo es: D1= 3.5 in, D2 = 4 in , L = 39.37 in
Para la capa aislante se presentan dos alternativas de materiales:
Epoxi (K= 9.04606 in*lbm / sec3*˚F)
Fibra de Vidrio (K = 0.02 in*lbm / sec3*˚F)
Las condiciones exteriores del tubo son:
hext = 1 lbm / sec3 * ˚F
Text = 55 ˚F
Se realizara un estudio del tubo con cada uno de los aislantes, y en badea los
resultados que arroje este se seleccionará el mas conveniente.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Pipeline.asm
Ejercicio 2, demostrar que al aumentar el área transversal de una tubería, por medio
de superficies extendidas (aletas), la transferencia de calor es mas alta.
Por medio del tubo de Aluminio 6061 fluye un fluido, a 120 ˚F, esta será también la
temperatura de la base de las aletas, el ambiente donde se encuentra el tubo presenta
las siguientes condiciones:
h = 60 lbm / sec3 * ˚F
T = 25 ˚F
La geometría del tubo sin aletas es:
D1 = 2 in, D2 = 3 in, L =18 in
La de las aletas:
Daleta = 6 in, Espesor = 2 in
Fin2.prt
Nota: Las graficas de los resultados obtenidos serán:
Temp vs. Circunferencia (2πD)
Gradiente de Tepm vs. Circunferencia (2πD)
Flujo de calor vs. Circunferencia (2πD)
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
EJERCICIO 1. ANALIZAR UNA TUBERIA DE ACERO QUE POSEE UNA
CAPA AISLANTE, CON DOS MATERIALES AISLANTES DIFERENTES
(EPOXI Y FIBRA DE VIDRIO)
Actividad 1. Abrir el class file
13. Haga click en Fichero > Abrir o
14. Seleccionar Pipeline.asm. Haga click en Abrir.
15. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
23. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
24. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Thermal >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
12. Haga click en Materiales
13. Seleccionar steel.mtl (acero) , epoxi.mtl .
14. Haga click en Directorio de trabajo > fdv.mtl (fibra de vidrio) . Aceptar.
15. Haga click en Asignación del Material
16. Seleccionar Epoxi y la superficie exterior de la pieza. Ok.
17. Seleccionar Steel y la superficie interior de la pieza. Ok.
Actividad 4. Definir las Restricciones
1. Hacer click en Condicion de Convección
2. En la sección Name escribir Pipeline_out.
3. En la sección Convection Coefficient (h) colocar el valor [1].
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
4. En la sección Bulk Temperature(Tb) colocar el valor [55].
18. Seleccione la superficie exterior de la pieza. Ok.
19. Repita los pasos anteriores pero con Pipeline_in, los
valores: [30], [450] y seleccione la superficie interior de la
pieza, respectivamente.
Actividad 5. Cambiar el ángulo del mallado
7. Haga click en AutoGEM> Configuraciones…> Limits.
8. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor
[20] > Ok.
Actividad 6. Crear y definir el análisis Térmico
7. Haga click en Análisis > Análisis/Estudios de Mechanica…
8. Haga click en File > New Stady State Thermal…
9. En la sección Name escribir Pipeline_epoxi. Dejar el resto de las opciones por
defecto>Ok.
10. Haga click en Correr el Analisis .
11. En la siguiente ventana seleccionar Si.
12. Hacer click en Mostrar Status del Estudio para observar los cálculos.
Actividad 7. Revisar los resultados
27. En la ventana de resultados leer y anotar los siguientes valores:
Temp max
Temp min
Flujo de calor
28. Cerrar la ventana Diagnostics Analysis y Run status.
29. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Resultados
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
ACTIVIDAD 4 - 2
30. La ventana Result Window Definition dejar todas las opciones por defecto. Ok
and Show.
Actividad 7 - 4
31. Haga click en Resultados . Seleccionar Pipeline_epoxi > Abrir.
32. En Display Tipe Seleccione Graph. En Graph Ordinate (Vertical) Axis
Seleccionar Temperature. Luego haga click en para seleccionar la región
donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior,
como se muestra en la figura.
33. Haga click en Aceptar > Ok > Ok and Show.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 7 – 6
34. Repetir los pasos 6 y 7 pero con las otras opciones de Graph Ordinate (Vertical)
Axis (Temp Gradient y Flux).
Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Gradiente de Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Flujo de Calor Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
35. Cerrar la ventana sin guardar los cambios
Actividad 8. Cambiar el material del aislante
1. Cerrar la ventana Analyses and Designe Studies.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
2. En el Model Tree haga click derecho en Material asigne 1 > Borrar > Si
3. Hacer click en Aignacion del Material .
4. Seleccionar Fdv y la superficie exterior de la pieza > Ok.
5. Realizar nuevamente las actividades 6 y 7. El nombre del análisis será
Pipeline_Fdv.
Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Gradiente de Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Flujo de Calor Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
6. Cerrar la ventana sin guardar los cambios y borrar de la memoria.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Actividad 9. Comparar Resultados
En base a los resultados cual material aislante seleccionarías?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
EJERCICIO 2. ANALIZAR UNA TUBERIA DE ALUMINIO CON
SUPERFICIES EXTENDIDAS
Actividad 1. Abrir el class file
1. Haga click en Fichero > Abrir o
2. Seleccionar Fin2.ptr. Haga click en Abrir.
3. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
1. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Thermal >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
1. Haga click en Materiales
2. Seleccionar al6061.mtl . Aceptar.
3. Haga click en Asignación del Material > Ok.
Actividad 4. Definir las Restricciones
1. Haga click en Condición de Convección
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
2. En la sección Convection Coefficient (h) colocar el valor [60].
3. En la sección Bulk Temperature(Tb) colocar el valor [25].
4. Seleccione todas las superficies extendidas de la pieza > Ok.
5. Haga click en Temperatura Prescrita .
6. En la seccion colocar el valor [120].
7. Seleccione las superficie sin aletas exterior del tubo > Ok.
Actividad 5. Cambiar el ángulo del mallado
1. Haga click en AutoGEM > Configuraciones…> Limits.
2. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor [20].
Actividad 6. Crear y definir el análisis Térmico
1. Haga click en Análisis > Análisis/Estudios de Mechanica…
2. Haga click en File > New Stady State Thermal…
3. En la seccion Name escribir Tube_with_fin. Dejar el resto de las opciones por
defecto> Ok.
4. Haga click en Correr el Analisis
5. En la siguiente ventana seleccionar Si.
6. Hacer click en Mostrar Status del Estudio para observar los cálculos.
Actividad 7. Revisar los resultados
1. En la ventana de resultados leer y anotar los siguientes valores:
Temp max
Temp min
Flujo de calor
2. Cerrar la ventana Diagnostics Analysis y Run status.
3. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Resultados
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
4. En la ventana Result Window Definition dejar todas las opciones por defecto.
Ok and Show.
5. Seleccionar Resultados . Seleccionar Tube_with_fin > Abrir.
6. En Display Tipe Seleccione Graph. > Graph Ordinate (Vertical) Axis
Seleccionar Temperature. Luego haga click en para seleccionar la región
donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior
de la superficie extendida, como se muestra en la figura.
7. Haga click en Aceptar > Ok > Ok and Show.
8. Repetir los pasos 6 y 7 pero con la opcion Flux de Graph Ordinate (Vertical) Axis
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Flujo de Calor Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
9. Cerrar la ventana sin guardar los cambios y borrar de la memoria.
Actividad 8. Realizar el análisis de la tubería sin superficies extendidas
1. Haga click en Fichero > Cerrar ventana y Borrar de la memoria > No
mostrado > Aceptar.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
2. Haga click en Fichero > Abrir o
3. Seleccionar Tube2.ptr. Haga click en Abrir.
4. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia.
5. Repetir las Actividades 2 y 3.
Actividad 9. Definir las restricciones
1. Haga click en Condicion de Conveccion
2. En la sección Convection Coefficient (h) colocar el valor [60].
3. En la sección Bulk Temperature(Tb) colocar el valor [25].
4. Seleccione la superficie exterior de la pieza > Ok.
5. Haga click en Temperatura Prescrita
6. En la seccion colocar el valor [120].
7. Seleccione las superficie interior del tubo > Ok.
Actividad 10. Anlisis y Resultados.
1. Repetir los pasos de la actividad 6, pero en este caso el análisis se llamara
Tube_without_fin.
2. Repetir los pasos 1, 2,3 y 4 de la actividad 7.
3. Seleccionar Resultados . Seleccionar Tube_without_fin > Abrir.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
4. En Display Tipe Seleccione Graph. En Graph Ordinate (Vertical) Axis
Seleccionar Temperature. Luego haga click en para seleccionar la región
donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior
del tubo, como se muestra en la figura.
5. Haga click en Aceptar > Ok > Ok and Show.
6. Repetir los pasos 6 y 7 pero con la opcion Flux de Graph Ordinate (Vertical)
Axis.
Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Flujo de Calor Vs. Circunferencia del la curva seleccionada
7. Cerrar la ventana y borrar de la memoria
Actividad 11. Comparar Resultados
En base a los resultados, son beneficiosas las aletas para la transferencia de calor del
tubo?
____________________________________________________________________
____________________________________________________________________
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Ejercicios Propuestos
Ejercicio 1. Abrir la pieza pipe.asm
Atreves de un tubo de pared delgada fluye vapor, la pared del tubo se mantiene
a temperatura constante de 500 ˚F, el tubo esta cubierto con una capa aislante
compuesta de dos materiales diferentes:
Nylon (k = 11.8259 in*lbm / sec3*˚F)
PVC (k=6.95732 in*lbm / sec3*˚F)
Toda la superficie esta puesta al aire, para el cual: T = 300 ˚F y h = 20 lbm / sec3
* ˚F˚
La geometría de la tubería es:
D1 = 1 in, D2 = 2 in, L = 4 in
En base al análisis determinar cual de los dos materiales presenta un mejor
rendimiento
Temp. Max Temp. Min Flujo de calor
Nylon
PVC
Pipe.asm
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Ejercicio 2. Abrir la pieza Fin.prt
Por la tubería de superficies extendidas, fluye un fluido a 180 ˚F, la tubería es de
Aluminio 2014, la pieza presenta la siguiente geometría:
La geometría del tubo sin aletas es:
D1 = 4 in, D2 = 5 in, L =15 in
La de las aletas:
Daleta = 6 in, Espesor = 1 in
Las condiciones exteriores son
h = 40 lbm / sec3 * ˚F
Fin.prt
T = 25 ˚F
En base a los resultados del análisis especifique:
Temp. Max Temp. Min Flujo de calor
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Modulo
En este modulo aprenderá a analizar problemas de
Transferencia de Calor en Estado Transitorio utilizando las
herramientas que ofrece Pro/MECHANICA Thermal Wildfire
4.0
Objetivos
Realizar un análisis térmico tomando en cuenta la variación de la temperatura
con el tiempo.
Determinar si el material de la pieza analizada soportara las cargas térmicas a
las cuales será sometido.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Analisis Termico en Estado Transitorio
FUNDAMENTOS TEORICOS
Transferencia de calor en estado transitorio
En general, la temperatura de un cuerpo varía con el tiempo así como con la posición.
La mayoría de los problemas de transferencia de calor se presentan con la premisa
anterior, es decir, dependen del tiempo. Este tipo de problemas no estables o
transitorios, normalmente ocurren cuando se cambia la transmisión de frontera de un
sistema. Por ejemplo, si se altera la temperatura superficial de un sistema, la
temperatura en cada punto del sistema también comenzara a cambiar. Los cambios
continuaran ocurriendo hasta que se alcance una distribución de temperatura de
estado estable. Estos efectos que dependen del tiempo ocurren en muchos procesos
industriales de calentamiento y enfriamiento.
En los procesos de ingeniería que involucran enfriamiento y calentamiento, el periodo
de transición es de gran interés. El análisis debe ser modificado para tomar en cuenta
el cambio en la energía interna del cuerpo con respecto al tiempo. En
Pro/MECHANICA, este tipo de data es obtenida atreves de Análisis Térmico en
Estado Transitorio (Trasient Thermal Analysis).
Consideraciones para un Análisis Térmico en Estado Transitorio en
Pro/MECHANICA.
El modelo no puede poseer Restricciones de múltiples puntos
Esta disponible solo para modelos 3D con elementos isotrópicos
No se pueden analizar vigas.
Esta disponible solo para análisis Standard, no se pueden realizar análisis de
sensibilidad u optimización.
NOTA: La dependencia del tiempo es una función de multiplicación, por lo
tanto solo se pueden introducir cargas que tengan variación espacial como
producto de dos funciones. Por Ejemplo:
f(x,y,z) * f(time) [SI] f(x,y,z,time) [NO]
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Ejercicio
Se le realizara un Análisis térmico en estado transitorio a una versión simplificada de
un Nozzle prototipo de un cohete. Al momento de la ignición, el Nozzle deberá
soportar gases a 1648.8 ˚C. Los gases combinan y alcanzan su máxima temperatura
con el tiempo. La temperatura inicial del Nozzle en de -17.7 ˚C.
El trabajo de los ingenieros es determinar si el motor del cohete, el cual esta
encendido mucho antes del lanzamiento, sobrecalienta el Nozzle. El motor es
encendido 100 segundos antes del lanzamiento. En la superficie interna del Nozzle se
colocara un switch electrónico de advertencia, este alertara a la central de control si el
Nozzle alcanza temperaturas mayores a 1371 ˚C. En adición, también es necesario
asegurar que los gradientes de temperatura del Nozzle no sean muy grandes durante
el encendido inicial. Estas no pueden tener una diferencia mayor a 400 ˚C entre las
superficies internas y externas del Nozzle. Finalmente, se desea tener información de
la temperatura durante la cuenta regresiva (o segundos), a la mitad de la ignición (50
segundos) y justo antes del despegue.
Se usara Pro/Mechanica para determinar:
Cuanto tiempo después del encendido le tomara al la superficie revestida
alcanzar 1375 ˚C
Si hay algún gradiente de temperatura considerable durante la ignición que
cause que la parte falle
Cual es el comportamiento de la temperatura en cuatro espacios de tiempo
diferentes.
Nozzle.prt
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
EJERCICIO 1. ANALIZAR LA VARIACION DE LA TEMPERATURA CON
RESPECTO AL TIEMPO DEL NOZZLE DE UN COHETE.
Actividad 1. Abrir el class file
16. Haga click en Fichero > Abrir o
17. Seleccionar Nozzle.part Haga click en Abrir.
18. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia
Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA
25. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.
26. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Thermal >
Aceptar.
Actividad 3. Seleccionar el material
20. Haga click en Materiales
21. Haga click en Directorio de trabajo > Ceramic.mtl > Si > Aceptar.
22. Haga click en Asignacion del Material > Ok.
Actividad 4. Definir las Restricciones
5. Hacer click en Condición de Convección
6. En la sección Name escribir Flame.
7. En la sección Convection Coefficient (h) colocar el valor [4000000].
8. En la sección Bulk Temperatur (Tb) colocar el valor [1].
23. Seleccione la opción Time Dependent > f(x) > Definiton > Table.
24. Haga click en Add Row. En Start at introduce [1] y en Num Rows [11] > Ok.
Introduce los siguientes valores:
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
0 -17.7
10 271.6
20 552.2
30 815.5
40 1053.5
50 1258.9
60 1425.6
70 1548.3
80 1623.5
90 1648.8
100 1648.8
NOTA: Verifica que las opciones de la grafica sean Linear – Linear
25. Click Review > Graph. La grafica debe quedar:
26. Cerrar la ventana > Done > Ok.
27. Selecciona la parte interna de la pieza > Ok.
Actividad 5. Crear y definir el análisis Térmico
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
13. Haga click en Análisis > Análisis/Estudios de Mechanica…
14. Haga click en File > New Transient Thermal…
15. En la seccion Name escribir Nozzle_transient.
16. En la pestaña de Temperatura colocar [-17.7] como temperatura inicial.
17. En la pestaña Output
Desactiva Auto para el rango de tiempo. Colocar el valor [120] en
Maximum.
En Output Intervals > User – defined Output Intervals, en Number of
Master Intervals coloca [3]. Luego haga click en User – Defined Steps.
Para el intervalo 0 [0 segundos], para el intervalo 1 [50 segundos], para el
intervalo 2 [100 segundos], para el intervalo 3 [120 segundos]. Activa todas
las casillas de Full Results.> Ok.
18. Haga click en Correr el Analisis
19. En la siguiente ventana seleccionar Si.
20. Hacer click en Mostrar Status del Estudio para observar los cálculos.
21. Cerrar las ventanas de Diagnostics y Run Status.
Actividad 7. Revisar los resultados
36. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Analisis
37. La ventana Result Window Definition haga click en Display type > Graph >
Graph Ordinate (Vetical) Axis > Measure >
38. En la ventana Measure seleccione Max_dyn_temp > Ok > Ok and Show.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Temperatura Maxima Vs. Tiempo
39. Usando la tabla anterior, determina a que temperatura el Nozzle alcanza la
temperatura de 1371 C: ________. Es antes de la elevación (100 segundos)?
_________________.
40. Repita el paso 3 pero seleccione Max_dyn_flux_mag
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Maximo Flujo de Calor Vs. Tiempo
41. Cual es el máximo flujo de calor?
____________________________________________________________________
42. Cierre los resultados anteriores y abra nuevamente la ventana Result Window
Definition y abre las graficas de gradientes de temperatura para cada uno de los 4
tiempos que se muestran. En cualquier punto de la superficie.
43. Alguno de los gradientes de temperatura exceden los 400 ˚C?
__________________. Existe alguna razón para preocuparse de que el
revestimiento falle?________________________________
44. Cerrar la ventana sin guardar los cambios.
45. Cerrar la ventana y Borrar de la Memoria
Ejercicio Propuesto.
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
Abrir la pieza Nozzle2.prt
Realizar los pasos del ejercicio práctico (Con los mismos datos y material), y
determinar si la variación de la geometría del Nozzle influye sobre los
resultados.
1. El Nozzle alcanza la temperatura de 1371 C: ________. Es antes de la
elevación (100 segundos)? _________________.
2. Cual es el máximo flujo de calor?
____________________________________________________________________
3. Alguno de los gradientes de temperatura exceden los 400 ˚C?
__________________. Existe alguna razón para preocuparse de que el
revestimiento falle?________________________________
Nozzle_2.prt
Pro / MECHANICA Wildfire 4.0
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