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Breve introducción
Tras el exitoso artículo que escribimos el otro día Ingeniería del chasis de un ascensor donde se describe cómo se debe diseñar un ascensor desde cero, o al menos, la vía por la que Ingeniería SAMAT ha cumplido con las expectativas de nuestros clientes; presentamos esta nueva entrada que complementa perfectamente a la mencionada.
En este artículo, desarrollado por el ingeniero industrial mecánico, experto calculista, Andrés Serrano, os mostramos qué pasos nos han permitido a nosotros tener éxito en la validación de cualquier chasis que nos traen nuestros clientes para comprobar que funcionan correctamente o averiguar donde sobre material para ahorrar pesos y costes innecesarios.
¡Adelante!
Por qué hay que hacer un cálculo MEF de un chasis de ascensor
El primer paso de cualquier cálculo estructural con elementos finitos en ANSYS es conocer bien lo que se va a calcular. El cálculo con MEF (método de los elementos finitos) consiste en un conjunto de aproximaciones para intentar descubrir como se va a comportar en la realidad. La adecuación del cálculo consiste en determinar cómo de buenas son esas aproximaciones y si el modelo es fiel a la realidad.
El cálculo de un bastidor de ascensor tiene características propias de ese tipo de estructuras que es necesario conocer y en las cuales, Ingeniería SAMAT somos expertos. Pero también hay que tener en cuenta posibles particularidades de cada diseño, por lo que la colaboración con el cliente se hace fundamental. Cuanto mayor sea el grado de conocimiento del producto mejor será el modelo representado para el cálculo.
Los componentes más importantes que se deben conocer a la hora del cálculo del chasis son:
- El modo y puntos de tracción: si es un ascensor eléctrico o hidráulico y también, si es de tipo pórtico o mochila.
- El tipo de suspensión: conocer la suspensión para modelar si no se tienen el punto fijo o los ejes de las poleas necesarias.
- Las dimensiones de la cabina, en caso de que no se muestre el suelo, y su peso y la carga útil para la que se ha diseñado el ascensor.
El cálculo es la forma de validar que los procesos previos de diseño se han realizado de manera correcta. Además, permite optimizar la estructura con su correspondiente ahorro en material, llevando a un ahorro de la carga muerta que hay que transportar.
Descripción del cálculo del chasis
Preparación del modelo mediante SpaceClaim
El módulo SpaceClaim consiste en una herramienta de modelado CAD dentro del entorno de ANSYS. Haciendo uso de SpaceClaim se puede preparar de forma rápida la geometría para realizar la simulación y reducir los tiempos totales de diseño.
Este módulo se utiliza para adecuar la geometría desde el modelo inicial desarrollado para fabricar hasta un modelo simplificado que será el que se vaya a calcular. El objetivo es lograr un modelo representativo del chasis inicial pero que con las simplificaciones sea más manejable computacionalmente y optimizar el proceso tanto en tiempo de cálculo como de modelado, realización de uniones, condiciones de contorno y cargas. El tiempo de cálculo tiene una relación directa con el número de elementos que tiene el modelo, por lo que el simplificar la geometría implica reducir los elementos de la malla futura y, por tanto, facilitar la solución del problema.
El pasar del modelo inicial al utilizado para el calculo implica determinar que partes, pieza o geometrías del modelo son representativas para el cálculo y cuales no. Esto no es algo indicado en ningún sitio, sino que debe ser a criterio del ingeniero discriminar que se queda y que no, aunque como regla general se podrían señalar las siguientes premisas:
- Eliminación de pequeños redondeos.
- Eliminación de agujeros y alojamientos para tornillería auxiliar que no se vaya a analizar.
- Eliminación de pequeñas piezas o piezas comerciales que no tengan influencia en el cálculo.
- Extracción de las superficies medias de los sólidos en caso de que sea posible, cuerpos en cuales la relación entre el menor de longitud o ancho, y espesor debe ser mayor o igual a 10.
- Simplificación de sólidos con geometría complejas hasta conseguir una geometría lo más prismática posible, que facilitará el mallado de la pieza.
Las simplificaciones no son siempre las mismas, pues en general es lo descrito anteriormente, pero hay determinados casos en los cuales puedes haber excepciones:
- Se desea estudiar el funcionamiento de una pieza en concreto, para ello se deja la geometría lo más parecida a la realidad, aunque tenga formas complejas que obliguen a crear una malla más compleja.
- Una pieza que en un primer calculo obtiene unas tensiones elevadas, se puede reajustar la geometría, si se ve que es una concentración producto de la geometría de la pieza ajustada previamente, o modificar el tipo de contacto para que tenga un ajuste más preciso y se adapte mejor al funcionamiento real.
- Uniones atornilladas, estas uniones se pueden suprimir por contactos en los casos más extremos en los que no sea necesario su análisis, hacer con beam representando los tornillos o incluso llegar a introducir en el calculo el propio solido que representa el tornillo para obtener mayor precisión si se requiere al análisis especifico de la unión. Enlazar articulo tornillos
- Uniones soldadas, habitualmente se simulan con un contacto, pero en caso de ser una unión crítica que necesite ser analizada en profundidad puede darse el caso que se deba generar la geometría de la soldadura y realizar su análisis en profundidad. Enlazar articulo soldadura
Caracterizar los materiales del bastidor
El software ANSYS posee una librería de materiales básicos que pueden ser de uso general para los cálculos. Existen materiales lineales, no lineales, compuestos, hiperelásticos…
El material, cuando se trata de uno que ya está introducido en el sistema, solo hay que seleccionarlo y en el apartado del model aplicarlo sobre las piezas que se desee.
El resto de los materiales se generan a partir de la biblioteca de materiales de ANSYS, si se trata de un material que ya está en el sistema, pero con diferentes especificaciones se puede crear partiendo de ese modificando lo que se necesite o introducir todos los datos necesarios en un material nuevo.
El cálculo del chasis de un ascensor puede tener diferentes materiales o incluso con un mismo material como acero, diferentes especificaciones, por lo que habrá que generar tantos materiales distintos como materiales tengamos en el modelo.
Los materiales más utilizados son metales y trabajan dentro del limite elástico, pero hay determinados casos en los que se puede considerar la aplicación de materiales de otro tipo. Por ejemplo, un cálculo no lineal en el que se utilice el material dentro de su rango de plastificación, para lo cual será necesario seleccionar esa tipología de material en la biblioteca de ANSYS y rellenar con las especificaciones oportunas. El uso de materiales no lineales implica un mayor tiempo de cálculo computacional. Artículo sobre plastificación.
El mallado
Una vez que se tiene la geometría simplificada y los materiales creados se pasa al módulo model para continuar con el cálculo.
El primer paso es la creación de la malla. El mallado de la estructura consiste en pasar de solidos continuos a solidos discretos formados por los elementos de la malla, este paso es fundamental, ya que la solución se genera sobre los puntos de integración, que son los nodos de los elementos creados. Por tanto, cuanto más cuidado sea el mallado, más precisión tendrán los resultados puesto que capturara adecuadamente la geometría real de la estructura.
Como se ha comentado anteriormente, el tamaño de la malla influye directamente en el tiempo de cálculo, por lo que hay que llegar a un compromiso entre ambos. Para optimizar esto al máximo es conveniente realizar un análisis de sensibilidad de la malla.
El análisis de sensibilidad consiste en mallar y calcular la estructura, de forma iterativa, hasta que los resultados converjan hacia un mismo valor, esto nos indicará que la malla está capturando correctamente los resultados. Si por el contrario los resultados tienen valores apreciablemente diferentes, habrá que continuar iterando.
Los tamaños de malla más pequeños dan, generalmente, valores más altos de tensión puesto que capturan mejor posibles irregularidades. Para obtener una malla optima se pueden registrar los diferentes tamaños de malla y los valores máximos de tensión y determinar la relación más adecuada en función de la convergencia de los resultados.
Modelado de uniones
El segundo paso es el modelado de las uniones, es una parte crucial del cálculo ya que implica definir como se pueden comportar unas piezas respecto a otras. Para la realización de las uniones es imprescindible tener claro cómo se va a comportar el modelo en la realidad.
Existen diferentes tipos de uniones para aplicar:
- Contactos: se aplican para piezas que están en contacto entre sí o pueden llegar a estarlo en el proceso de cálculo, existen diferentes tipos:
- Lineales: dependiendo de cuál es la situación entre las piezas tenemos:
- Bonded: no permite el desplazamiento ni la separación entre los elementos en contacto.No separation: no permite la separación en la dirección normal del plano que forma la unión, pero si permite el desplazamiento en el plano de la unión.
- No lineales: este tipo de contactos permiten que el contacto esté abierto (separados) o cerrado (en contacto) en función de como se define el cálculo. Generalmente, no se utilizan para el análisis estructural habitual de un chasis, pero se pueden utilizar, por ejemplo, si se quiere estudiar cómo se comporta la zona de impacto contra el foso.
- Lineales: dependiendo de cuál es la situación entre las piezas tenemos:
- Joints: se pueden utilizar de igual manera que los contactos, pero son más habituales para piezas que van a tener un movimiento entre sí, ya que este tipo de unión permite definir los grados de libertad entre los elementos de contacto.
Se pueden definir joints de varios tipos: general, revolución, traslación, …, en función del tipo de movimiento que pueda existir entre los elementos en contacto será más conveniente el uso de un tipo u otro.
Además, se pueden generar otro tipo de relaciones entre elementos entre los que destacamos las beam. Estas se aplican habitualmente para simular los tornillos entre las piezas fundamentales de la estructura. Se pueden aplicar entre dos aristas, dos superficies o entre aristas y superficies. Su cometido es restringir el movimiento en el plano de la unión entre las piezas que se unirían con los tornillos, por lo que se suelen combinar con un contacto de no separation aplicado sobre las caras en contacto.
Las beam se pueden analizar en los resultados del cálculo para verificar que el tornillo equivalente es suficiente para las cargas aplicadas. Comparando las tensiones provocadas por las fuerzas y momentos con el limite del material usado en los tornillos.
Condiciones de contorno y cargas
El tercer paso del modelado es la introducción de las condiciones de contorno y cargas aplicadas sobre la estructura. Es muy importante a la hora del cálculo, pues este nos va a mostrar los resultados para las condiciones que hayamos indicado. Cualquier error a la hora de representarlas provocará que estemos calculando algo diferente de lo deseado.
Las condiciones de contorno que hay que aplicar se deben extraer del modelo real, son las interacciones que tiene la estructura con el entorno donde se instala. Se debe conocer como va a ser exactamente esa interacción y a que zonas va a afectar para modelar dichas condiciones.
Las condiciones de contorno pueden ser de distinto tipo en función de las restricciones que ejerzan, destacando entre las más usadas:
- Fixed: se trata de restringir todos los grados de libertar, no permite ningún giro ni desplazamiento.
- Displacement: se trata de imponer un desplazamiento concreto, que puede ser cero, sobre uno o más ejes. Se puede aplicar la condición de desplazamiento remoto, en el caso que se quiera actuar sobre un elemento ficticio ausente en el modelo
Las condiciones que se utilizan generalmente para el cálculo del chasis de un ascensor son:
- Rozaderas: se limitan los desplazamientos en las caras de las rozaderas en contacto con las guías en el plano perpendicular al movimiento del ascensor.
- Eje poleas o punto fijo: se limita el desplazamiento vertical ya que la polea es donde se suspendería el ascensor en un funcionamiento normal.
- Caja de cuñas: se fija el movimiento en la caja de cuñas del ascensor de modo que quedaría suspendido de esa parte en caso de que fuese necesario su accionamiento.
- Huella puffer: se restringe el movimiento vertical en el caso de análisis de impacto contra el puffer.
- Cerrojo de enclavamiento: se restringe el movimiento vertical en la superficie del cerrojo que se apoyaría sobre la pieza instalada para su fijación. Esta condición solo se aplica en el caso de estudio destinado a tal fin.
En función de los resultados obtenidos se pueden modificar está condiciones, si se ve que el modelo no se comporta como debería en la realidad.
Las cargas a aplicar vienen determinadas por las especificaciones de uso del ascensor, carga nominal, y los elementos auxiliares de frenado.
Se pueden definir como norma general las siguientes cargas:
- Carga nominal: se refiere a la carga que el ascensor va a poder desplazar. La introducción de esta carga en el modelo puede ser con una masa o carga remotas desplazadas del centro de gravedad de la cabina las distancias que resultan de la aplicación de la normativa EN 81-20:2020, esta carga debe referenciarse sobre los puntos en lo que la cabina se instala sobre el chasis. Otra opción posible es aplicar como carga distribuida sobre la simulación del suelo en las tres cuartas partes de la superficie en su posición más desfavorable según se indica en la normativa.
- Peso cabina: en caso de que no se incluyan los elementos de la cabina en la simulación, se debe introducir su peso equivalente con una masa o carga remota aplicada sobre el punto donde se localizaría el centro de gravedad de la cabina. Pues es una carga que también deberá soportar el chasis.
- Gravedad: se debe aplicar la fuerza de la gravedad sobre todos los componentes del conjunto, para tener en cuenta la carga que se ejerce de peso propio de la propia estructura.
- Otras cargas: puede ser necesaria la introducción de otras fuerzas puntuales, distribuidas o remotas dependiendo de lo que se quiera representar.
Por ejemplo, para los trabajos de mantenimiento del caso de enclavamiento es necesario introducir la fuerza que ejerce el estar el operario sobre el chasis o la cabina.
Las condiciones de contorno y cargas se deben combinar adecuadamente para conseguir ejecutar los casos de carga que marca la normativa EN 81-20:2020:
- Funcionamiento normal: consiste en el análisis de la estructura del chasis en el caso en el que el ascensor funciona correctamente y está suspendido de la polea.
- Accionamiento del paracaídas: se trata de analizar el caso en que es necesario el accionamiento del paracaídas y la estructura queda suspendida de las cuñas del paracaídas. Dependiendo del tipo de paracaídas, la normativa indica el factor de impacto que deberá aplicarse.
- Impacto contra el puffer: se simula el caso en el cual el ascensor pasa de su parada mínima y continúa descendiendo hasta impactar con el puffer instalado en el foso. Se restringe el desplazamiento vertical en la huella marcada sobre el chasis donde impactaría el puffer. Dependiendo del elemento de acumulación de energía, la normativa indica el factor de impacto que deberá aplicarse.
- Enclavamiento: define el comportamiento de la estructura cuando el chasis está anclado para trabajo de mantenimiento de la maquinaria. En este caso la restricción de movimiento vertical se aplica sobre los elementos que sirven de anclaje. Puede ser uno o varios dependiendo de la carga que se vaya a tener que soportar. Este caso solo es necesario en ascensores eléctricos sin cuarto de máquinas (SCM).
- Rebote del contrapeso: este escenario es consecuencia del segundo ya que, al acuñar la cabina, el contrapeso, por inercia, querrá seguir moviéndose. Por ello, da un pequeño o gran salto, produciendo un golpe al chasis transmitido por los cables.
Estos casos podrían ser ampliados con otras más específicos en función de los requerimientos de la estructura y/o las necesidades del cliente.
Resultados
Una vez que se tiene la estructura modelada adecuadamente, se procede a realizar el cálculo propiamente dicho, lo que nos permitirá analizar los resultados y determinar la aptitud de la estructura del chasis.
El programa permite sacar múltiples resultados en función de lo que se quiera analizar, los datos más analizados habitualmente son las tensiones y deformaciones.
Antes de proceder con el análisis se debe comprobar que el cálculo está bien realizado con dos puntos:
- Comprobación las reacciones en los apoyos: el balance entre las reacciones en los apoyos y las fuerzas introducidas en el modelo debe dar como resultado cero, es decir, que el modelo en conjunto sea estático.
- Comprobación de la deformada: se trata de observar si la deformada que resulta del cálculo es la esperada, para esto resulta imprescindible prever como se va a comportar la estructura en la realidad. Si los resultados no son como se esperaba habrá que analizar si se había estimado erróneamente o si hay un error en el modelo que provoca esa desviación de lo previsto inicialmente.
Una vez que se tiene claro que los resultados son los debidos, habría que realizar el análisis del mallado explicado con anterioridad, hasta tener el tamaño óptimo de los elementos la malla en cada componente.
Los resultados se analizan y se califican como aptos o no en función de las peticiones del cliente sobre el coeficiente de seguridad deseado o según los limites marcados en la normativa en caso de ser cálculos cuyos resultados estén indicados en esta.
Se pueden comprobar diferentes resultados, pero los más habituales son:
- Tensión de Von Mises: se muestra el mapa de distribución de tensiones en la pieza con una escala de colores. Lo habitual es que las tensiones no superen en ningún punto el limite elástico del material, pero puede haber situaciones en las que se haga uso de un material no lineal y se pueda pasar ese limite y analizar la plastificación.
El programa permite añadir una etiqueta para seleccionar el punto de tensión máxima y mínima.
Se debe comprobar si las tensiones resultantes se encuentran en las zonas esperadas y se distribuyen de manera ordenada por la pieza o si se producen picos altos de tensión aislados que podrían ser el resultado de concentraciones debidas a la geometría utilizada para el cálculo o a condiciones del modelado o son valores reales de tensión.
Además, se pueden realizar cortes a tensión determinada por el usuario, por lo que se puede observar, por ejemplo, que partes superan el limite elástico o cuales tendrían un factor de seguridad más elevado.
- Deformaciones: se muestra, al igual que con las tensiones, un mapa con una distribución de deformaciones. También se pueden mostrar el máximo y el mínimo, y realizar cortes a unos valores determinados.
- Reacciones: consiste en el análisis de fuerza y momentos en elementos determinados como son las condiciones de contorno o los beam de tornillos. También se pueden analizar las reacciones que se generan de las uniones creadas con joints.
El análisis de las reacciones se puede utilizar simplemente para hacer el balance de fuerzas, pero también se pueden analizar específicamente cada elemento que modela un tornillo, para evaluar si el tornillo equivalente va a cumplir con la carga resultante del cálculo.
Conclusiones
El cálculo bien hecho del chasis de un ascensor es un proceso complejo, donde se necesitan conocimientos de unas cuantas ramas de la ingeniería.
El cálculo nos mostrará los resultados de lo que nosotros hayamos introducido, por lo que hay que tener claro qué se va a modelar, cómo se está modelando y si el resultado sale según lo esperado. Este último punto es importante puesto que nos servirá como una comprobación de que el resultado es lógico y podremos pasar al punto de evaluar la aptitud de la estructura.
El cálculo de la estructura de chasis aporta valor y es una garantía para el cliente. Desde el aspecto puramente técnico, indica si la estructura cumple o no con los requisitos que se la van a solicitar. También, se puede analizar una optimización de la misma para ahorrar material, lo que conlleva a un menor peso para mover por la máquina cada vez que funcione el ascensor, y en definitiva, ahorro en otros elementos que componen el ascensor al estar todo el diseño relacionado.
Este artículo ha sido redactado por Andrés Serrano, Ingeniero Máster Mecánico e Industrial experto en cálculos por elementos finitos, miembro desde 2021 del Amazing SAMAT Team.
