Análisis y simulación de problemas complejos de ingeniería moderna utilizando el método de elementos finitos

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(1)1. TESIS CARRERA MAESTRIA EN INGENIERIA. ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE PROBLEMAS COMPLEJOS DE INGENIERÍA MODERNA UTILIZANDO EL MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS. Ciro Cárdenas Eyzaguirre Maestrando. Roberto Saliba Fernando Quintana Director Co-Director. (Julio 2010). División Mecánica Computacional, Centro Atómico Bariloche S. C. de Bariloche, Rio Negro, Argentina Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo, Comisión Nacional de Energía Atómica, Argentina.

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(3) 3. Prefacio Esta tesis es presentada en cumplimiento de los requisitos para optar al grado de Magíster en Ciencias de la Ingeniería ante el Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo. El trabajo de maestría fue conducido durante el período comprendido entre Agosto del 2008 y Julio del 2010 en la División de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche (CAB), con beca otorgada por el Organismo Internacional de Energía Atómica (IAEA). Me gustaría aprovechar este espacio para hacer algunos agradecimientos: A mi compañera incondicional y apoyo de mi vida Angela, quién estuvo a mi lado desde el primer día en esta aventura con fuerza sin igual y amor sin límites, te amo y muchas gracias por estar a mi lado. A mi inspiración y luz de mi vida Nacho. Eres cada latido de mi corazón y el mejor regalo que la vida me dio. Con cada sonrisa y abrazo que me diste, hiciste que diera lo mejor de mí. Te amo mi sol. A mi familia de Magallanes que a la distancia me dieron toda la fuerza que los caracteriza. A mi director Roberto Saliba y co-director Fernando Quintana, quienes durante estos dos años en Bariloche me guiaron en este crecimiento profesional. Al grupo de Mecánica Computacional del Centro Atómico Bariloche por su gran recepción y apoyo durante estos dos años. A mis amigos Rene Paz, Fede Teruel, Andrea Almonacid, Mickie Shlamb y familias, que me acogieron haciéndome sentir que dejo grandes amigos en Bariloche y en especial para mi gran amigo Cristian Sepúlveda. A mis profesores y personal del CAB. A don Mauricio Lichtemberg por confiar en mí desde un comienzo y hasta el final..

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(5) 5. Resumen Esta tesis realiza el modelado numérico de ensayos de impacto aplicados a contenedores de transporte y almacenamiento de elementos combustibles gastados de reactores de investigación, desde una altura de 9m y 1.2m en distintas posiciones. Se crean modelos numéricos para los dos contenedores en estudio y se simula la primera tanda de ensayos experimentales realizados en el año 2008 para realizar una validación del modelo. Se estudian parámetros como deformaciones, tensiones, energías y aceleraciones para verificar si los componentes sufren daño estructural. Para validar el modelo numérico del contenedor, es necesario estudiar las propiedades dinámicas OSB como absorbedor de energía en los amortiguadores de impacto. Para encontrar una ley constitutiva de este material se utilizan ensayos realizados en CDTN (Brasil), donde se estudiaron probetas destruidas a tal fin. Posteriormente se estudian los efectos del impacto sobre el contenedor rediseñado evaluando los parámetros mencionados anteriormente, analizando ángulos de caída y de los tensores, buscando el más desfavorable en una segunda tanda experimental realizada en 2010. Debido a las elevadas aceleraciones encontradas, un punto importante es el estudio de los materiales a utilizar en los amortiguadores de impacto..

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(7) 7. Índice 1. Motivación de la tesis y Objetivos…….......……………………………..…….9 1.1 Motivación de la tesis..……….....………………………………………………..9 1.2 Objetivos.……………………….....…………………………………………….10. 2. Introducción….…………….....…………………………………………………11 2.1 Marco normativo de transporte de materiales radiactivos…….....……………...12 2.2 Contenedores de transporte de materiales radiactivos………………….....…….13 2.3 Ensayos de homologación……….………………………………………….......14 2.4 Transporte de combustible nuclear gastado en el mundo………………….........16 2.5 Descripción contenedor en estudio…………………………………...…………17 2.6 Ensayos de impacto en proyecto RLA/4/018/OIEA……......…...………………20. 3. Caracterización del OSB en ensayos dinámicos de impacto……………...23 3.1 OSB en amortiguadores de impacto .………………………………………...…24 3.2 Ensayos experimentales OSB…………………………………………………...25 3.3 Modelos constitutivos OSB encapsulado……………………………………......27 3.4 Modelo numérico probetas OSB encapsulado………………………………......29. 4. Malla de elementos finitos………….……………………………………..…....41 4.1 La herramienta ANSYS y el módulo LS-DYNA……………………….……....42 4.2 Hipótesis simplificativas….…………………………………………………......42 4.3 Selección elemento a utilizar.……………………………………………..…….43 4.4 Consideraciones geométricas.....…………………………………………..…….48 4.5 Discretización componentes del contenedor....………………………………….54 4.5.1 Amortiguadores………………………………………………….………..54 4.5.2 Cuerpo………………………………………………………………...…..56 4.5.3 Tensores………….………………………………………………………..62 4.5.4 Relleno………………………………………………………...…………..62 4.6 Materiales de los componentes del contenedor.......…………………………….64 4.7 Parámetros de cálculo numérico…………………..…………………………….64. 5. Análisis de Resultados contenedor original……..……………..….………...65 5.1 Ensayos experimentales de impacto………………………………………….....66 5.2 Resultados caída contenedor original inclinado....……………......…………….67 5.2.1 Deformación del contenedor durante el impacto.……........….…………...67.

(8) 8 5.2.2 Aceleración en el cuerpo…………………………………………………..70 5.2.3 Deformación plástica y rotura en amortiguadores de impacto…………...71 5.2.4 Deformación plástica en tensores……………………………………….…74 5.2.5 Deformación plástica en bulones………………………..…………………74 5.2.6 Daño estructural cuerpo………………………………...…………………76 5.2.7 Energía absorbida por amortiguadores……………………………………76 5.3 Resultados caída contenedor original vertical………………..………………..…77 5.3.1 Aceleración en el cuerpo………………………………………………...…77 5.3.2 Energía absorbida por amortiguadores……………………………………78. 6. Análisis de resultados contenedor rediseñado………………...…………..…79 6.1 Nuevo contenedor……….…………………………………………………….…80 6.1.1 Cambios geométricos amortiguadores……………….……………………80 6.1.2 Cambios geométricos cuerpo……………….……………………..………82 6.1.3 Cambios propiedades materiales……….…………………………………82 6.2 Modelo equivalente nuevo contenedor…………….…………….………………83 6.3 Selección ángulo más desfavorable……………….……….…….………………84 6.4 Resultados caída contenedor rediseñado inclinado………..…..…………………87 6.4.1 Deformación del contenedor durante el impacto………….……………….87 6.4.2 Tensiones en componentes…………………………………………...…….89 6.4.3 Aceleraciones…………………………………………………...………….90 6.4.4 Energía absorbida por amortiguadores….……………..………………….91 6.5 Resultados caída contenedor rediseñado vertical..………………………….……92 6.5.1 Aceleraciones………………………………………………………………92 6.5.2 Energía absorbida por amortiguadores…………………………………...92 6.5.3 Daño estructural del cuerpo…………………………….…………………94. 7. Conclusiones………………………………………………………...……………97 8. Anexos……………………………..………….……………………….…………..99 8.1Amortiguadores de impacto en aplicaciones nucleares.….……………………100 8.2 Método de elementos finitos.…….……………………………………………101 8.3 Energías espurias de deformación……………………….……………………101 8.4 Elemento hexaédrico lineal de Ansys Ls-Dyna….……………………………102 8.5 Contactos Ansys Ls-Dyna.….…………………………………………………102 8.6 Posición anillos en tapa interna y externa….……………….…………………103. 9. Referencias………………….…………………………………………………...105.

(9) 9. Motivación de la tesis y objetivos 1.1Motivación de la tesis En el contexto nacional y regional de la gestión de combustibles gastados de reactores de investigación, algunos escenarios factibles de ocurrir en el futuro cercano han sido identificados: Argentina posee reactores de investigación en diferentes localizaciones y está ejecutando un proyecto para la construcción de una instalación de almacenamiento interino centralizado para combustibles gastados. Además, podría ofrecer el servicio de acondicionamiento de los mismos, ya sea para los propios o los de terceros países. La capacidad de transportar combustibles gastados en Argentina contribuirá fuertemente a brindar soluciones para la adecuada gestión de los mismos y también posibilitará soluciones regionales técnicamente apropiadas que requieran transporte de combustibles gastados entre países. La Argentina participa junto con Brasil, Chile, México y Perú en un Proyecto Regional financiado por la OIEA (RLA 4/018) para el desarrollo de la ingeniería de un casco de transporte de elementos combustibles gastados de reactores de investigación. Con el objeto de completar toda la ingeniería de detalle del casco, partiendo del diseño obtenido en el Proyecto Regional IAEA RLA/4/018 y llegar a tener a la finalización del proyecto un casco licenciado y listo para construir, los autores del presente trabajo participan del proyecto (RLA4020). Este proyecto busca obtener el diseño final con todos los elementos de la ingeniería de detalle, listo para construir, incluyendo materiales, proveedores de insumos específicos, procedimientos de soldadura, de inspección, etc. de dicho casco y presentar toda la documentación requerida por la Autoridad Regulatoria Nuclear para el licenciamiento del mismo. En el caso de Argentina, para llevar adelante dicho proceso de licenciamiento será necesario responder a todos los requerimientos que la Autoridad Regulatoria formule, los cuales incluyen simulaciones numéricas, cálculos de ingeniería y ensayos adicionales a los efectuados en el marco del Proyecto Regional IAEA RLA/4/018 ya finalizado. Los autores del presente trabajo tienen la responsabilidad de hacer las simulaciones numéricas correspondientes a los ensayos de impacto que prevé la normativa de OIEA tal como la caída desde 9m de altura, para lo que cuentan con experiencia previa de simulaciones de problemas de impacto, incluyendo plasticidad en grandes deformaciones con y sin endurecimiento y se recibió en el marco del proyecto regional equipamiento y software de alta performance para llevar a cabo las tareas mencionadas..

(10) 10. 1.2 Objetivos • Simular el impacto de un recipiente blindado de acero y plomo con amortiguadores. de impacto especialmente diseñados desde 9m y 1.2m de altura sobre una superficie rígida con una discretización espacial suficiente a los efectos de evaluar el daño en el cuerpo, tapa y sellos del contenedor, y que será utilizada para validar una primera tanda de ensayos experimentales. • Simular el impacto de un contenedor rediseñado y determinar un ángulo de caída que produzca daño máximo en el cuerpo o genere pérdida de estanqueidad en una segunda tanda experimental..

(11) 11. Introducción. En este capítulo se describe el marco normativo para el transporte de materiales radiactivo y se detallan los ensayos requeridos por la autoridad regulatoria nacional (ARN) para el licenciamiento del contenedor en estudio, que incluyen ensayos de impacto, térmicos y hermeticidad. Se describe en especial el ensayo de impacto, que es el origen de este trabajo de maestría. Además se muestran las características principales de los contenedores que se utilizan actualmente en el mundo para transportar materiales radiactivos, detallando en particular los distintos componentes del contenedor utilizado en la primera tanda experimental..

(12) 12. 2.1 Marco normativo de transporte de materiales radiactivos La seguridad en el transporte de combustible nuclear gastado, independientemente del medio de transporte elegido, está garantizada por dos aspectos fundamentales: el embalaje y las condiciones de transporte. Ambos se encuentran estrictamente regulados a través de diferentes reglamentos que, en función de la vía de transporte elegida, carretera, ferrocarril, avión o barco, establecen criterios uniformes en cuanto al diseño del embalaje y otros más específicos teniendo en cuenta las peculiaridades del medio. En el caso de la Unión Europea, estos reglamentos son los siguientes: • • • •. Transporte por carretera: Acuerdo Europeo para el transporte de mercancías peligrosas por carretera, (ADR). Transporte por ferrocarril: Reglamento Internacional sobre el Transporte de Mercancías Peligrosas por Ferrocarril, (RID). Transporte por vía aérea: Instrucciones Técnicas de la Organización Internacional de Aviación Civil, OACI. Transporte por vía marítima: Código Marítimo Internacional de Mercancías Peligrosas (Código IMDG), publicado por la Organización Marítima Internacional, OMI.. En cualquier caso, todos los aspectos técnicos de estos reglamentos se fundamentan sobre un solo documento, que es la norma de seguridad del Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), “Reglamento para el transporte seguro de materiales radiactivos” TS-R-1. Esta norma de seguridad ha sido confeccionada por un grupo de expertos mundiales en el transporte de materiales radiactivos, y es revisada de una manera bianual de tal forma que cualquier innovación técnica o experiencia operativa novedosa, es reflejada de forma casi inmediata, y consecuentemente acaba siendo transferida a los diferentes reglamentos de transporte, garantizando las mejores medidas de seguridad. En el caso de Argentina, los requisitos regulatorios de la Autoridad Competente para el licenciamiento de un bulto del Tipo B(U)F (anexo 8.1) están regidos por la norma AR 10.16.1 “Transporte de materiales radiactivos”, Revisión 1, de la ARN vigente desde 17 de julio de 2001..

(13) 13. 2.2 Contenedores de transporte de materiales radiactivos Un embalaje para transporte de combustible nuclear gastado consiste básicamente en un cilindro de acero que dispone de diferentes tipos de blindajes dispuestos de forma coaxial, y que en su interior lleva un bastidor de carga dentro del cual se encuentra alojado el combustible nuclear gastado. El embalaje se abre por una de las bases del cilindro, a través de la cual se produce su carga y descarga. La tapa se cierra mediante una o más tapas atornilladas, con una junta de estanqueidad de elastómero o metálica, para proporcionar un sellado completamente hermético. En el cuerpo del embalaje o en las tapas hay orificios para tuberías o instrumentación, a través de los que se procede al secado total del interior una vez cargado y a la adición de gases inertes para evitar la corrosión, a las pruebas de fugas y a la vigilancia de la presión interna una vez cerrado.. Figura 1.- Embalajes típicos para transporte de combustible nuclear gastado.. En disposición de transporte, normalmente los dos extremos del cilindro están protegidos por los denominados absorbedores de impactos, que como su nombre indica tienen la función de proteger el embalaje en caso de un choque absorbiendo la energía producida. Las dimensiones externas de este tipo de embalajes pueden variar en función del número y origen (reactores investigación o potencia) de los elementos combustibles que transporte. Los requisitos de seguridad básicos para el diseño de estos embalajes son:.

(14) 14. 1. Evitar el escape de productos radiactivos al exterior, incluidos gases y aerosoles, mediante barreras sucesivas de confinamiento; 2. Limitar la exposición a las radiaciones en el exterior del embalaje a valores mínimos y tolerables, mediante los blindajes adecuados para la radiación gamma y neutrónica. 3. El mantenimiento de la subcriticidad incondicional del combustible.. 2.3 Ensayos de homologación La filosofía establecida por la norma de seguridad TS-R-1 del OIEA, antes citada, es que la seguridad durante el transporte ha de estar garantizada por el embalaje, independientemente de la vía de transporte utilizada. De acuerdo con esto, los diseños de los embalajes deben cumplir con requisitos muy exigentes, de tal forma que, en caso que se produjera un accidente, el embalaje debe retener en su interior el contenido radiactivo, evitando de esa manera cualquier peligro para la población en general o para los equipos de intervención en el caso que fuese necesarios. En el caso particular de los embalajes de transporte del combustible nuclear gastado, estos son denominados, de acuerdo con la norma de seguridad del OIEA, como embalajes tipo B(U), y por consiguiente, para su homologación deben ser sometidos a los siguientes ensayos (figura 2): 1. Una caída libre desde 9 metros de altura sobre un blanco rígido, sin perdida de integridad. 2. Una caída libre desde 1,2 m de altura sobre un punzón de acero. Sin pérdida de integridad. 3. Un ensayo de resistencia al fuego, en el cual, el embalaje debe soportar una temperatura de 800ºC durante un periodo de 30 minutos. Sin pérdida de integridad. 4. Un ensayo de inmersión en condiciones equivalentes a una profundidad de 15 metros durante 8 horas. Para aquellos embalajes tipo B diseñados para transportar material altamente radiactivo, como el combustible nuclear gastado, este ensayo se hace más severo, incrementado la presión hasta la equivalente a una profundidad de 200metros y el tiempo de ensayo a 1 hora, garantizando la estanqueidad. 5. Un ensayo de condiciones operativas 6. Un test de radiactividad que verifique un blindaje adecuado..

(15) 15. Figura 2.- Esquema de los ensayos a los que debe someterse a los embalajes para transporte de combustible nuclear gastado.. Durante el proceso de certificación de un embalaje tipo B(U), estos ensayos son supervisados por la autoridad competente del país donde se vaya a fabricar el embalaje, de tal forma que se garantiza que se han realizado de acuerdo con lo establecido en la reglamentación, y que los han superado satisfactoriamente. En Estados Unidos y el Reino Unido a lo largo de las décadas de los 70 y 80 se realizaron ensayos tales como, impactar a 96km/h un camión que transporta un embalaje tipo B contra un muro de hormigón de 3metros de espesor (690 toneladas), impactar una locomotora diesel a 131km/h contra un embalaje tipo B, o hacer impactar un convoy ferroviario de 140 toneladas a 164km/h contra un embalaje tipo B depositado sobre la línea férrea, todos ellos con resultados satisfactorios. En Alemania, para simular la colisión del motor de un avión contra un embalaje, entre 1978 y 1980 se llegaron a ensayar impactos de proyectiles cilíndricos de gran tamaño (60cm de diámetro, 5m de longitud) a velocidades cercana a la del sonido (300 m/s). Más próximo en el tiempo se encuentra un ensayo, también realizado por las autoridades de la República Federal de Alemania, en 1999, en el cual se provocó la explosión de un vagón cisterna lleno de propano junto a un contenedor de combustible nuclear gastado..

(16) 16. 2.4 Transporte de combustible nuclear gastado en el mundo El transporte de materiales radiactivos de todo tipo, tanto por vía terrestre, aérea o marítima, es una práctica habitual en el mundo, con excelentes índices de seguridad. Dentro del transporte de materiales radiactivos, las operaciones con combustible nuclear gastado son habituales en muchos países, aunque su número sólo representa el 0,1 % del total. La cantidad total de combustible nuclear gastado transportado en el mundo desde la década de los 70 hasta el año 2001 se estima entre 73.000 y 98.000t dentro del ámbito civil. El número de embalajes que se han transportado, utilizando indistintamente tanto la carretera, como el ferrocarril o la vía marítima, puede llegar a la cifra de 43.000, habiéndose recorrido unos 30 millones de km sin que se haya producido ningún incidente con consecuencias radiológicas. En los Estados Unidos, en el ámbito civil, entre 1964 y 2004 se efectuaron 2.848 transportes de combustible gastado por carretera y 540 por ferrocarril, con unas cantidades de combustible nuclear gastado de 845t y 2.211t respectivamente. Por su lado, el programa militar estadounidense transportó más de 170.000t de combustible irradiado desde los años 40 hasta finales de los 80. El número de incidencias producidas es muy bajo; se han registrado algunos accidentes con vuelcos y descarrilamientos, cinco con embalajes vacíos, y cuatro transportando combustibles gastados, tres de ellos por carretera y uno por tren. Las funciones de seguridad principales (confinamiento, blindaje, subcriticidad y refrigeración) no resultaron afectadas en ningún caso. Dentro de la Unión Europea se realizan al año aproximadamente 700 transportes con combustible nuclear gastado, siendo Francia (con 450 transportes anuales), Alemania, Reino Unido y Bélgica, los países donde se desarrollan habitualmente estos transportes, tanto a nivel de tráfico interior como entre países. Nunca se han registrado daños radiológicos sobre la salud ni de los trabajadores ni del público. Sin embargo, han ocurrido algunos sucesos que alcanzaron eco informativo, como el vuelco de un camión en Francia en 1987, la caída de un embalaje en el puerto de Cherburgo por rotura de una grúa en 1991, el descarrilamiento de un convoy con tres embalajes en 1997, en la frontera franco-alemana, o los casos detectados de embalajes cuya superficie presentaba un nivel de radiactividad superior al permitido por la normativa en el centro de transferencia de embalajes próximo a la Hague (Francia) en 1998, debido a una limpieza insuficiente en origen. Todos estos sucesos, transcurridos sin consecuencias radiológicas, demuestran la idoneidad de los embalajes, de los procedimientos y de los sistemas de control empleados para el transporte del combustible nuclear gastado..

(17) 17. 2.5 Descripción contenedor en estudio El contenedor que se analiza en este trabajo, presenta constructivamente 3 componentes fundamentales: 1. El cuerpo propiamente dicho, construido de acero con plomo en su interior. 2. La cesta o canasto, que se dispone en el interior del casco y que sirve de grilla para el almacenamiento de 20 elementos combustibles. 3. Dos amortiguadores de impacto encastrados y tensados entre sí en ambos extremos del casco. En la figura 3 se observa el contenedor con sus elementos de sujeción necesarios para brindar seguridad durante la manipulación y transporte y un corte constructivo que muestra los materiales presentes en el contenedor.. Figura 3.- Contenedor con elementos de sujeción para transporte y corte constructivo. Los materiales presentes en el contenedor son: • • • •. Acero inoxidable AISI 304 Plomo OSB (se detalla en 3.1) Duraluminio. 1. Cuerpo: El componente principal del contenedor es el cuerpo (Figura 4), debido a que en su interior se encuentra una grilla de duraluminio que contiene los elementos combustibles gastados. Se define como un recipiente robusto, blindado con plomo y recubierto por acero inoxidable AISI 304, que asegura el confinamiento de la radiactividad de los elementos combustibles alojados en el interior del mismo..

(18) 18. tapa externa. tapa interna. recipiente acero. Figura 4.- Corte constructivo del cuerpo y despiece de contenedor. Los subcomponentes del cuerpo son: Recipiente de acero y plomo, este último se encuentra contenido en el acero. En el interior del recipiente se sitúa la grilla de almacenamiento de elementos combustibles como se muestra en la Figura 5.. •. Figura 5.- Recipiente de acero y plomo. Tapa interna, está fabricada con acero inoxidable y posee plomo como blindaje radiactivo en su interior, posee dos anillos metálicos (anexo 8.6) para garantizar estanqueidad. Está unido al recipiente a través de 24 bulones, como se muestra en la. •. Figura 6..

(19) 19. Figura 6.- Tapa interna de cuerpo del contenedor. Tapa externa, al igual que la tapa interna está construida de acero inoxidable pero sin relleno de plomo. Está unida mediante bulones a la zona superior del recipiente; resguarda el puerto de presurización y le da robustez a la tapa interna (Figura 7).. •. Figura 7.- Tapa externa de cuerpo del contenedor. 2. Cesta o canasto: Está construida de duraluminio y contiene los elementos combustibles gastados. Se encuentra en el interior del recipiente de acero como se muestra en la Figura 8.. Figura 8.- Cesta o canasto que opera como grilla almacenadora de los elementos combustibles.

(20) 20. 3. Amortiguadores de Impacto: Son planchas de OSB apiladas, encoladas y confinadas por una cubierta de acero inoxidable AISI 304 de 3mm de espesor. Se utiliza OSB debido a sus propiedades de absorción de energía que posee en el impacto. En los amortiguadores existen cuatro tubos pasantes de acero al interior de cada uno de ellos que permiten el pasaje de cuatro tensores de acero inoxidable, cuyo fin es mantener unido el cuerpo con los absorbedores de impacto. A continuación en la Figura 9 se presentan las dimensiones generales del contenedor.. Figura 9.- Modelo real a escala 1:2 y dimensiones. 2.6 Ensayos de impacto en proyecto RLA/4/018/OIEA Según se explica en el punto 2.1, la norma de seguridad TS-R-1 del OIEA solicita qué ensayos de homologación son necesarios para el licenciamiento del contenedor: Para condiciones normales de transporte debe soportar una caída libre desde 1,2m de altura en la posición más desfavorable y una caída desde 1,2m sobre un punzón de 75mm de diámetro en el modelo a escala 1:2. Para condiciones accidentales de transporte debe soportar una caída libre desde 9m de altura en la posición más desfavorable, y resistir 30min en un ambiente a 800ºC, un ensayo de inmersión y un ensayo de blindaje radiactivo. Dentro del Proyecto Regional IAEA RLA/4/018, se construyó un modelo a escala 1:2, respecto al prototipo real, el cual, se sometió a una primera serie de los ensayos en las instalaciones de CDTN (Centro de Desarrollo de Tecnología Nuclear), en Belo Horizonte, Brasil en el año 2008, con el fin de obtener información que permitiera realizar mejoras al diseño. Este trabajo de maestría modela numéricamente el ensayo de impacto realizado en el año 2008, y valida el modelo con los resultados experimentales ahí obtenidos. Posteriormente se modelan las modificaciones al diseño realizadas y se obtienen nuevos resultados. La segunda tanda de pruebas del contenedor se llevó a cabo en Junio de 2010. En la Figura 10 se presenta un esquema resumen de los pasos realizados en el modelado numérico de impacto dentro del proyecto IAEA RLA/4/018..

(21) 21. 1. Fabricación contenedor a escala 1:2. 2. Primera tanda ensayos experimentales. 3. Modelado numérico primer ensayo experimental. Modelo a escala. 6. Segunda tanda ensayos experimentales. 5. Modelado numérico segundo ensayo experimental. 4. Fabricación contenedor a escala 1:2 modificado. Figura 10.- Ensayos impacto y análisis en proyecto RLA/4/018. Los pasos mencionados anteriormente, se detallan a continuación: 1.. 2.. Fabricación modelo a escala: Se construyó un modelo a escala 1:2 del contenedor que se pretende licenciar, con el fin de realizar ensayos experimentales que permitan obtener información utilizable para generar mejoras al diseño sin la necesidad de construir un contenedor a escala real. Los resultados obtenidos de un contenedor a escala 1:2 se consideran escalables para problemas de impacto. Se construyeron varios pares de amortiguadores para realizar más de una caída en la primera tanda de ensayos. Primera tanda de ensayos experimentales: Se realizaron en las instalaciones del CDTN (Belo Horizonte, Brasil) y fueron presenciados por miembros de las entidades participantes de los distintos países que integran el proyecto regional y representantes de las autoridades regulatorias. En cuanto al impacto se realizaron lanzamientos desde una altura de 1.2m sobre un punzón y desde 9m en las posiciones vertical, horizontal e inclinada a 43° del eje del contenedor con respecto a la horizontal, como se ve en la Figura 11. Durante el ensayo vertical invertido se constató pérdida de estanqueidad en el cuerpo del contenedor..

(22) 22. Figura 11.- Ensayos impacto primera tanda de ensayos. 3.. 4.. 5.. 6.. Modelado numérico primer ensayo experimental: A partir de los planos de fabricación y la información técnica del proyecto se generó un modelo numérico que se detalla en el punto 4, el cual, se validó con los resultados obtenidos en la primera tanda de resultados. Fabricación contenedor a escala 1:2 modificado: A partir de la información generada en la primera tanda de ensayos, se realizaron modificaciones al modelo original para asegurar la integridad del contenedor y se construyó un nuevo modelo a escala para ser ensayado en Junio de 2010. Modelado numérico segundo ensayo experimental: Previo a ser lanzado el contenedor en la segunda tanda de ensayos experimentales se realizó un modelado numérico del contenedor con las modificaciones incorporadas y se entregó una recomendación de ángulo de caída, entre otros resultados. Segunda tanda ensayos experimentales: Se realizó una segunda tanda de ensayos experimentales en la ciudad de Belo Horizonte entre los días 31 de Mayo y 11 Junio, donde se obtuvo información del impacto desde 9m y 1.2m para distintas posiciones..

(23) 23. Caracterización del OSB en ensayos dinámicos de impacto. Los contenedores utilizados en el transporte y almacenamiento de material radiactivo están equipados con amortiguadores de impacto para reducir las posibles cargas dinámicas en condiciones de un accidente hipotético durante su transporte. Para poder predecir el comportamiento del amortiguador de impacto y así optimizar el diseño del contenedor, es relevante poder entender cómo se comportan en ensayos dinámicos los materiales que conforman los amortiguadores, que en este caso son acero inoxidable y OSB. Se realiza un modelado numérico de ensayos experimentales aplicados a probetas de OSB encapsuladas en acero, utilizando diferentes modelos constitutivos para estudiar parámetros como deformación plástica permanente, aceleraciones y restitución luego del impacto, y así definir los parámetros dinámicos de impacto del OSB en función de ensayos experimentales..

(24) 24. 3.1 OSB en amortiguadores de impacto Diversos materiales han sido utilizados como absorbedores de impacto por los diseñadores de contenedores similares al estudiado. Los más comunes son la espuma de poliuretano, madera maciza, compuestos de madera, láminas de aluminio y espuma de aluminio. El material elegido para el contenedor del proyecto RLA4018 es el compuesto de madera llamado OSB. Las propiedades de este material no están caracterizadas para cargas dinámicas. El OSB es un panel estructural de virutas de madera (Figura 12), orientadas en forma de capas cruzadas para aumentar su fortaleza y rigidez, unidas entre sí mediante adhesivos químicos aplicados bajo alta presión y temperatura.. Figura 12.- OSB en planchas y preparadas para utilizar en el amortiguador. El OSB muestra un comportamiento anisotrópico con gran deformación elástica y plástica en compresión, siendo esto resultado de su estructura celular. En la madera, las células se alinean con su eje longitudinal en la dirección del tronco. Por tanto, el comportamiento de la deformación a lo largo del eje longitudinal de las células (longitudinal L) es diferente del comportamiento de la deformación de las células perpendiculares a esta dirección. La Figura 13 muestra la orientación de las fibras.. Figura 13.-Orientación de las fibras en el OSB.

(25) 25. 3.2 Ensayos experimentales OSB Para poder determinar las propiedades dinámicas del OSB, se realizaron en las instalaciones del CDTN [1] y dentro del proyecto RLA4018, ensayos de impacto sobre probetas de OSB encapsuladas en una cubierta de acero inoxidable y fabricados a partir de placas unidas de OSB, en forma de cilindros de 60mm de diámetro y 30mm de altura.. 60mm. 30mm. Figura 14.- Probetas encapsuladas sometidas a ensayo impacto. Rogerio Pimenta [2] procedió a lanzar una masa de 53kg desde una altura de 2.43m sobre una base rígida que contenía probetas con las fibras del OSB orientadas en las direcciones perpendiculares, paralelas y 45º. Las pruebas fueron instrumentadas por el equipo mencionado anteriormente con acelerómetros fijos a la masa y la base de rígida como se muestra en la Figura 15.. Figura 15.- Torre de ensayos de impacto aplacido a probetas encapsuladas.

(26) 26. Como resultados de los ensayos experimentales de impacto realizados en el CDTN se obtuvieron curvas tensión-deformación (σ-ε) a partir de las curvas tensión eléctrica vs tiempo (V-t). Se generaron separadamente la curva σ-t y ε-t, y fueron vinculadas a través del parámetro de dependencia t [2]. Las curvas σ-t obtenidas de los ensayos experimentales en probetas encapsuladas, se presentan en la Figura 16.. Figura 16.- Curvas σ-t Probetas OSB encapsuladas en acero inoxidable. Otro parámetro que se facilitó como resultado experimental es la diferencia en la altura permanente de las probetas luego del impacto, que se presenta a continuación en la Tabla 1 y Figura 17. Orientación impacto Perpendicular Paralelo Inclinado 45°. Altura lanzamiento de la masa(m) 1,94 2,43 8,6 9,0 10,0 11,6 7,4 9,1. Tabla 1 Diferencia en la altura final probetas en mm. Figura 17.- Deformación plástica permanente probetas encapsuladas en distintas direcciones.

(27) 27. 3.3 Modelos constitutivos OSB Encapsulado Existen distintos modelos constitutivos que buscan representar numéricamente el comportamiento de materiales asociados a la madera como el OSB. En este caso en particular, se utilizan modelos que admiten gran deformación y que además se encuentran disponibles en el software ANSYS LS-DYNA como son esponja colapsable, baja densidad y bilineal elasto-plástico. El comportamiento de los modelos constitutivos mencionados se presenta a continuación. Modelo Esponja colapsable Este modelo de plasticidad se utiliza para modelar materiales tipo espuma que son típicamente usados como estructuras de absorción. Este modelo de espuma, considera el material como isótropo y se aplica a casos en que el coeficiente de Poisson es prácticamente cero. La curva tensión deformación se presenta en la Figura 18, que muestra una zona de carga en compresión y una descarga sin restitución, aportando gran deformación plástica.. Esponja Colapsable 100 90 80. σ (Mpa). 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. ε Figura 18.- Comportamiento materiales tipo espuma en curva tensión deformación.

(28) 28. Modelo Baja densidad Se utiliza para materiales muy compresibles, de baja densidad o espumas elásticas. Después de la carga y posterior descarga (Figura 19), el material se recupera por completo a su forma inicial Este modelo permite definir la histéresis del material y regular la recuperación elástica, ajustando parámetros numéricos como el factor de forma.. Baja densidad 60. 50. σ (Mpa). 40. 30. 20. 10. 0 0. 0,1. 0,2. 0,3. 0,4. 0,5. 0,6. ε Figura 19.- Comportamiento materiales tipo espuma en curva tensión deformación. Modelo Elastoplástico Bilineal El modelo elastoplástico bilineal se caracteriza por presentar un comportamiento del material integrado por dos tramos rectos perfectamente definidos, separados por un quiebre puntual y marcado. El primer tramo lineal corresponde a un comportamiento puramente elástico del material, de manera tal que de producirse una descarga, el mismo no sufriría deformaciones residuales, siendo las mismas totalmente reversibles. El segundo tramo, posterior al punto de quiebre, posee un comportamiento de tipo elastoplástico, que significa que las deformaciones que sufre el material son una sumatoria de deformaciones elásticas y plásticas, tal como se expresa en la ecuación (1). ε = ε e + εp (1) e p Siendo ε las deformaciones elásticas y ε las deformaciones plásticas. En este caso e ante una eventual descarga, parte de la deformación desaparece (ε ), pero el material permanece con una deformación plástica permanente. Dentro del modelo bilineal existen dos alternativas de comportamiento. La primera de ellas plantea que al momento de llegar al punto de quiebre el material no toma más carga y se deforma en un estado de tensión constante, llamado comportamiento elastoplástico perfecto. La segunda opción, establece que el material una vez alcanzada la fluencia (σy) sigue admitiendo incrementos de carga, mediante una regla determinada, llamado comportamiento elastoplástico con endurecimiento..

(29) 29. Figura 20.- Esquema comportamiento bilineal elastoplático. En la Figura 20 se presenta un gráfico típico correspondiente a un comportamiento elastoplástico bilineal, en donde se muestran los parámetros característicos del mismo. Siendo E el módulo elástico inicial, Kep el módulo elastoplástico teniendo en cuenta el efecto de endurecimiento, (σ1-σ3)y tensión desviadora de fluencia y εy la deformación asociada a la tensión de fluencia.. 3.4 Modelo numérico probetas OSB encapsulado Se genera un modelo de elementos finitos para una probeta de OSB con encapsulamiento de acero inoxidable que representa los ensayos experimentales realizados para caracterizar las propiedades mecánicas del material de absorción de impacto de los amortiguadores. La malla de elementos finitos del modelo numérico consta de 4 componentes independientes que se muestran en la Figura 21 y que se describen a continuación: • • • •. Madera OSB: Representada por un volumen macizo cilíndrico, el cual, se analiza considerando distintos modelos constitutivos del material (bilineal, esponja colapsable, baja densidad). Acero encapsulamiento: Definido como una cubierta que rodea el OSB y que posee propiedades de acero inoxidable que se aproxima con un modelo bilineal elastoplástico. Masa: Considerada como un volumen cúbico rígido que no admite ningún tipo de deformación. Base: Al igual que la masa, no admite deformaciones, además, de no permitir traslaciones de sus nodos..

(30) 30. Figura 21.- Modelo numérico probeta de OSB encapsulada en acero inoxidable. La discretización de la probeta encapsulada se realiza utilizando elementos hexaédricos lineales (Figura 22), empleados para modelar estructuras sólidas y que posee como grados de libertad desplazamiento en las tres direcciones ortogonales en un sistema de coordenadas cartesianas. Este elemento se utiliza sólo en análisis explícitos (anexo 8.4).. Figura 22.- Elemento hexaédrico lineal. Para seleccionar el número de nodos de cada componente del modelo, se realiza un análisis de convergencia en red, utilizando como modelo constitutivo de la madera el esponja colapsable con un módulo elástico E=1.6e4Mpa. El valor de altura permanente luego de haber sido impactada la probeta y haber restituido completamente, es el parámetro utilizado para verificar la convergencia en red..

(31) 31. La altura permanente del OSB convergido en red es de 17.0mm y en el acero 17.6mm. Se simulan las condiciones de impacto de los ensayos experimentales de las probetas encapsuladas utilizando los distintos modelos constitutivos, considerando los siguientes parámetros de cálculo y condiciones de carga dinámicas presentados en la Tabla 2. Parámetros de Cálculo Tipo Análisis. Explícito. Tipo integración. Simple. Precisión. Doble. Paso Tiempo. 6e-8 seg.. Tiempo simulación. 0.075seg. Tipo Contacto. Superficie-superficie. Condiciones de carga dinámicas aceleración de gravedad. 9.8m/s2. velocidad inicial / altura inicial. -6.9 m/s / 2.43m. Tabla 2. Parámetros de cálculo y cargas dinámicas del modelo numérico de probeta encapsulada. Las propiedades comunes a los tres modelos numéricos de la probeta encapsulada se presentan en la Tabla 3:. Tabla 3. Propiedades OSB y acero utilizados en modelamiento numérico probeta encapsulada. En la Figura 23 se presenta el comportamiento general de los tres modelos constitutivos de OSB en la curva σ-ε.. Esponja colapsable Baja densidad Bilineal Figura 23.Comportamiento general modelos constitutivos OSB. Si se aplica un modelo constitutivo de esponja colapsable, se obtiene el comportamiento en la curva σvsε de la Figura 24..

(32) 32. Figura 24.- Curva σ vs ε modelo esponja colapsable. En la compresión se utilizan valores experimentales obtenidos de los ensayos mencionados anteriormente en 3.2 hasta una deformación 0.55, de ahí en adelante se utiliza un extrapolación aportada por el grupo de CDTN, la descarga no considera restitución. En la figura 25 se distinguen distintos momentos durante la deformación de la probeta en el impacto, utilizando un modelo constitutivo de esponja colapsable.. a). b). c). d).

(33) 33. e) Figura 25.- deformación de la probeta encapsulada con modelo constitutivo de esponja colapsable a) previo al impacto b) aparición discontinuidades c) crecimiento discontinuidad superior d)crecimiento discontinuidad inferior e)restitución de la probeta. En la Figura 25a) la probeta no ha sido impactada aún y la altura del acero y el OSB es la misma. En la Figura 25b) se aprecia la aparición de discontinuidades provocadas por un comportamiento del acero similar al de una columna sometida a pandeo. El origen de estas discontinuidades son errores numéricos que se propagan rápidamente en el acero que luego interactúa con el OSB. En la Figura 25c) Se hace más notoria la propagación de la discontinuidad en el acero a una misma altura en toda la probeta, lo que dista del caso experimental donde existe discontinuidades en distintas posiciones, debido a diferencias en los gap obtenidos entre la superficie del OSB y acero y además la presencia de astillas en la madera que impiden que las propiedades del OSB sean totalmente homogéneas. En la Figura 25d) se deforman los elementos del OSB adquiriendo la forma del acero, lo que no se aprecia experimentalmente. En la Figura 25e) se aprecia que, como postulaba el modelo constitutivo de esponja colapsable, no existe restitución en el OSB de la probeta, permaneciendo deformada plásticamente, lo que no ocurre en los resultados experimentales, generando una diferencia en la altura final del OSB entre el modelo de esponja colapsable y el valor experimental que es mayor debido a la restitución, como se muestra en la Figura 26 caso 2.. 2 1. 2. Figura 26.-Diferencias en resultados experimentales y modelo de esponja colapsable. 1.

(34) 34. Si se aplica un modelo constitutivo baja densidad, se obtiene la curva σvsε de la. Figura 27.. Figura 27.- Curva σ vs ε modelo baja densidad. Se utiliza la misma curva de compresión que en el caso de esponja colapsable pero la descarga restituye totalmente el material. En la Figura 28 se distinguen distintos momentos durante la deformación de la probeta en el impacto, utilizando un modelo constitutivo de baja densidad.. a). b). c).

(35) 35. d). e). f) Figura 28.- deformación probeta en modelo numérico de baja densidad a) previo al impacto b) aparición discontinuidad inferior c) crecimiento discontinuidad inferior y aparición segunda discontinuidad inferior d) deformación máxima e) restitución de la probeta f) restitución total. En la Figura 28b) aparece la primera discontinuidad en la zona inferior del acero, sumándose una segunda hasta llegar a la máxima deformación Figura 28d). Luego el OSB de la probeta empieza a restituir hasta volver a su valor original (Figura 28f)) a diferencia del acero que permanece con deformación plástica, que se aprecia en la Figura 29) caso 1.. 1 1 Figura 29.-Diferencias en resultados experimentales y modelo de esponja colapsable. Finalmente el último modelo utilizado es el bilineal elastoplástico, el cual, fue obtenido ajustando un tramo elástico hasta una deformación de 0,21 y un módulo tangente entre las deformaciones 0,21 y 0,38 de la curva experimental del OSB a 45º, como se presenta en la Figura 30..

(36) 36. Modelo bilineal Osb 35. 30. 25 y = 30,533x + 9,9507 R 2 = 0,9911. 20. σ. 16,2. 15. 10. y = 79,101x + 0,3142 R 2 = 0,9954. 5. 0 0,00. 0,05. 0,10. 0,15. 0,20. 0,25. ε. 0,30. 0,35. 0,40. 0,45. 0,50. Figura 30.- Líneas de tendencia ajustadas sobre resultados experimentales. Los parámetros obtenidos del modelo bilineal elastoplástico son tensión de fluencia Tf= 16.2MPA, módulo elástico E=79.1Mpa y módulo tangente Mt=30.5Mpa, si se aplican al modelo numérico de la probeta encapsulada se obtiene la curva σ vs ε de la Figura 31.. Figura 31.- Curva σ vs ε modelo bilineal. En la Figura 32 se distinguen distintos momentos durante la deformación de la probeta en el impacto, utilizando un modelo constitutivo bilineal elastoplástico..

(37) 37. a). b). c). d). e). f) Figura 32.- deformación de la probeta encapsulada con modelo constitutivo del OSB bilineal a) previo al impacto b) aparición discontinuidad inferior c) crecimiento discontinuidad inferior y aparición segunda discontinuidad inferior d) deformación máxima e) restitución de la probeta f) restitución total.

(38) 38. En la Figura 32b) aparece una primera discontinuidad en la zona inferior del acero, seguida de una segunda al aumentar la compresión (Figura 32c), alcanzando la deformación máxima en la Figura 32d). Finalmente se obtiene una altura permanente similar a la experimental luego de la restitución (Figura 33 1y2).. 2. 1. 1. 2. Figura 33.-Diferencias en resultados experimentales y modelo de esponja colapsable. Los resultados obtenidos del modelo numérico de impacto de las probetas encapsuladas son aceleración, velocidad, deformación máxima y deformación plástica, mostradas en las Figuras 34, 35 y 36.. Figura 34.- Aceleración modelos numéricos. Figura 35.- Velocidad modelos numéricos.

(39) 39. Figura 36.- Altura probeta en modelos numéricos. La curva EXPERIMENTAL de la Figura 36 se obtuvo a partir de la integración de curvas de aceleración obtenidas en los ensayos a través de los acelerómetros en la masa, y se considera como último dato el instante en que la masa deja de estar en contacto con la probeta. El valor permanente indicado con una línea continua, se obtuvo con la medición de la altura permanente de las probeta con un calibre luego del impacto. De todos los resultaos obtenidos en los modelos numéricos de probeta encapsulada se puede concluir que: El modelo de esponja colapsable alcanza valores de aceleración similares a los ensayos experimentales, al igual que la deformación máxima pero no posee la capacidad de restitución al descargarse el material, por lo que la altura permanente difiere de lo experimental. El modelo de baja densidad alcanza valores de aceleración mayores a los ensayos experimentales, la deformación máxima es similar pero restituye totalmente luego del impacto al descargarse el material, por lo que la altura permanente difiere también del valor experimental. El modelo bilineal elastoplástico alcanza valores de aceleración menores a los ensayos experimentales, la deformación máxima es similar y restituye correctamente luego del impacto al descargarse el material, por lo que se considera el modelo constitutivo con mejores propiedades para representar el OSB..

(40) 40.

(41) 41. Malla de elementos finitos. En este capítulo se presenta la herramienta computacional utilizada y se describe el modelo numérico empleado para el contenedor, mencionando las hipótesis simplificativas y consideraciones geométricas. Se presenta un análisis del tipo de elemento y se detallan los contactos, materiales y parámetros de cálculo utilizados en el cálculo..

(42) 42. 4.1 La herramienta ANSYS y el módulo LS-DYNA ANSYS Inc. fundada en 1970, desarrolla y presta soporte a la ingeniería con programas de elementos finitos destinados a la simulación y ofrece soluciones para resolver análisis estáticos lineales. Sucesivamente se han ido introduciendo módulos con los que este programa es capaz de resolver además problemas dinámicos no lineales. Los principales módulos de ANSYS son: Multifísico, Mecánico, estructural, profesional, Emag (simulaciones Electromagnéticas), Paramesh (mallas adaptativas), LSDYNA. ANSYS LS-DYNA surge de la colaboración entre ANSYS, Inc. y Livermore Software Technology Corporation (LSTC), introduciendo en 1996 las herramientas de LSDYNA para resolver problemas dinámicos complejos de diseño. Incluye, elementos explícitos 2D y 3D, análisis automático de contactos, decenas de modelos de material y ecuaciones constitutivas. Es utilizado para estudiar fenómenos que ocurren a elevada velocidad como pueden ser los impactos, colisiones o procesos que sufren grandes deformaciones, estampado o conformado.. 4.2 Hipótesis simplificativas El modelo de elementos finitos que se detalla en los puntos 4.4 y 4.5, busca representar de mejor manera las condiciones reales del contenedor en estudio. Sin embargo, existen distintas hipótesis simplificativas que se consideran necesarias para obtener resultados asertivos. Como son: • Se desprecia el modelamiento de sellos, anillos (anexo 8.6), cáncamos de izado y sujeción de amortiguadores y casco, puertos de testeo, conductos de carga de plomo, canasto de elementos combustibles, elementos combustibles. • La masa de los elementos combustibles y su canasto es incorporada en el modelo numérico a través de la creación de un volumen ficticio con una densidad equivalente. Se utiliza una masa equivalente de 70Kg que corresponde a 50Kg de la grilla y 20Kg de los 20 elementos combustibles escaleados 1:2. • Se supone un comportamiento elastoplástico isotrópico bilineal para el acero y plástico perfecto para plomo. El OSB obedece a un comportamiento tipo bilineal elastoplástico. • Durante la caída, se desprecia el rozamiento provocado por el aire..

(43) 43. 4.3 Selección elemento a utilizar Para realizar una selección del tipo de elemento a utilizar en el modelo numérico del contenedor, se crean dos modelos numéricos de prueba (cúbico y cilíndrico), construidos con distintos tipos de elementos tales como hexaedros lineales, pentaedros lineales, tetraedros lineales y tetraedros cuadráticos. Se analizan parámetros tales como radio de plastificación (máximo valor deformado en un lado del cubo), aceleración en nodos, costo computacional, energía interna y energía espurias de deformación para verificar qué elemento se comporta de mejor manera para condiciones de impacto similares a las estudiadas. Inicialmente se genera uno modelo numérico con geometría cúbica de lado 1m y propiedades de acero AISI 304, discretizada con distintos tipos de elementos como se muestra en la Figura 37.. a). b). c). d). Figura 37.- Mallado cubo con elementos a) Hexaedro lineal, b) Tetraedro cuadrático, c) Pentaedro lineal, d) Tetraedro lineal. Se aplica una velocidad inicial nodal de -13.26 m/s equivalente a un lanzamiento de 9m de altura y se hace impactar sobre un material rígido..

(44) 44. El primer parámetro analizado es la deformación plástica o radio de plastificación para distintos tipos de elementos y cantidad de nodos, obteniendo los resultados presentados en la Figura 38.. Figura 38.- Radio plastificación vs cantidad nodos. Se aprecia que los elementos hexaédricos lineales, pentaedros y tetraedros lineales convergen en red para valores mayores a 40000 nodos aproximadamente con respecto al radio de deformación plástica, pero alcanzando valores distintos. Los elementos tetraédricos cuadráticos presentan problemas al impactar el cubo a una velocidad tan alta y con mallas muy discretizadas. Cabe mencionar que el elemento tetraedro lineal entrega un valor muy distante comparado con pentaedros lineales y hexaedros lineales. Otro parámetro utilizado es la aceleración en la componente vertical en el nodo opuesto al impacto (Figura 39), para verificar si los tipos de elementos perciben los cambios de aceleración y en qué medida con respecto a la cantidad de nodos.. Figura 39.- Nodo de medición de aceleración en modelo cubo.

(45) 45. Los resultados de aceleración obtenidos de los ensayos de impacto del modelo cúbico se presentan en la Figura 40.. Figura.-40 Aceleración para distintos tipos de elementos. Se aprecia que el hexaedro lineal y tetraedro cuadrático perciben variaciones a lo largo del tiempo en que el cuerpo está impactando la base rígida. Al contrario, los elementos pentaédricos y tetraédricos lineales, perciben sólo una variación inicial en la aceleración pero no registran nuevos cambios en el transcurso en que el cubo se deforma. Para complementar los resultados obtenidos en el modelo cúbico, se genera un modelo cilíndrico, con una aproximación de la geometría del cuerpo original estudiado, y las mismas propiedades de los materiales (acero en el exterior y plomo en el interior), buscando estudiar nuevos parámetros como las tensiones Von Mises presentes en el impacto para distinta cantidad de nodos y elementos. El cilindro se discretiza con elementos del tipo hexaedro lineal y tetraédrico cuadrático como se muestra en la Figura 41..

(46) 46. a) b) Figura 41.- Modelo cilindro con a) hexaedros lineales b) tetraedros cuadráticos. Se aplica una velocidad inicial de nodos de -13.26 m/s equivalente a un lanzamiento de 9m de altura y se hace impactar sobre un material rígido. Las tensiones Von Mises máximas durante el impacto se presentan en la Figura 42.. Tensiones máximas Von Mises 1,E+09. Hexaedro lineal Hexaedro lineal refinado. 9,E+08. Hexaedro lineal final Tetraedro cuadrático. 8,E+08. Tetraedro cuadrático refinado. Tensiones (Pa). 7,E+08. Tetraedro cuadrático final. 6,E+08. 5,E+08. 4,E+08. 3,E+08. 2,E+08. 1,E+08. 0,E+00. 0,000. 0,002. 0,004. 0,006. 0,008. 0,010. tiempo (seg). Figura.-42 Tensiones Von Mises para distintos tipos de elementas en modelo cilíndrico. Con respecto a las tensiones máximas obtenidas para cálculos con elementos hexaédricos lineales se aprecia que a medida que el modelo posee una mayor cantidad de nodos, aumenta la tensión máxima, pero alcanzando valores similares luego de un primer refinamiento. En cuanto a las tensiones máximas obtenidas para el ensayo con elementos tetraédricos cuadráticos, se aprecia que a medida que el modelo posee una mayor cantidad de nodos aumentan los valores máximos obtenidos, apareciendo problemas de.

(47) 47 volúmenes negativos que impiden realizar los cálculos durante todo el impacto. Este hecho fue observado anteriormente en el modelo cúbico e indica que al utilizar tetraedros cuadráticos se capturan tensiones más elevadas pero generan a su vez problemas por la alta velocidad de impacto, debiendo absorber una energía elevada en un breve periodo de tiempo. En el ensayo de impacto del contenedor, existen amortiguadores de impacto con una rigidez menor a la del acero del cuerpo que están diseñados para absorber más energía, pero estos resultados ya indican que los tetraedros cuadráticos podrían generar problemas en un modelo de mayor masa e igual velocidad de impacto. Del modelo cúbico se aprecia que los elementos tetraédricos lineales y pentaédricos, no registran las aceleraciones generadas en el impacto del cubo, por lo que no serían elementos recomendables para realizar el análisis del contenedor. Del modelo cilíndrico se concluye que los elementos tetraédricos cuadráticos presentan problemas a velocidades altas de impacto, a diferencia de los elementos hexaédricos lineales, por esto se utiliza este último elemento en la discretización del modelo numérico del contenedor..

(48) 48. 4.4 Consideraciones geométricas A continuación en las Figuras 43-47 se presentan las consideraciones geométricas utilizadas en el modelo numérico del contenedor, donde se mencionan gap, suposiciones y dimensiones.. 4 3. 4 B. 3 2 2 A. A. 1. Figura 43.-Gap en amortiguadores y tensores. B. 3 2 2 1.

(49) 49. En la Tabla 4 se presentan los gap asociados a los amortiguadores y tensores del contenedor experimental y numérico. La Tabla 5 presenta las suposiciones empleadas para modelar el OSB y los tensores y en la Tabla 6 se describen las dimensiones asociadas a los tensores. CÓDIGO. 1 2 3 4. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. TIPO DE GAP. Cubierta acero-OSB 0.003 m 0m Radial Cubierta acero-eje tensor 0.004m 2mm Radial Cubierta acero-tuerca tensor 0.005m 0m Radial Cubierta acero-tuerca tensor 0.001m 0m Vertical Tabla 4- Gap entre componentes asociados a los amortiguadores y tensores CÓDIGO. COMPONENTE. DESCRIPCIÓN. El OSB del modelo numérico es representado por un volumen OSB único, en el caso experimental se A utilizan plancha horizontales encoladas y prensadas El eje del tensor y la tuerca del Eje tensor y tuerca modelo numérico se considera modelo numérico como un solo volumen a B diferencia del caso experimental en que son componentes distintos Tabla 5.- Suposiciones en componentes asociados a los amortiguadores y tensores. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Largo eje tensor 0.9412m 0.932m Diámetro eje tensor 0.032m 0.03175m Altura tuerca tensor 0.029m 0.028m Diámetro tuerca tensor 0.05m 0.053m Tabla 6.-Dimensiones componentes.

(50) 50. 7 6 4. 5. 8. 7 6. 5. 8 Figura 44.-Gap entre tapa interna, acero del cuerpo, plomo del cuerpo.

(51) 51. En la Tabla 7 se presentan los gap utilizados entre el acero y plomo del cuerpo y la tapa interna como se muestra en la Figura 45. CÓDIGO. 5 6 7 8. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. TIPO DE GAP. Plomo cuerpo- acero cuerpo 0.001m 0m Radial-vertical Plomo tapa interna-Acero tapa interna 0.001m 0m Radial-vertical Acero tapa interna-Acero cuerpo 0.001 0m Radial Acero tapa interna-Acero cuerpo 0.00155m 0m Vertical Tabla 7.- Gap entre tapa interna, acero del cuerpo, plomo del cuerpo. 11 12 C. C. 9. 10 D. D. 7. Figura 45.-Gap asociados a bulones de la tapa interna. En las Tablas 8, 9 y 10 se describen los gap, suposiciones y dimensiones asociados a los bulones de la tapa interna, como se muestran en la Figura 46. CÓDIGO. 9 10 11 12. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Vástago bulón tapa interna- Acero tapa interna 0.00025m 0,0004m Vástago bulón tapa interna- Acero cuerpo 0.001m 0,0004m Cabeza bulón tapa interna- Acero tapa interna 0.0003m 0.0002m Cabeza bulón tapa interna- Acero tapa interna 0.0004m 0m Tabla 8.- Gap entre componentes asociados a bulones de la tapa interna. TIPO DE GAP. Radial Radial Radial Vertical.

(52) 52. CÓDIGO. COMPONENTE. DESCRIPCIÓN. El bulón de la tapa interna es considerado como un Bulón tapa interna solo volumen que no contempla hilo como en el C caso experimental Perforación de entrada La perforación se considera pasante y sin rosca a D de bulón tapa interna diferencia del caso experimental Tabla 9.- Suposiciones en componentes asociados a bulones de la tapa interna COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Largo vástago bulón tapa interna 0.0945m 0..01025 Diámetro vástago bulón tapa interna 0.012m 0.01m Largo cabeza bulón tapa interna 0.01m 0.01m Diámetro cabezal bulón tapa interna 0.0192m 0.016m Tabla 10.-Dimensiones en bulones de la tapa interna. 15. 15 14. E. 14. 13. F. 16 17. 18. 13. E. F. 17. 18. Figura 46.-Gap entre tapa interna, acero del cuerpo, plomo del cuerpo. En las Tablas 11, 12 y 13 se describen los gap, suposiciones y dimensiones asociados a los bulones de la tapa externa, como se muestran en la Figura 46. CÓDIGO. 13 14 15 16 17 18 CÓDIGO. E F. MODELO NUMÉRICO. COMPONENTES. MODELO EXPERIMENTAL. Vástago bulón tapa externa – Tapa externa 0.0004m 0.0004m Cabeza bulón tapa externa- Tapa externa 0.001m 0m Cabeza bulón tapa externa- Tapa externa 0.001m 0.0004 Vástago bulón tapa externa – Acero cuerpo 0.0012m 0.002m Acero cuerpo – Tapa externa 0.0003m 0m Acero tapa interna Tapa externa 0.0007m 0m Tabla 11.- Gap asociados a bulones de la tapa externa COMPONENTE. Bulón tapa externa. TIPO DE GAP. Radial Vertical Radial Vertical Vertical Vertical. DESCRIPCIÓN. El bulón de la tapa externa es considerado como un solo volumen que no contempla hilo como en el caso experimental, además es más corto ya que no incluye el largo penetrante en el acero del cuerpo La perforación no se considera en este caso a diferencia del caso experimental.. Zona perforación de entrada de bulón tapa interna Tabla 12.- Suposiciones en componentes asociados a los bulones de la tapa externa.

(53) 53. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Largo vástago bulón tapa externa 0.01875m 0.04m Diámetro vástago bulón tapa externa 0.01m 0.009m Largo cabezal bulón tapa externa 0.01m 0.01m Diámetro cabezal bulón tapa externa 0,0154m 0.016m Tabla 13.-Dimensiones asociadas a bulones de la tapa externa. 20. 19. 20. 19. G. G. 21. 21. Figura 47.-Gap entre grilla y acero del cuerpo. En las Tablas 14, 15 y 16 se describen los gap, suposiciones y dimensiones asociados a la grilla del contenedor, como se muestra en la Figura 47..

(54) 54. CÓDIGO. 19 20 21 CÓDIGO. G. COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Acero cuerpo-relleno 0.00575 0.001m Acero cuerpo-relleno 0.0058 0.014m Acero cuerpo-relleno 0.0058 0.01m Tabla 14.- Gap entre componentes asociados a la grilla COMPONENTE. TIPO DE GAP. Radial Vertical sup Vertical inf. DESCRIPCIÓN. La grilla fue considerada en el modelo numérico como un solo volumen que posee propiedades de duraluminio y una densidad equivalente que entrega la masa de todo Grilla el componente, no está unido a ningún componente por lo que posee un movimiento al interior del cuerpo al igual que en el caso experimental debido a los gap. Tabla 15.- Suposiciones en componentes asociados a la grilla COMPONENTES. MODELO NUMÉRICO. MODELO EXPERIMENTAL. Alto grilla 0.455m 0.4475m Diámetro grilla 0.296m 0.030m Tabla 16.-Dimensiones componentes. 4.5 Discretización componentes del contenedor A continuación se describe la discretización de cada una de las partes componentes que en su conjunto forman el contenedor. El elemento utilizado para el mallado es el seleccionado en el punto 4.3 y se describe en el punto 3.4 y anexo 8.4 la herramienta computacional utilizada es ANSYS LS DYNA descrita en el punto 4.1.. 4.5.1 Amortiguadores La geometría que representa los amortiguadores de impacto consta del OSB y cubierta de acero como se muestra en la Figura48. El OSB es utilizado como absorbedor de energía y considera perforaciones pasantes que se adaptan a los caños de las cubiertas de acero inoxidable. Es construido creando un área basal que contiene todas las secciones circulares presentes en el componente y luego realizaron extrusiones (creación volumen a partir de un área basal) hasta generar la geometría deseada. Se establece un contacto general (anexo 8.5) entre la madera de ambos amortiguadores y las cubiertas que las contienen. Se crean cubiertas con caños pasantes, que impiden el contacto entre los tensores y de los amortiguadores, como efectivamente sucede con el modelo a escala original. Se utilizó la misma metodología de modelamiento del OSB de los amortiguadores. La cubierta superior posee un contacto tipo superficie-superficie (anexo 8.5) con la tapa externa y el acero del cuerpo. La cubierta inferior posee un contacto tipo superficiesuperficie con el acero del cuerpo y tipo general con la base rígida, en la cual, impacta el contenedor..

(55) 55. Figura.-48 Geometría amortiguadores impacto. a) Figura.-49 Discretización amortiguador inferior de impacto.

(56) 56. 4.5.2 Cuerpo El cuerpo está compuesto por distintos componentes, como se muestra en la figura 50.. Figura.-50 Geometría Cuerpo. Entre los subcomponentes del cuerpo se encuentran: • Acero del cuerpo • Plomo del cuerpo • Acero tapa interna • Plomo tapa interna • Bulones tapa interna • Tapa externa • Bulones tapa externa.