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Cuando nos encontramos con una estructura o un dispositivo, ¿cómo diseñamos ese elemento? Este artículo aborda aspectos como el alcance del diseño basado en el análisis de esfuerzos, la presión de diseño, la temperatura, la determinación de las cargas, los parámetros de propiedades del material, la creación de modelos mecánicos, la evaluación de la resistencia al esfuerzo, la evaluación de la resistencia a la fatiga, los requisitos especiales para las pruebas de fabricación y la redacción de informes de análisis de esfuerzos. El objetivo es establecer normas generales para el proceso de diseño basado en el análisis de esfuerzos. 1. ¿Qué tipos de estructuras requieren un análisis de esfuerzos? Cuando una estructura o un recipiente a presión cumple con una de las siguientes condiciones, se puede realizar su análisis y diseño de acuerdo con la norma JB/T4732-1995 “Recipientes a presión de acero – Normas para el análisis y diseño” (confirmada en el año 2005), o bien según el Apéndice D de la norma GB/T12337-2014 “Tanques esféricos de acero”. Esto aplica a: a) Los recipientes a presión y sus componentes sometidos a cargas cíclicas, cuyas condiciones de uso no cumplen con los requisitos establecidos en el punto 3.10 de la norma JB/T4732; en tales casos, se debe realizar un análisis de fatiga y una evaluación de acuerdo con el Apéndice C de la norma JB/T4732 ； b) Para los recipientes a presión o componentes sometidos a presión cuyas dimensiones estructurales no pueden determinarse según la norma GB/T150, se deben utilizar métodos de análisis de esfuerzos, incluido el método de elementos finitos, para su diseño y evaluación ； c) Tras una evaluación integral basada en las condiciones de diseño del recipiente a presión, las propiedades del material, la dificultad de fabricación y los aspectos económicos, aquellos recipientes a presión que requieren un método de diseño analítico son, por ejemplo: reactores de alta presión de gran tamaño y recipientes a alta presión ； d) En el caso de tanques esféricos con diámetro grande o presión elevada, y teniendo en cuenta factores como la rentabilidad, al realizar el diseño mediante análisis de esfuerzos, se debe proceder según lo establecido en el Apéndice D de GB/T12337 ； e) Recipientes a presión para los cuales el propietario solicita un diseño con análisis de esfuerzos. 2. ¿Cómo determinar la temperatura de diseño, la presión y la carga? (1) La presión de diseño, la temperatura y la carga se determinan de acuerdo con las secciones 3.6.3.1, 3.6.3.2 y 3.6.3.3 de la norma JB/T4732, así como con las normas GB/T12337, GB/T151, NB/T47041 y NB/T47042. Si alguna de las cargas varía con el tiempo, se debe elaborar una curva de frecuencia de la carga para representar cómo varía cada carga específica a lo largo del tiempo. La curva de frecuencia de carga debe incluir el número de ciclos o periodos de tiempo correspondientes a todas las temperaturas y presiones de operación, así como a las cargas adicionales y a todos los procesos importantes que actúan sobre dicho componente. (2) Las cargas de diseño incluyen: presión interna, presión externa, cabeza de presión hidrostática, peso propio del recipiente (incluyendo la carga gravitacional de los materiales contenidos en él), cargas adicionales (equipos auxiliares, cargas externas en las tuberías, carga gravitacional de los accesorios externos, etc.), cargas cíclicas, fuerzas de reacción generadas por los elementos de soporte, cargas debidas a diferencias de temperatura, cargas por viento, cargas sísmicas, cargas por nieve, entre otras. 3. ¿Cómo obtener los parámetros de propiedades del material? (1) El módulo de elasticidad del material, el coeficiente de Poisson, el coeficiente de expansión térmica, la conductividad térmica, la difusión térmica, la densidad y la capacidad calorífica, entre otros, deben seleccionarse de acuerdo con las normas GB/T150, GB/T151, ASME Volumen II, Sección D, así como otras normas relevantes. (2) Método para determinar la tensión admisible: a) En el caso de estructuras locales diseñadas mediante el “método de diseño analítico”, la tensión admisible del material de los elementos sometidos a compresión se determina de acuerdo con las especificaciones establecidas en GB/T150.2 ； b) La estructura en su conjunto está diseñada según el “método de análisis y diseño”; la resistencia al esfuerzo del material de los elementos sometidos a compresión se determina de acuerdo con las especificaciones establecidas en JB/T4732 ； c) Para el diseño de tanques esféricos según el “método de análisis y diseño”, los valores de la resistencia al esfuerzo deben seleccionarse de acuerdo con lo establecido en el Apéndice D de la norma GB/T12337 ； d) Cuando se utilicen materiales de marcas extranjeras, la tensión admisible o la resistencia de diseño deben calcularse de acuerdo con las normas GB/T150.1 (para estructuras locales diseñadas mediante métodos analíticos) o JB/T4732 (para estructuras completas diseñadas mediante métodos analíticos). Dichos valores no deben ser superiores a los valores de tensión admisible establecidos en las normas correspondientes para recipientes a presión de ese país extranjero. (3) Las curvas de esfuerzo-deformación pueden seleccionarse según lo indicado en el Apéndice 3.D de la norma ASME VIII-2. Esto incluye las curvas de esfuerzo-deformación elástico e idealmente plástico, así como las curvas reales que tienen en cuenta el endurecimiento por deformación. También se incluyen las curvas de esfuerzo-deformación cíclico y las curvas estables de amplitud de esfuerzo-deformación. 4. ¿Cómo se establece un modelo mecánico? Se extrae el modelo mecánico de la estructura a partir de conocimientos básicos como la mecánica elástica, la teoría de placas y conchas, la mecánica plástica y el método de elementos finitos, así como de las características de la estructura y las condiciones de carga. Para determinar la naturaleza del problema a analizar, se puede seguir lo siguiente: a) En las ecuaciones de equilibrio, las relaciones entre esfuerzo y deformación, las relaciones entre deformación y desplazamiento, las condiciones de contorno y las condiciones de conexión, si en cualquiera de estas relaciones aparecen términos no lineales entre las variables, entonces se trata de un problema no lineal ； b) Solo cuando todas las variables y relaciones son independientes del tiempo, se puede considerar que se trata de un problema estático ； c) Cuando existe un gran gradiente de temperatura en la estructura (incluyendo el gradiente espacial y temporal de temperatura), se deben realizar análisis de conducción térmica y análisis de esfuerzos térmicos. Cuando la tensión térmica es muy pequeña o no constituye una fuerza importante en comparación con otras tensiones, entonces no es necesario tenerla en cuenta ； d) Cuando el material sufre deformaciones plásticas locales, se puede seguir realizando el diseño según los principios del análisis elástico ； Cuando el material sufre una deformación plástica a gran escala, debe tratarse como un problema plástico o elastoplástico. 5. ¿Cómo se puede simplificar un modelo? Las estructuras complejas se simplifican, según las características geométricas de sus partes y la distribución de las cargas, en elementos típicos como barras, vigas, placas, conchas y bloques ； Cuando la estructura del modelo tridimensional analizado y las cargas son completamente simétricas, se puede simplificar a una estructura bidimensional en plano ； Cuando la estructura satisface las condiciones de simetría periódica, se puede establecer un modelo 1/n (donde n es el número de periodos), entre otros. La simplificación del modelo se realiza con el objetivo de garantizar, en la medida de lo posible, la fiabilidad de los resultados del análisis en las posiciones de interés. 6. ¿Cómo elegir una celda? Para las simulaciones numéricas por elementos finitos realizadas con ANSYS Mechanical APDL, se debe dar prioridad al uso de tipos de elementos con nodos intermedios. Para el análisis de esfuerzos, el análisis de fatiga, etc., se prefieren las celdas avanzadas tridimensionales Solid186 (las celdas correspondientes para temperaturas son Solid90); cuando la cantidad de elementos en la malla de cálculo es grande, también se pueden utilizar las celdas menos avanzadas Solid185 (las celdas correspondientes para temperaturas son Solid70) ； Para el análisis de flexión, el análisis de carga límite, el análisis modal, etc., se prefiere utilizar las celdas de tipo Shell181 ； Para estructuras bidimensionales en plano, se prefiere el elemento plano Plane82 ； Para las estructuras de vigas, se prefiere utilizar la unidad de viga Beam189 ； Al realizar el análisis de contacto, se prefieren las celdas de contacto Conta173 y las celdas de objetivo Targe170 ； Para las arandelas, se prefiere utilizar las unidades de arandela Inter195 ； Para las unidades de calidad, se prefiere Mass21 ； La selección de las unidades restantes se puede consultar en el archivo de ayuda de ANSYS14.5. Según las características estructurales, también se pueden seleccionar diferentes unidades para combinarlas. Para otros programas de simulación por elementos finitos, el tipo de elemento se selecciona siguiendo los principios mencionados anteriormente. 7. ¿Cómo se realiza la división en cuadrículas? (1) Para las estructuras tridimensionales sólidas, se prefiere utilizar una malla hexagonal ； En las estructuras de capas o estructuras bidimensionales, se prefiere utilizar una malla de cuadriláteros. La relación entre los lados de la unidad ideal es 1; para las unidades aceptables, este rango es menor a 3 para las unidades lineales y menor a 10 para las unidades cuadráticas. (2) Al dividir el modelo en cuadrículas, es necesario asegurarse de que los bordes de los elementos adyacentes del modelo de múltiples cuerpos compartan nodos ； Si los tipos de elementos utilizados en los cuerpos adyacentes tienen grados de libertad diferentes, se pueden coordinar dichos grados de libertad mediante métodos como las ecuaciones de restricción, el método de restricciones múltiples (MPC), el método de superposición de rigideces, el método de elementos compuestos o el método de acoplamiento de carcasas ortogonales. Para los ensamblajes, generalmente es necesario definir pares de contacto. (3) Al considerar la eficiencia económica de la red, se debe garantizar la fiabilidad de los resultados del cálculo en red. La práctica habitual es duplicar la densidad de la malla original; si la diferencia entre los resultados de los dos cálculos es inferior al 3%, entonces se puede considerar que la densidad de la malla original es fiable ； De lo contrario, se debe modificar nuevamente la densidad de la malla y repetir el proceso hasta que dicha densidad cumpla con los requisitos de fiabilidad. 8. ¿Cómo se aplican las cargas y las condiciones de contorno? Las condiciones de combinación de cargas de diseño y de prueba se determinan según la tabla 3-3 de la norma JB/T4732. El análisis de esfuerzos para las condiciones de carga de los tanques esféricos de diseño se realiza de acuerdo con la sección D.4.3 del apéndice de la norma GB/T12337. La combinación de condiciones de carga que deben analizarse también depende de la situación real; si durante el funcionamiento se presentan varias condiciones, estas deben analizarse una por una. La aplicación de las condiciones de contorno debe cumplir con las verdaderas restricciones estructurales: a) Condiciones de carga: definir la ubicación, dirección y magnitud de las cargas en los nodos del modelo, las cargas en los bordes de las celdas, las fuerzas superficiales, las fuerzas volumétricas y las cargas térmicas ； b) Condiciones de frontera térmica: Definir la posición, el tamaño o las reglas de acción de la temperatura de los nodos en el modelo, así como del intercambio de calor por conducción, convección y radiación ； c) Condiciones de restricción de desplazamiento: Establecen que los desplazamientos de los nodos y de sus grados de libertad en el modelo están sujetos a ciertas restricciones, así como al tipo y magnitud de dichas restricciones ； d) Otras condiciones de contorno: Definir otras condiciones de contorno utilizadas para el análisis, como las grados de libertad principales y secundarios del modelo, los grados de libertad de conexión o los grados de libertad de movimiento. 9. ¿Cómo se realiza la evaluación de la intensidad de esfuerzo? a) Una vez completado el análisis de esfuerzos por elementos finitos, la ruta personalizada debe ser perpendicular a las líneas de igual intensidad del componente de esfuerzo más alto. Además, dicha ruta debe ser perpendicular al plano medio de la sección transversal, a fin de obtener una precisión similar. Al linearizar los esfuerzos a lo largo de esa ruta, se pueden determinar los esfuerzos en la membrana, los esfuerzos de flexión, los esfuerzos tanto en la membrana como por flexión, el valor máximo de esfuerzo y el esfuerzo total. b) La clasificación de las tensiones se realiza según las tablas 4-1 y 5-3 de la norma JB/T4732. Los diseñadores determinan las características de la tensión en las membranas (tensión global primaria o tensión local primaria) y de la tensión por flexión (tensión por flexión primaria o tensión secundaria), tomando en consideración factores como el grado de influencia que la tensión tiene en la falla en la resistencia del recipiente, la zona donde actúa la tensión y su distribución, las causas que generan dicha tensión, y su impacto en la falla. c) El valor del límite de resistencia al esfuerzo se determina según las secciones 5.2 y 5.3, así como la tabla 5-1 del estándar JB/T4732. El coeficiente de combinación de cargas se obtiene de la tabla 3-3 del mismo estándar. d) Para la tensión en la película local en el extremo más pequeño de la concha cónica, se debe utilizar un valor de control que sea 1,1 veces la intensidad de tensión de diseño ； Para aberturas grandes, en la posición en la que el ángulo entre la base de la conexión y el eje longitudinal del casco es de 90 grados, la tensión de flexión debe considerarse como una tensión principal. 10. ¿Cómo se realiza la evaluación de la resistencia al cansancio? a) El cálculo de la amplitud de la intensidad de las tensiones alternas, Salt, se divide en dos casos: cuando las direcciones de las tensiones principales en el punto considerado permanecen constantes a lo largo del ciclo, y cuando estas direcciones cambian. Se realiza el cálculo según lo indicado en la sección C.2.1 del apéndice C de JB/T4732. Para ello, solo es necesario tener en cuenta las tensiones generadas por los ciclos de operación especificados; no es preciso considerar las tensiones que provienen de cargas o condiciones de temperatura que no cambian durante el ciclo. b) Aplicaciones en el diseño de curvas de fatiga, de acuerdo con lo establecido en C.2.2 del apéndice C de JB/T4732. c) Daño acumulativo: Cuando existen dos o más ciclos de esfuerzo significativos, se debe calcular el efecto del daño acumulado por fatiga según el método especificado en la sección C.2.4 del apéndice C de JB/T4732. d) La resistencia a la fatiga de los pernos se determina según lo indicado en C.5 del apéndice C de JB/T4732. e) La verificación de la resistencia al cansancio se realiza de acuerdo con lo establecido en C.2.2 c) del apéndice C de JB/T4732. Si los componentes reemplazables, como los pernos, tienen una vida útil diferente a la del recipiente, en los planos de diseño debe especificarse claramente la vida útil de dichos pernos. 11. ¿Qué requisitos especiales de inspección durante la fabricación son necesarios para el diseño de estructuras y recipientes en el análisis de esfuerzos? La fabricación y inspección de los recipientes deben cumplir con las normas JB/T4732, GB/T12337 y otras normas relacionadas. Además, los documentos de diseño deben especificar claramente los siguientes requisitos, aunque no se limitan a ellos: a) En el caso de los recipientes a presión diseñados para ser sometidos a análisis de fatiga (con cargas cíclicas), las superficies internas y externas de las uniones soldadas de tipo A y B deben estar al mismo nivel que la superficie del material base; no se permite dejar resaltos en dichas superficies. b) En el caso de los recipientes a presión diseñados mediante análisis de fatiga (con cargas cíclicas), no se permite aplicar el sello del soldador; la empresa fabricante debe establecer un método alternativo para verificar la identificación del soldador. c) Las uniones soldadas de las categorías A y B deben someterse a un control por rayos X o ultrasonidos al 100%, según los métodos especificados en los planos. En el diseño estructural, se debe tener en cuenta la viabilidad de dichos controles. d) Los pernos con un diámetro mayor que M36 deben someterse a inspección por partículas magnéticas o por penetración. 12. ¿Cómo redactar un informe de análisis de esfuerzos? Un informe completo de análisis de esfuerzos debe incluir lo siguiente: a) Análisis de cargas: parámetros de diseño, diagramas del equipo, datos de propiedades del material ； b) Cálculo de la resistencia de las piezas principales ； c) Análisis estructural y modelo mecánico: parámetros geométricos de la estructura, modelo de elementos finitos, cargas y condiciones de contorno ； d) Resultados del análisis de esfuerzos ； e) Evaluación de la resistencia al esfuerzo ； f) Evaluación de la resistencia al cansancio (para recipientes a presión sometidos a esfuerzos por fatiga): recipientes a presión (excepto los pernos), pernos ； g) Conclusión ； h) Descripción técnica principal ； i) Apéndice: datos de linearización de las tensiones en el camino, cálculos de los soportes o cálculos de las piezas diseñadas según el “método de diseño por reglas”, entre otros. Estas son algunas de las opiniones personales del autor; es inevitable que haya errores, así que ¡todos están invitados a discutirlas!