【Análisis y diseño según ASME】Requisitos y pasos del análisis y diseño según ASME

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La última edición de este mensaje fue realizada por B0SS el 11-4-2018 a las 20:44. Las normas de análisis y diseño ASME se basan principalmente en los diferentes modos de fallo de una pieza. Para determinar la seguridad de una pieza, es necesario considerar los siguientes 4 modos de fallo, y todos ellos deben ser evitados: 1) Evitar el colapso plástico. 2) Evitar el fallo local. 3) Evitar la inestabilidad. 4) Evitar el fallo debido a cargas cíclicas. 1. ¿Evitar el colapso plástico? Existen tres métodos para evitar el colapso plástico de una estructura: 1) Análisis de esfuerzos elásticos ； 2) Análisis de carga límite ； 3) Análisis de esfuerzos elastoplasticos. 1) El análisis de esfuerzos elásticos para evitar la colapso plástico de las piezas requiere evaluar tres tipos de esfuerzos: el esfuerzo global en la membrana (Pm), el esfuerzo local en la membrana (PL) y el esfuerzo resultante de la flexión de la membrana (PL+Pb). Para Pm, generalmente se garantiza mediante cálculos convencionales; por lo tanto, solo es necesario evaluar los dos tipos de esfuerzos restantes. En muchos casos, resulta difícil distinguir entre PL+Pb, por lo que se tiende a clasificarlos como esfuerzos secundarios (Q), lo cual puede llevar a decisiones arriesgadas que afecten la seguridad de la estructura. Cabe señalar que, al evaluar las tensiones secundarias, es necesario utilizar las tensiones determinadas mediante el análisis de las condiciones de operación ； La norma ASME utiliza la cuarta teoría de la resistencia: la teoría de la energía específica por cambio de forma, mientras que JB/T4732 emplea la tercera teoría de la resistencia: la teoría de la tensión de cizallamiento máxima. 2) Análisis de carga límite: La norma ASME VIII-2 ha introducido el método de diseño basado en factores de carga y resistencia (Load and Resistance Factor Design, LRFD), y lo ha aplicado al análisis de carga límite y al análisis elástico-plástico. Ya no se utiliza la doble pendiente elástica como criterio de evaluación. Según las combinaciones de cargas y los coeficientes de carga del análisis de carga límite en la Tabla 5.4, se distinguen las siguientes combinaciones de condiciones de carga: Combinación de condiciones de carga 1: criterio general; Combinación de condiciones de carga 2: criterio local; Combinación de condiciones de carga 3: condiciones de prueba hidráulica. Al realizar el análisis, es necesario considerar la combinación de cargas y los coeficientes correspondientes a cada condición de funcionamiento. Solo cuando se logre una solución convergente para cada condición, se puede considerar que el análisis de la carga límite de la estructura es satisfactorio. 3) Análisis de esfuerzos elastoplasticos. El análisis de esfuerzos elastoplasticos también incorpora el diseño de coeficientes de carga y resistencia. Según la tabla 5.5 de ASME VIII-2, las combinaciones de cargas y los coeficientes de carga que se deben considerar para el análisis de esfuerzos elastoplasticos son: criterios globales, criterios locales y condiciones de prueba hidráulica. Mientras la suma de las deformaciones de conformación de todas las unidades y la deformación plástica equivalente total sea menor o igual al límite de deformación triaxial, la estructura se encuentra en estado seguro. La comparación entre el análisis elástico y el análisis elastoplastico es la siguiente: (1) El análisis de esfuerzos elásticos es un análisis lineal; el material se encuentra siempre dentro del rango de elasticidad lineal. Se utiliza la teoría de deformaciones pequeñas, y la matriz de rigidez no cambia con las deformaciones de la estructura. Los resultados obtenidos son los esfuerzos y deformaciones nominales ； El análisis de esfuerzos elasto-plásticos es un tipo de análisis no lineal de materiales y geometría, que requiere la introducción de curvas reales de esfuerzo-deformación, teniendo en cuenta el fortalecimiento por deformación del material. Durante el proceso de resolución iterativa, la matriz de rigidez de la estructura se actualiza continuamente a medida que esta se deforma, lo que permite establecer nuevas ecuaciones de equilibrio. De este modo, los valores de esfuerzo y deformación obtenidos son más cercanos a los valores reales en la práctica ingenieril. (2) En el proceso de resolución, el análisis de esfuerzos elásticos es relativamente sencillo; basta con aplicar las cargas correspondientes ； Por su parte, la configuración del análisis de esfuerzos elástico-plásticos es algo más compleja; es necesario establecer varios parámetros no lineales para garantizar la convergencia de la estructura. Entre estos parámetros se encuentran: el paso de tiempo, la opción para deformaciones grandes, la búsqueda lineal, las opciones de Newton-Raphson, el tamaño automático del paso de tiempo, la predicción del paso de tiempo y la forma en que se aplica la carga. (3) En el proceso de postprocesamiento, el análisis de las tensiones elásticas requiere que se defina un camino personalizado; posteriormente, se realiza la evaluación de la intensidad de la tensión tras linearizar dicha tensión a lo largo del camino. Por su parte, la linearización de las tensiones está estrechamente relacionada con la división de la malla y con el operador, presentando una gran variabilidad aleatoria. En situaciones donde la tensión es bastante compleja, es posible que no sea posible clasificarla con precisión según sus categorías, lo que puede llevar a tomar decisiones precipitadas ； El análisis de esfuerzos elasto-plásticos elimina la necesidad de linearizar los esfuerzos y de clasificarlos. Es necesario realizar cálculos y comparaciones relacionados con el límite de deformación multiaxial, la deformación plástica equivalente total y la deformación durante la formación de la estructura, de acuerdo con las normas ASME. El proceso de análisis es relativamente más complejo que en el caso del análisis de esfuerzos elásticos. (4) Puntos clave de atención: El análisis de esfuerzos elásticos se centra en la intensidad de los esfuerzos en la estructura, así como en las componentes de esfuerzo después de su linearización ； Por su parte, el análisis de esfuerzos elástico-plásticos se centra en determinar si los cálculos convergen, si las curvas que representan los esfuerzos, deformaciones y deformaciones plásticas son suaves a lo largo del tiempo de carga, así como en valores como el límite de deformación multiaxial, la deformación plástica equivalente total y la deformación necesaria para dar forma a la estructura. Esto se debe principalmente a que los dos métodos utilizan criterios diferentes para evaluar los resultados de los cálculos: el primero emplea criterios basados en la clasificación de las tensiones, mientras que el segundo utiliza criterios basados en el límite de deformación local. (5) En la mayoría de los casos, el tratamiento lineal de las secciones críticas en el análisis de esfuerzos elásticos se ve obligado a convertirse en una evaluación de si en ciertas zonas específicas se generan bisagras plásticas (a menos que se trate de un modelo axial simétrico o situaciones similares). No es posible determinar si toda la sección entra en estado plástico; sin embargo, el hecho de que la estructura presente un número limitado de bisagras plásticas no conectadas no impide que continúe soportando cargas. El análisis de esfuerzos elasto-plásticos tiene en cuenta la redistribución de los esfuerzos causada por la deformación, lo que permite simular de manera intuitiva el fenómeno en el que las bisagras plásticas forman mecanismos geométricamente variables. Por lo tanto, el análisis de esfuerzos elásticos es más conservador que el análisis de esfuerzos elasto-plásticos; sin embargo, este último requiere más tiempo y exige un hardware informático más potente. 2. ¿Prevenir fallos locales? Para prevenir la falla local de las estructuras, se pueden utilizar el análisis elástico y el análisis elastoplastic. 1) Para el análisis elástico, basta con que la suma algebraica de las tres tensiones sea menor que 4S. 2) En el análisis elastoplastico, es necesario asegurarse de que, para cada combinación de cargas, la suma de las deformaciones locales de todas las unidades y la deformación plástica equivalente total sea menor o igual al límite de deformación tridimensional; de esta manera, la estructura se encuentra en condiciones seguras. 3. ¿Prevenir la inestabilidad? Se realiza un análisis numérico de la estructura para determinar su carga de plegamiento. Al dividir esta carga entre la carga de seguridad correspondiente, se obtiene la presión externa admisible para la estructura. Los métodos utilizados son el análisis de valores propios y el análisis no lineal. El análisis de valores propios pertenece al análisis de flexión lineal, y en realidad no es práctico. En cambio, el análisis no lineal incluye la no linealidad geométrica, la no linealidad del material, la no linealidad de las condiciones de contorno o el análisis de contacto, lo cual es más acorde con la realidad ingenieril. 4. ¿Prevenir fallos por bucle? 1) En realidad, existen dos tipos de inestabilidad en la evaluación de los engranajes de rueda dentada: durante los ciclos repetidos de carga, se produce una deformación plástica alternativa en cada área afectada. Cuando esto ocurre, no se cumple la condición de estabilidad, lo que conduce a la fatiga plástica. Esta situación provoca la destrucción en un tiempo muy breve; a esto se le denomina destrucción por fatiga de baja frecuencia. Otra forma es cuando la deformación plástica no ocurre de manera alternada, sino de forma acumulativa; a esto se le denomina efecto rueda dentada. La destrucción se denomina destrucción por deformación plástica acumulativa. Cuando solo existe un conjunto de cargas que actúan de forma repetida, no se produce el fenómeno de rueda dentada. Para un equipo, la evaluación de la rueda dentada es necesaria, ya sea que se trate de un equipo sometido a fatiga o no, siempre y cuando haya operaciones de arranque y parada. La evaluación de la rueda dentada se realiza bajo condiciones de operación reales, y lo que se evalúa es una cantidad relacionada con la amplitud. Es similar a la evaluación de la fatiga; los resultados de esta evaluación sirven como coeficiente para la evaluación de la fatiga (coeficiente de daño por fatiga). Si se cumple la condición de ser menor que Sps, el coeficiente de pérdida por fatiga puede tomarse como 1 al realizar el análisis de fatiga; de lo contrario, es necesario modificar dicho coeficiente. En ausencia de estrés térmico (o cuando no se considera que exista un estrés térmico significativo), la combinación de la primera y segunda tensión aplicadas a las piezas debe ser menor o igual a Sps. Una vez que es mayor, se considera que ocurrirá un efecto de trinquete, es decir, inestabilidad. En presencia de estrés térmico, existen dos situaciones: en una de ellas, la tensión generada por todas las cargas, incluida la carga térmica, es menor que Sps; en este caso, no hay diferencia con la primera situación. Cuando se incluye una carga térmica y el valor es mayor que Sps, se puede realizar una evaluación por separado: en las condiciones sin carga térmica, el valor debe ser menor que Sps, y es necesario evaluar por separado la tensión térmica generada por dicha carga. Al utilizar este método, es necesario limitar el número de veces que se utiliza el equipo; de lo contrario, este se convierte en un equipo fatigado. El principio en el que se basa generalmente la evaluación de esfuerzos secundarios es la evaluación de tipo rueda dentada. En concreto, cuando no hay carga térmica, utilizar la presión y temperatura de diseño para evaluar las tensiones secundarias resulta ser un enfoque conservador en muchos casos, ya que la temperatura y presión de diseño suelen ser más estrictas que las condiciones de operación ； Cuando existen esfuerzos debidos a diferencias de temperatura, generalmente se utiliza el método de cálculo basado en las condiciones de operación para determinar los esfuerzos causados por la temperatura y otras cargas mecánicas. En tales casos, es necesario seguir estrictamente el método de evaluación propio de los engranajes rueda dentada. 2) Evaluación de la fatiga: El análisis de la fatiga se divide en análisis elástico y análisis elastoplastico. Por lo general, se realiza un análisis de esfuerzos en condiciones cíclicas, con el fin de determinar el valor de amplitud del esfuerzo. A continuación, se realizan las correcciones correspondientes a ese valor de amplitud, y se consulta la curva de fatiga correspondiente para obtener la vida útil en estado de fatiga de la estructura. Cuando existen dos o más ciclos de estrés significativos, se debe calcular el efecto del daño acumulado por fatiga. En la nueva versión de la norma ASME 2017, se introdujo el análisis de equipos para altas temperaturas según ASME NH. Se proporcionan métodos de diseño para el análisis de la fluencia y de la fluencia-fatiga, lo que permite que la norma AMSE VIII-2 pueda realizarse análisis de fluencia-fatiga. De este modo, la tecnología utilizada se vuelve más avanzada y sofisticada.