Cómo diseñar componentes para la fatiga termomecánica


fadiga termomecânica

Figura 1. Simulación térmica de un colector de escape

Las tendencias del sector exigen que los componentes se vuelvan más ligeros, más pequeños y eficientes.

Para los ingenieros, esto se traduce en: “¿Ha recibido mi informe acerca del aumento de las cargas termomecánicas mientras reducimos el volumen o peso de la pieza? Sí, voy a necesitar de su ayuda para lograrlo.”

El desafío es que estas cargas afectan la durabilidad general del componente debido a la fatiga termomecánica (TMF). Como resultado, mantener las cargas constantes, incluso aumentarlas, mientras que el diseño (volumen o peso) de una pieza es más pequeña, no es tarea fácil.

Desafortunadamente, no es posible luchar contra el mercado, ya que numerosas industrias están siguiendo esta tendencia. Por ejemplo, mire a la industria electrónica que está siempre aumentando la densidad de energía de sus productos, los cuales son cada vez más pequeños.

Mientras tanto, el sector de transportes está exigiendo más eficiencia de sus turbocompresores, mientras mantiene que los vehículos se vuelven más ligeros.

Afortunadamente, la simulación puede desempeñar un papel crucial en la aceleración del proyecto y la prueba de componentes que están sometidos a TMF.

ANSYS ofrece una solución de alta fidelidad para predecir el fenómeno multifísico inherente asociado a TMF.

Vamos a profundizar un poco más en la industria de la energía térmica, donde las tendencias están apuntando a las centrales de energía ultra-supercríticas. Estas plantas están diseñadas para, (usted está en lo cierto) aumentar la eficiencia y reducir las emisiones.

Simulação de estresse

Figura 2. Simulación de estrés para un colector de escape

La Ruta Tecnológica de la IEA: Alta Eficiencia, Baja Emisión y Generación de Energía en base al Carbón nos dice que esas nuevas fabricas necesitan operar a temperaturas de pico de vapor, tal vez por encima de 700 ° C (1290 ° F).

Además, estas centrales también deben operar con un factor de carga que puede variar significativamente debido a la mayor contribución de energía renovable a la red. La moraleja de la historia es que estos requisitos también están asociados a un mayor riesgo de TMF.

La tesis de John Shingledecker: Efectos Metalúrgicos en la Ruptura a Largo Plazo en una nueva aleación a base de níquel muestran que las aleaciones convencionales no son capaces de cumplir con los requisitos de diseño de estas condiciones termo-mecánicas.

En cambio, las aleaciones resistentes al calor como las basadas en níquel, se utilizan en regiones críticas para cumplir con los requisitos de diseño. Desafortunadamente, estas aleaciones pueden llegar a ser más caras.

El desafío de ingeniería se convierte entonces en el diseño de componentes (como calderas, turbinas, válvulas y tuberías) que minimizan el uso de estos materiales caros sin sacrificar la función bajo las condiciones normales de operación del equipo.

El ingeniero también necesita determinar cómo los componentes responden a las condiciones fuera de la operación normal, como las condiciones de potencia extrema.

Las simulaciones de ANSYS le permiten resolver la distribución de temperatura con alta fidelidad considerando todos los mecanismos del flujo de calor. Por ejemplo, con nuestros productos de dinámica de fluidos computacional (CFD), usted puede analizar una transferencia de calor conjugada (CHT) de forma detallada, donde todos los efectos de fluidos y efectos térmicos se consideran. Los usuarios también tienen acceso a modelos que pueden evaluar combustión, turbulencia, múltiples fases, radiación y mucho más.

Alternativamente, también es posible realizar un análisis térmico más simple con ANSYS Mechanical. En ese caso no se resuelve el flujo. En su lugar, toma los coeficientes de transferencia de calor en las interfaces de fluido. Para aumentar la precisión, sin embargo, usted puede determinar los coeficientes de transferencia de calor de las simulaciones de CFD.

El comportamiento final de la temperatura en régimen transitorio es mapeado en el análisis estructural para ver cómo el componente se comporta en respuesta a las cargas térmicas y mecánicas. El esfuerzo desarrollado para un conjunto de ciclos representativos (como se muestra en las Figuras 1 y 2) se utiliza para calcular dónde ocurre el daño local y la vida útil del componente.

Fluxo de trabalho ANSYS

Figura 3. Flujo de trabajo de ANSYS para ejecutar un análisis de TMF.

Las soluciones de alta precisión y simplificación de ANSYS para TMF, como se muestra en la Figura 3, se utilizan en todos los segmentos de la industria para desarrollar diseños innovadores utilizando nuevos materiales bajo condiciones adversas en menos tiempo.

Para saber más sobre cómo se hacen estas simulaciones, echa un vistazo al whitepaper abajo sobre la fatiga termomecánica.


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