jueves, 13 de abril de 2023

El proceso de diseño

 El proceso de diseño

La complejidad de una planta industrial hace necesario el uso de sistemas informáticos que garanticen un diseño sencillo, rápido y que permitan agilizar la construcción o modificación de la planta. La idea inicial proporcionada por el cliente debe ser objeto de un estudio en profundidad. Se analizarán los aspectos más importantes del proyecto: desde los requisitos reglamentarios hasta los diferentes componentes a utilizar, hasta el estudio de costes y tiempos de construcción.



Por lo tanto, debe analizar en detalle e integrar con toda la información necesaria para el correcto posicionamiento de cada elemento dentro de la planta industrial, la idea proporcionada por el cliente. El primer paso es la realización del P&ID (Piping and Instrumentation Diagram), el esquema de proceso inicial en el que se basa todo el proceso de diseño.

Posteriormente, se realizará el estudio de la trayectoria de las tuberías, mediante el uso de un software de planta que garantizará un modelado tridimensional rápido, exacto y preciso.  Los diseñadores dispondrán entonces de una disposición física tridimensional con la que será posible identificar cada elemento y extraer los bocetos isométricos que contienen la lista de materiales, la lista de soldaduras y las mesas de corte necesarias para la siguiente fase de prefabricación.

Las herramientas de simulación

Al mismo tiempo, mostraremos la parte de simulación asociada de los componentes principales y la canalización de este modelado tridimensional.

La primera herramienta de simulación proporciona selección de diámetro, análisis térmico e hidráulico del flujo en estado estacionario para líquidos reales, gases y mezclas multifásicas (incluidos gas/líquido, aceite/agua y flujo de gas/aceite/agua considerando tapajuntas y condensación), en sistemas de tuberías de cualquier complejidad, incluidas las redes con bucles. También cubre el tipo más peligroso de flujo de transición relacionado con la sobretensión de líquido (golpe de ariete) y los cálculos de garantía de flujo, incluido el slugging severo y la predicción de la formación de hidratos de gas.

La segunda herramienta es tan inteligente que solo necesita usar la tubería del software de modelado 3D y presionar el botón "ejecutar análisis". El usuario debe pensar en el diseño de tuberías, no en la numeración de nodos, la creación de modelos, etc. Proporciona un análisis completo de la tensión de la tubería, flexibilidad, estabilidad y resistencia a la fatiga con cálculos de tamaño relacionados de acuerdo con los códigos y estándares internacionales y nacionales y le dirá si su modelo tiene algún problema y mostrará dónde exactamente.

La última proporciona análisis de resistencia y estabilidad de recipientes a presión para recipientes horizontales y verticales, columnas, tanques de almacenamiento, así como intercambiadores de calor refrigerados por carcasa, tubos y aire bajo cargas estáticas y sísmicas para evaluar la resistencia del rodamiento en estados de operación, prueba y ensamblaje.  También proporciona un análisis de elementos finitos de boquillas de recipientes arbitrarios para estimar su tensión, rigidez y cargas permitidas. Los resultados se pueden transferir automáticamente a la herramienta de análisis de tensión de tuberías.

Este seminario web presenta las herramientas de ESApro para el diseño de plantas y las herramientas PASS Suite asociadas para la simulación.

Agenda

  • Introduction (10 min)
  • Presentation of the various tools, including demo
    • ESApro P&ID, ESApro 3D Piping and ESApro Isometrics (25 min) by Francesco Pais
    • PASS/Hydrosystem (25 min) by Sergey Lisin
    • PASS/Start-prof (25 min) by Alex Matveev
    • ESApro Cable Trays and ESApro Cable Routing (10 min) by Francesco Pais
  •   Q&A (15 min)
  • Conclusion (5 min)

Nota:El original de esta información está en la página de Fluids & C°



Método de rigidez vs método de flexibilidad

 


Método de rigidez vs método de flexibilidad para el análisis de esfuerzos en la tubería

El ampliamente utilizado software de análisis de tensión en la tubería PASS/START-PROF  [1] utiliza los métodos de mecánica estructural para estructuras de vigas, ver [2], [3] y literatura similar. Se considera que el sistema de tuberías consiste en vigas rectas y curvas. Las vigas rectas son  tuberías, elementos rígidos y  válvulas, mientras que las vigas curvas son las  curvas (dobleces o codos)

Método de rigidez K*X=F

Tradicionalmente, la mayoría de los programas de análisis de tensión utilizan el método de rigidez directa K*X=F [2], [3]

K - Matriz de rigidez del elemento; 

X - Vector de desplazamiento (incógnitas);

F - Vector de carga.


Para el sistema de 4 grados de libertad (DOF, “degrees of freedom”) será:

La principal desventaja es el alto uso de memoria y la baja velocidad de cálculo para los modelos grandes. La ventaja es algoritmos muy fáciles y transparentes para la programación.

En el método de rigidez, los desplazamientos X (en lugar de las fuerzas) se toman como las cantidades desconocidas. Por este motivo, el método también se denomina método de desplazamiento. Los desplazamientos desconocidos X se obtienen resolviendo ecuaciones de equilibrio (en lugar de ecuaciones de compatibilidad) que contienen coeficientes en forma de rigideces K.

Método de flexibilidad A*F=D

El método de flexibilidad A*R=D [2], [3].

A - Matriz de flexibilidad de elementos; 

R - Vector de carga (incógnitas);

D - Vector de desplazamiento.

Para el sistema de 4 grados de libertad (DOF, “degrees of freedom”) será:



La ventaja del método de flexibilidad es que este método para sistemas similares a árboles como tuberías da varias veces menos incógnitas que el método de rigidez. La matriz es varias veces más pequeña. Y el tiempo de solución varias veces más rápido y requieren menos memoria. La principal desventaja del método de flexibilidad es un algoritmo muy complejo para la programación.

El método de flexibilidad se basa en la solución de ecuaciones de equilibrio y ecuaciones de compatibilidad. Siempre habrá tantas ecuaciones de compatibilidad como redundantes. Se llama método de flexibilidad porque las flexibilidades A aparecen en las ecuaciones de compatibilidad. Otro nombre para el método es el método de fuerza porque las fuerzas F son las cantidades desconocidas en las ecuaciones de compatibilidad.

Método combinado de rigidez y flexibilidad utilizado en START-PROF

PASS/START-PROF utiliza el método combinado de flexibilidad y rigidez [1]. Utiliza la matriz combinada y las incógnitas combinadas (desplazamientos en juntas de expansión y fuerzas de reacción en soportes). El método utiliza las ecuaciones:

A - matriz de flexibilidad de elementos (desplazamientos causados por fuerzas unitarias, aplicados a lo largo de la dirección de fuerzas desconocidas r);

K - matriz de rigidez del elemento (reacciones causadas por desplazamientos unitarios, aplicados a lo largo de la dirección de desplazamientos desconocidos x);

B - matriz de desplazamientos de fuerzas unitarias, aplicada a lo largo de la dirección de desplazamientos desconocidos x;

R - vector de fuerzas desconocidas; 

X - vector de desplazamientos desconocidos en juntas de expansión y puntos de corte del sistema de tuberías; 

D - vector de desplazamientos aplicados;

F - vector de fuerzas aplicadas.

Por ejemplo tenemos un marco de 4 nodos (a) con anclajes en los nodos 1 y 4, bisagra en el nodo 2 y fuerza aplicada en el nodo 3

a - modelo de marco, b - estructura primaria para el método de flexibilidad, c - estructura primaria para el método de rigidez

El sistema primario para el método de flexibilidad (b) se puede obtener quitando el ancla 4 y aplicando las cargas desconocidas r1, r2, r2. Será un sistema de consola desde el ancla 1. El nodo 2 asumido como rígido.

El sistema primario para el método de rigidez (c) será un sistema con la bisagra en el nodo c y desplazamiento desconocido x4.

El sistema de ecuación para resolver este problema será:

Los estados siguientes de la ecuación, que el momento en bisagra debe ser cero (fila más baja del sistema de ecuaciones):

Este método fue elegido en 1965 cuando se creó  PASS/START-PROF, debido a su menor uso de memoria y el tiempo de solución más rápido para los sistemas de tuberías típicos similares a árboles. Las máquinas modernas permiten lograr los resultados de los complejos sistemas de tuberías no lineales muy rápidamente.

Por ejemplo, tenemos el siguiente sistema:

En el software clásico de análisis de elementos finitos (FEA) con método de rigidez este sistema tendrá 78 incógnitas. La matriz K será de 78x78. Consume mucha memoria y necesita mucho tiempo para la solución:



En el método combinado de flexibilidad-rigidez PASS/START-PROF, este sistema tendrá tan solo 24 incógnitas. La matriz será 24x24 con los mismos resultados de análisis:

Se añadirán automáticamente los puntos de corte especiales A y B que rompen, dividen, el sistema de tuberías en 3 partes - "consolas":

marcador

En el método clásico de rigidez las condiciones límite son cero desplazamientos x en los nodos, donde colocamos los soportes. Si resolvemos el sistema de tuberías no lineal asumiendo alguna tolerancia predefinida, los desplazamientos en los puntos de soporte serán siempre ceros.

En el método de flexibilidad después de la solución matricial obtenemos las fuerzas desconocidas r en vez de los desplazamientos. Si resolvemos el sistema de tuberías no lineales asumiendo alguna tolerancia predefinida, las fuerzas de reacción de soporte r se obtendrán con cierta tolerancia. Después de la solución,  PASS/START-PROF calcula los desplazamientos en todos los nodos de cada consola, utilizando las fuerzas de reacción r. Los desplazamientos se obtendrán con cierta tolerancia también. Esto puede provocar que algunos soportes rígidos tengan desplazamientos distintos de cero, por ejemplo 0.5 mm. No es un problema, es sólo una tolerancia de solución. Suele suceder en sistemas que tienen unas consolas muy-muy largas.  No necesita ninguna acción del usuario.

Pero si desea aumentar la precisión de los desplazamientos, agregue los objetos marcador especial (M). Rompe, divide la consola larga en varias partes. 6 fuerzas de reacción desconocidas adicionales x se añaden en este punto y las consolas se vuelven más cortas.



Hoy en día, en las máquinas modernas, los principales beneficios del método de flexibilidad es una velocidad de análisis varias veces más rápida de cálculos no lineales de sistemas complejos y un bajo uso de memoria:



Referencias

  1. Magalif V., Yakobson  L. Pipe stress analysis on computers (Original PASS/START-PROF authors). Moscú, 1969
  2. Weaver W., Gere J. Matrix Analysis of Framed Structures
  3. Nagarajan P. Métodos de análisis estructural
Original publicado por Alex Matveev, DESARROLLADOR del software de análisis de tensión de tuberías (PASS/START-PROF)