Optimal finite elements method (FEM) model for the jib structure of a waterway dredger

Modelo óptimo por el método de los elementos finitos (MEF) para la estructura del plumín de una draga fluvial

En este artículo se presenta el desarrollo de un enfoque avanzado para el modelado y el análisis estructural de la estructura del plumín, que suele formar parte de las dragas de cangilones fluviales. El objeto de análisis es una estructura de pluma que se reconstruirá para la excavación de material en grano del lecho de un río. El objetivo principal de este artículo es demostrar las ventajas de un modelo de elementos finitos suficientemente sofisticado, es decir, "óptimo", para el análisis estructural de este tipo de estructuras, en comparación con los modelos simples, pero no adecuados. Se hace hincapié en el estado de tensión adecuado como condición principal, pero no única. Es necesario alcanzar un estado de servicio y durabilidad, así como unas circunstancias financieras de construcción asequibles.

INTRODUCCIÓN

La pluma de la draga (figura 1) debe satisfacer varios requisitos opuestos y su estructura es el resultado, en sentido ingenieril, de una solución de compromiso.

La capacidad de carga es su principal característica: evita el fallo, así como el estado límite de fluencia. Otro requisito es la rigidez al pandeo del plumín. Es posible que se produzcan pérdidas locales de estabilidad, teniendo en cuenta que se trata de una estructura de chapa de acero de paredes delgadas.

La capacidad de servicio proporciona las condiciones para la explotación real de una máquina. Está garantizada por una rigidez suficiente de la estructura y permite un funcionamiento ininterrumpido. La durabilidad en términos de funcionalidad es un requisito para mantener la capacidad de servicio durante el tiempo necesario [2].

Los requisitos mencionados anteriormente se contraponen a la necesidad de que la estructura de la pluma tenga una masa reducida, lo que debe proporcionar maniobrabilidad durante la explotación y el mantenimiento, así como eficiencia energética de la draga. Para responder a las exigencias de rentabilidad, también es necesario que la estructura del brazo sea lo más sencilla posible, con un mínimo de acero. 

Una etapa crítica en el proceso de cumplimiento de los requisitos enumerados es la selección del sistema de estructura, con un diseño detallado. La etapa siguiente es la selección de un modelo numérico fiable con capacidad para una simulación real del comportamiento de la estructura en diversas condiciones, lo que representa el tema principal de este trabajo.

Existe una relativa escasez de trabajos que aborden el análisis por elementos finitos de este tipo de estructuras [3-5]. Su principal característica es el uso de complejos modelos de elementos finitos para analizar componentes críticos de la estructura. Esta característica ha sido la principal motivación de los autores de este artículo para buscar formas alternativas de modelización avanzada de la estructura del plumín.