Gemelo digital de una estructura análoga a la bancada de una prensa para la predicción de su vida útil remanente a fatiga
Fecha
2021-11-22Autor
Amilleta Urkiri, Iñaki
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El propósito de este Trabajo Fin de Máster es desarrollar y demostrar la validez de un gemelo digital para la predicción de la vida útil remanente de una estructura análoga a la bancada de una prensa, cuyo modo de fallo es la iniciación y propagación de grietas ocasionadas por la fatiga. Para ello, en primer lugar, se diseña y optimiza la estructura simplificada de modo que su geometría y modo de fallo sean representativas de la prensa real, y a su vez, sea ensayabe con los medios disponibles. También se propone una sensorización para la monitorización de la estructura, que permitirá alimentar al gemelo digital.
En cuanto a las metodologías implementadas, la fase de iniciación de grieta se calcula siguiendo los estándares “DNVGL-ST-0361” [1] y “Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components” [2] de la IIW (International Institute of Welding), mediante la acumulación de daño por Palmgren-Miner. Asimismo, la propagación de fisura se estima de acuerdo con las directrices de la norma BS 7910:2013+A1:2015 [3] sobre métodos para evaluar la admisibilidad de grietas en estructuras metálicas, mediante la integración de la ley de Paris, partiendo de una grieta inicial postulada hasta la fractura predicha en base al Diagrama de Evaluación de Fallos.
Por su parte, el gemelo digital, implementado en lenguaje Python, realiza predicciones considerando especialmente las uniones soldadas críticas de la estructura. Este, consta de tres módulos principales:
1) Sensorización virtual para la estimación de tensiones en zonas críticas partiendo de deformaciones de puntos remotos.
2) Módulo de iniciación para calcular el tiempo hasta la aparición de una fisura en los puntos críticos de las soldaduras previamente especificadas, es decir, la vida de iniciación.
3) Módulo de propagación para la predicción de la vida remanente de la estructura hasta la fractura, mediante el cálculo de la propagación de las potenciales grietas.
Finalmente, se realizan una serie de simulaciones que contemplan diversos escenarios de actualización de tamaño de grieta por parte del usuario/a, incertidumbre de las medidas experimentales, etcétera, con el propósito de demostrar la validez del gemelo digital. Master Amaierako Lan honen asmoa, prentsa baten bankadaren egitura
analogo baten gainerako bizitza erabilgarriaren aurreikuspenerako biki digital bat
garatzea eta bere baliotasuna frogatzea da, zeinaren hutsegite era nekeak eragindako
arrakalen hasiera eta hedapena den. Horretarako, lehenik eta behin, egitura
sinplifikatua diseinatzen eta optimizatzen da bere geometria eta huts egiteko modua
benetako prentsaren adierazgarri izan daitezen, eta, aldi berean, eskura dauden
baliabideekin entseguak egin ahal izan daitezen. Egitura monitorizatzeko sentsorizazio
bat ere proposatzen da, biki digitala elikatuko duena.
Ezarritako metodologiei dagokienez, pitzaduraren hastapen-fasea IIW-ren
(International Institute of Welding) "Recommendations for Fatigue Design of Welded
Joints and Components" [2] eta "DNVGL-ST-0361" [1] estandarren arabera kalkulatzen
da, Palmgren-Minerren min metatzearen bidez. Era berean, pitzaduren hedapena
metalezko egituretan arrakalen onargarritasuna ebaluatzeko metodoei buruzko BS
7910:2013+A1:2015 [3] arauaren jarraibideen arabera kalkulatzen da, Parisen legea
integratuz, hasieran ezarritako pitzadura batetik abiatuta, Akats Ebaluazio Diagraman
oinarrituta aurreikusitako hausturaraino.
Bere aldetik, biki digitalak, Python lengoaian inplementatua, aurreikuspenak
egiten ditu, bereziki egituraren lotura soldatu kritikoak kontuan hartuz. Honek, hiru
modulu nagusi ditu:
1) Sentsorizazio birtuala, gune kritikoetako tentsioak estimatzeko, urrutiko
puntuen deformazioetatik abiatuta.
2) Hasierako modulua, aurrez zehaztutako soldaduren puntu kritikoetan pitzadura
agertu arteko denbora kalkulatzeko, hau da, hastapeneko bizitza.
3) Hedapen modulua, hausturara arte egituraren gainerako bizitza erabilgarriaren
aurreikuspenerako, pitzadura potentzialen hedapena kalkulatuz.
Azkenik, simulazio multzo bat egiten da, erabiltzaileak arrakalen tamaina
eguneratzean, neurri esperimentalen ziurgabetasunean eta abarretan hainbat egoera
kontuan hartuta, biki digitalaren baliozkotasuna frogatzeko helburuarekin. The purpose of this Master's Thesis is to develop and demonstrate the validity of
a digital twin for the prediction of the remaining useful life of a structure analogous to
the bed of a press, whose failure mode is the initiation and propagation of cracks caused
by fatigue. To this end, firstly, the simplified structure is designed and optimised so that
its geometry and failure mode are representative of the real press and, in turn, can be
tested with the means available. A sensor system is also proposed for monitoring the
structure, which will allow the digital twin to be fed.
Regarding the methodologies implemented, the crack initiation phase is
calculated following the standards “DNVGL-ST-0361” [1] and "Recommendations for
Fatigue Design of Welded Joints and Components" [2] by the IIW (International Institute
of Welding), by means of the Palmgren-Miner damage accumulation. Likewise, crack
propagation is estimated according to the guidelines of BS 7910:2013+A1:2015 [3]
about methods for assessing the admissibility of cracks in metallic structures, by
integrating the Paris law, starting from a postulated initial crack up to the predicted
fracture based on the Failure Assessment Diagram.
On its part, the digital twin, implemented in Python language, performs
predictions considering especially the critical welded joints of the structure. It consists
of three main modules:
1) Virtual sensing for the estimation of stresses in critical areas based on
deformations of remote points.
2) Initiation module to calculate the time to crack appearance at critical points of
previously specified welds, i.e. the initiation life.
3) Propagation module for the prediction of the remaining life of the structure until
fracture, by calculating the propagation of potential cracks.
Finally, a series of simulations are carried out that consider different scenarios of
crack size update by the user, uncertainty of the experimental measurements, etc., with
the purpose of demonstrating the validity of the digital twin.