Este trabalho propõe um ambiente integrado para controle em tempo real e supervisão de manipuladores robóticos. Os varios modulos que compõe este sistema são analisados e algumas técnicas para a implementacão de cada módulo são discutidas. Ao nivel decontrole de juntas são analisados basicamente tres tipos decontroladores: a) controlador PD; b) controlador utilizando torque calculado e c) controlador adaptativo incremental. O controlador PD e o controlador utilizando torque calculado tem seus ganhos calculados através da abordagem de controle ótimo. Para tratar as dificuldades computacionais decorrentes da complexa dinâmica acoplada do manipulador, utilizam-se métodos númericos. Como trajetoria de referencia para os controladores e utilizada uma reta no espaço das juntas descrita por polinomios de quinto grau no tempo. Um metodo para o cálculo dos coeficiêntes destes polinomios que dispensa simplificações no modelo dinâmico do manipulador e apresentado. A supervisão do sistema e feita por um sistema especialista que fornece uma interface de alto nivel com o usuario, orientada por objetivos. O sistema é implementado em uma arquitetura RISC de alto desempenho baseada no microprocessador 80860.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva / Cuando ocurre un enfriamiento lento de la escoria de fusión de Cobre en ollas o recipientes, esta permite la sedimentación de gotas de cobre y sulfuro de cobre pudiendo observarse 2 fases, la superior en donde se encuentra la matriz de la escoria con cobre diseminado y una inferior la cuál ha sido nombrada como un botón de cobre. El tiempo de enfriamiento de las escorias de cobre afecta directamente sobre sus propiedades, dependiendo la velocidad en la cual se solidifiquen El objetivo del presente trabajo es crear un modelo de sedimentación y coalescencia de gotas de metal blanco y de cobre metálico mediante el enfriamiento controlado de escorias de fusión de cobre del Convertidor Teniente, el cuál prediga la formación del botón de mata, así como también la composición y las características de la escoria remanente, mediante herramientas computacionales apoyadas con pruebas experimentales. Se realizan pruebas en el laboratorio de pirometalurgia del Departamento de Ingeniería de Minas de la Universidad de Chile, las cuales consideran la utilización de un horno de fusión a alta temperatura que permite llegar a los 1350°C y simulaciones llevadas a cabo con el software de modelación Ansys el cual corresponde a un CFD. El volumen de control para las pruebas corresponde un crisol cilíndrico de alúmina con un diámetro interno de 18 mm, una altura de 105 mm y un espesor de paredes de 2 mm, en donde la escoria utiliza alrededor de 45 mm de altura y se pretende identificar la recuperación de cobre en la sección inferior (botón de cobre). En relación al tipo de enfriamiento las pruebas experimentales demuestran que desde bajos tiempos de sedimentación se tienen altos porcentajes de recuperación de cobre en la sección inferior, sin embargo, para los mismos tiempos, el tipo de enfriamiento si tiene una influencia aumentando en hasta un 9% la recuperación de cada una de las pruebas. En las simulaciones se observa un comportamiento diferente con respecto a las pruebas experimentales con respecto a los valores de recuperación lo cual es debido a las condiciones iniciales impuestas en las simulaciones que representa de mejor manera el enfriamiento, pero si demuestran la similitud que se obtiene en las pruebas experimentales para ambos tipos de enfriamiento (súbito y por convección natural). Para el enfriamiento controlado se observa una concentración considerable para bajas rampas de enfriamiento en el cual se llega a obtener un crecimiento constante de la recuperación en la zona inferior de hasta un 38% para la rampa de 0,5°/min (400 minutos de enfriamiento) lo cual indica que a mayores tiempos puede crecer la recuperación en el botón de cobre. Con respecto a la concentración de Cobre se observa un crecimiento considerable para las pruebas cuando se superan los 100 minutos de enfriamiento llegando a concentraciones cercanas a un 87% en el fondo del crisol y una ley promedio de la sección inferior de 69,3% de Cobre (para la rampa de 0,5°/min), el cual puede ser recirculado a la etapa de conversión.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Metalurgia Extractiva. Ingeniero Civil de Minas / 29/03/2021

Ingeniero Civil / Cuando un alto-explosivo detona, se genera una reacción ultrasónica que libera calor y hace que los reactivos se transformen súbitamente en gases altamente presurizados. La rápida expansión de los gases resulta en la generación de una onda de choque, la cual se expande a través de un medio como el aire, para posteriormente impactar en las estructuras. El proceso de detonación involucra exclusivamente a los reactantes contenidos en el alto-explosivo, implicando que la energía de combustión liberada por la detonación se ve influenciada solamente por el contenido de oxígeno que está presente en el explosivo. En la medida que el contenido de oxígeno al interior del explosivo es bajo (explosivo deficiente en oxígeno), la combustión no se completa, generándose una postcombustión asociada a la interacción entre los productos aún inflamables de la detonación y el aire circundante. Este segundo proceso de combustión (postcombustión) es mucho más lento que el proceso de detonación y no genera una onda de choque; sin embargo, la postcombustión puede liberar una energía que es comparable a la liberada durante el proceso de detonación. Por lo tanto, la postcombustión presenta el potencial de aumentar significantemente la componente de presión de gas (cuasi-estática), en la medida que la explosión ocurra dentro de un espacio confinado. El objetivo de este trabajo consiste en determinar valores apropiados de la energía específica aportada por la postcombustión, que se debe incorporar en el software comercial AUTODYN, con el fin de obtener predicciones más confiables de la presión cuasi-estática para distintos tipos de altos-explosivos. Para ello, en una primera etapa se lleva a cabo un modelo de equilibrio termodinámico simplificado asociado a reacciones de altos-explosivos en espacios totalmente confinados sujetos a condiciones atmosféricas. 57 explosivos son estudiados, en donde los resultados obtenidos permiten determinar las presiones cuasi-estáticas, concentraciones y temperaturas residuales. Para el caso del TNT, se obtiene un ajuste adecuado en comparación con datos experimentales, donde el modelo termodinámico simplificado genera resultados levemente mayores (25%) a lo observado experimentalmente, lo cual es conservador para el diseño y suficiente, teniendo en cuenta las simplificaciones consideradas en el modelo de equilibrio termodinámico. Como segunda parte del estudio, se determina la energía de postcombustión que se debe emplear en el software AUTODYN para que la presión cuasi-estática se ajuste a los valores determinados por el modelo termodinámico simplificado. Esto se lleva cabo empleando la metodología descrita por Hernández (2016) (aplicado a TNT). Se observa que las presiones cuasi-estáticas obtenidas de las simulaciones incorporando la energía de postcombustión se ajustan al modelo termodinámico simplificado, mostrando diferencias menores a un 0.2%. En adición, se concluye que la práctica actual de considerar una carga de TNT equivalente puede ser bastante inexacta y que el método sugerido en este estudio es más adecuado para la obtención de la componente de presión de gas.

Ingeniero Civil Mecánico / Actualmente, existe dentro de la sociedad el debate sobre cómo queremos generar en un futuro la energía que nos permita seguir desarrollándonos como país. Para ello, existen varias fuentes y medios por los cuales se puede obtener, usándose principalmente en Chile las energías provenientes del agua, carbón y petróleo. Sin embargo, como país se poseen otro tipo de fuentes que aún no han sido explotadas y que tiene un futuro alentador dado los desarrollos tecnológicos que se están llevando acabo como por el interés de las personas en que estas se lleven a cabo, las cuales son de tipo solar, geotérmica, mareomotriz y eólica. Es en este último tipo de fuente en la cual se enfocará el desarrollo de la presente memoria con un énfasis al desarrollo de la obtención de este tipo de energías pero a pequeña escala. El objetivo principal de la memoria es realizar un análisis de las curvas características de una turbina mediante un análisis de los coeficientes aerodinámicos presentes en los álabes de las turbinas eólicas, con el fin de comparar dos diferentes perfiles alares a utilizar, los cuales se diferencian por poseer una aerodinámica diferente como también un proceso de fabricación distinto, lo cual discutir cuan conveniente es realizar una mejora aerodinámica al perfil en base a la potencia obtenida. En conjunto con esto se podrá visualizar, mediante un modelamiento a través de ANSYS FLUENT, los efectos aerodinámicos del funcionamiento de la turbina sobre el viento incidente a causa del impacto del viento sobre los álabes Los alcances son el poder lograr comparar los datos obtenidos entre lo realizado analíticamente por la teoría de momentum DMS y lo obtenido mediante el modelamiento computacional. Además, el desarrollo del problema computacional se realizará mediante un modelo 2D dado que según los antecedentes presentados, las diferencias entre los resultados obtenidos para casos 3D no difieren mucho de los 2D, pero el recurso computacional necesario para su ejecución es considerablemente mayor al caso 2D.

Ingeniero Civil / El objetivo general de este trabajo de título es estudiar la variabilidad del consumo máximo diario de oxígeno en el reactor biológico de un sistema de tratamiento de lodos activados para determinar factores de requerimiento de oxígeno máximo horario respecto del medio diario y máximo diario respecto del medio anual, a partir de los datos de seis plantas de tratamiento de origen domiciliario. Para la obtención del factor de carga máxima diaria respecto del medio anual, los datos se ordenan según la carga orgánica afluente para encontrar el día representativo para el diseño de las plantas utilizando como criterio, el día correspondiente al percentil 85. Posteriormente, los datos de caudal se depuran o se modifican según la naturaleza de los antecedentes, ya que existen datos horarios o cada 15 minutos. Adicionalmente se obtiene el factor de caudal máximo horario para cada día dentro del periodo de estudio. Finalmente se realiza una corrección y relleno de los datos para utilizarlos en las simulaciones. Para el cálculo del factor de máximo horario respecto del medio diario, se plantea una fórmula que se puede utilizar en plantas sin sedimentador primario. Para validar los resultados entregados por esta fórmula, se realizan simulaciones en BIOWIN, y se comparan los resultados mediante un análisis de sensibilidad respecto de la temperatura y de la tasa máxima de crecimiento de los organismos autótrofos. Los escenarios planteados corresponden a cuatro edades del lodo (5 (d), 15 (d), 20 (d), 25 (d)), cuatro temperaturas, (5°C, 15°C, 20°C y 25°C), y de tres tasas máximas de crecimiento (0,3, 0,6 y 0,9). Se concluye respecto del factor de carga máxima diaria respecto del medio anual, que su relación con la población y el caudal medio de las plantas de tratamiento es inversamente proporcional similar a un comportamiento logarítmico. En cuanto al factor de consumo máximo horario respecto al medio diario, se concluye que en ningún caso este valor supera el 1,35 y en consecuencia obrando de manera conservadora, es posible aplicar este valor como uno general. El resultado del análisis de sensibilidad el error no superaba el 10%, salvo las condiciones en que es probable que no se produzca nitrificación.

Ingeniero Civil Mecánico / El Acinonyx jubatus (Chita) es reconocido como el animal más rápido en tierra, quién además logra reajustar su trayectoria rápidamente al momento de perseguir su presa a altas velocidades, donde cada cambio de dirección viene asociado con un rápido movimiento de cola, sin tener claridad si la cola aporta al equilibrio del movimiento como apéndice inercial. Hasta ahora se ha estudiado el aporte de la cola modelando el cuerpo del Chita como un cubo y el movimiento a lo largo de una curva, sin preocuparse del movimiento realizado por el cuerpo del animal y que este principalmente zigzaguea al perseguir a su presa. En el presente trabajo se propone que el Chita, dado que realiza maniobras de persecución a altas velocidades que involucran movimientos rápidos del cuerpo, entonces la cola debe otorgar eficiencias mecánicas al giro del cuerpo realizando torques en el sentido contrario, ya que al momento de maniobrar las patas delanteras y traseras presentan un cambio rotacional independiente sobre el eje axial (roll) el que estaría facilitado por el movimiento de la cola. El objetivo principal corresponde a determinar el aporte cuantitativo y cualitativo del movimiento de la cola sobre sobre las capacidades locomotoras de Acinonyx jubatus (Chita). Como objetivos específicos se encuentran confeccionar un modelo cinético y cinemático del Chita para establecer la relación entre el movimiento relativo de la cola respecto al movimiento del tren delantero y trasero del Chita y determinar la importancia del movimiento de la cola sobre el movimiento del animal. La metodología consta del desarrollo del modelo del Chita como un cuerpo rígido de tres piezas, representando el tren delantero, trasero y la cola, donde se estudia la cola como elemento que conserva el momentum angular. Definiendo una trayectoria para el tren delantero, se analiza el modelo en distintos casos: primero un modelo que no presenta cola, en donde el tren trasero compensa el movimiento del tren delantero; segundo, un modelo donde el tren trasero se mantiene estático y es la cola quien compensa la rotación del tren delantero; y el tercer caso, el cual tiene los tres cuerpos, tren delantero, tren trasero y cola, junto con un acople en forma de resorte y amortiguador torsional entre el tren delantero y trasero. Se resuelve el tercer caso mediante integración numérica iterando el valor del resorte y amortiguador hasta que la solución sea semejante a la observada en la referencia; a partir de propiedades mecánicas de los músculos y tendones del chita, mediante la teoría de mecánica de sólidos, se aproxima la resistencia elástica del cuerpo del animal que es comparado con el valor del resorte obtenido mediante iteración. Como resultado de nuestro análisis se identifica el aporte cualitativo de la cola como un elemento que ayuda a la maniobrabilidad del animal al conservar el momentum angular del cuerpo, además, se obtiene el resultado cuantitativo del aporte de la cola que depende directamente de las variables del acople entre el tren delantero y tren trasero. El movimiento de la cola puede amortiguar completamente el movimiento del tren delantero, pero si el chita no tiene cola, la compensación al movimiento del tren delantero se realiza ejerciendo mayor esfuerzo sobre el tren trasero. Finalmente el análisis de las propiedades mecánicas del cuerpo del chita resulta similar a las propiedades cinemáticas de la iteración, con una diferencia menor al 15%.

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil Mecánico / Para satisfacer las necesidades de calefacción y agua caliente sanitaria en contextos domiciliarios, surge el uso de energías renovables no convencionales, en donde la energía solar térmica destaca por su factibilidad técnica. Para lograr mitigar las variaciones de este recurso y satisfacer completamente las demandas, se utilizan sistemas de almacenamiento térmico, en donde el uso de agua como fluido de trabajo se muestra como una de las opciones más baratas y seguras; y la estratificación de temperatura en el estanque de almacenamiento ha mostrado ser conveniente en términos de aprovechamiento de la energía y acoplamiento a otros sistemas como bombas de calor. El fenómeno de la estratificación térmica se genera debido a que a diferentes temperaturas, los fluidos varían su densidad, provocando que en un mismo estanque puedan existir distintas masas de fluido a diferentes temperaturas. En un intento por fomentar el fenómeno de la estratificación térmica, se realizan simulaciones computacionales de configuraciones de carga y descarga de dos estanque de almacenamiento, con variaciones el caudal y alturas de entrada de éste en el estanque; y evaluando el impacto de dos geometrías de difusores en el comportamiento térmico. Las simulaciones son realizadas en el software ANSYS Fluent, utilizando un modelo de turbulencia y la aproximación de Bousinessq para emular las fuerzas de empuje. Para comparar cuantitativamente los perfiles de temperatura resultantes de cada configuración, se utiliza la eficiencia de estratificación térmica, basada en la generación de entropía producto de las irreversibilidades internas. Este parámetro resulta independiente de los flujos entrantes y salientes, y de las pérdidas térmicas. Los resultados de las simulaciones son validados experimentalmente en un banco de pruebas, y muestran en primer lugar, para un estanque con una baja relación de aspecto (altura dividido en diámetro), el efecto de los difusores propuestos es bajo en comparación al caso base, con mejoras en en la eficiencia de estratificación de hasta un 2%. En cambio, la altura de entrada se muestra como un factor determinante, en donde una mayor altura lleva a una mejor estratificación, con mejoras de hasta un 15% para un estanque con baja relación de aspecto y hasta un 20% para un estanque con una alta relación de aspecto. Para este segundo estanque, los difusores mostraron un impacto considerable, llegando a mejoras de hasta un 15% para un difusor tipo T que divide el flujo entrante.

Ingeniero Civil Mecánico / Los descansos hidrodinámicos son ampliamente utilizados en equipos rotatorios debido a su capacidad de resistir altas cargas, alta amortiguación, escaso desgaste, amplia vida útil y una holgura entre rotor y descanso pequeña. La operación confiable de estos equipos bajo distintas condiciones de operación es de vital importancia. Para esto, es necesaria tanto la predicción como el control del comportamiento dinámico, esto es respuesta al desbalance, velocidades críticas e inestabilidades. En este trabajo se realizan simulaciones computacionales a través de un software con la capacidad de resolución de problemas CFD (Computational Fluid Dynamics), con una interface FSI (Fluid Structure Interaction), que buscan la determinación de coeficientes dinámicos de rigidez y de amortiguamiento. Se determinan los coeficientes dinámicos considerando términos lineales y no lineales, bajo diferentes condiciones de operación, dadas por la velocidad de rotación del eje. Estos coeficientes se obtienen mediante el uso de un método de identificación de parámetros de dominio temporal. Adicionalmente, se estudian los efectos generados por la inclusión del fenómeno de cavitación y la flexibilidad de la pared en las magnitudes de los coeficientes dinámicos. Finalmente, se validan los resultados comparando los coeficientes dinámicos lineales con aproximaciones analíticas de los distintos modelos desarrollados. Los resultados obtenidos en modelos con cavitación muestran que los coeficientes de rigidez son determinantes en el ajuste de la respuesta del fluido a la excitación del rotor, no así los coeficientes de amortiguamiento que no contribuyen mayormente al ajuste (sus magnitudes son prácticamente nulas en muchos casos). En condiciones bajo Oil Whirl los coeficientes no lineales adquieren mayor importancia, asimismo como para altas velocidades de operación. La flexibilidad del descanso es determinante sólo para cuantificar la presión desarrollada por el fluido y la ubicación del punto de equilibrio que alcanza el rotor. Por lo tanto, para la determinación de coeficientes dinámicos bastaría simular con una pared rígida.

Ingeniero Civil Mecánico / Diversas son las herramientas tecnológicas que existen en la actualidad para ejecutar de forma precisa las mantenciones sintomáticas y predictivas necesarias a los sistemas mecánicos, y existe un uso emergente por utilizarlas en la industria. El presente trabajo de título representa una conexión entre la herramienta termográfica y su uso para caracterizar el desgaste de poliuretano de revestimiento interior de tuberías, y con ello dar un paso más hacia la optimización de los planes de mantención. Para realizar esta conexión, el autor realizó una completa revisión bibliográfica y un repaso de los principales conceptos físicos que rodean a los fenómenos térmicos; Con ello, se planteó un modelo de solución al problema de transferencia de calor, conducente a determinar los espesores remanentes de poliuretano. Este modelo presenta un gran énfasis en el estudio de la convección natural y en como ella influye en la caracterización del desgaste, proponiéndose dos formas de abordar el problema convectivo: utilizando una aproximación de discretización del dominio geométrico que permite utilizar correlaciones teóricas existentes, y realizando una simulación computacional. Finalmente se integran las dos formas al modelo propuesto y se comparan los resultados con mediciones empíricas, obteniéndose una metodología para caracterización del desgaste, que posee rangos definidos en los cuales es admisible utilizar correlaciones teóricas para aproximar cálculos convectivos y rangos en los cuales se propone utilizar los resultados de la simulación computacional.