El presente trabajo tiene como objetivo analizar, diseñar y construir una cimentación para el montaje de una chancadora de quijada y seleccionar un aislador de vibraciones que disminuya la transmisibilidad de las fuerzas producidas por la máquina, a los alrededores; realizando para ello una investigación teórica experimental. El funcionamiento de la chancadora de quijada produce ruidos y vibraciones que ocasionan malestar y perturbaciones en el ambiente de trabajo y salas contiguas, que son consecuencia de defectos en la cimentación, el montaje y posiblemente originadas en el diseño mismo de la máquina. Para ello se ha obtenido mediciones de los parámetros modales de la maquina sin carga y con carga, determinando su frecuencia natural, la transmisibilidad de las fuerzas producidas por la máquina en su funcionamiento y después calcular la rigidez del material del aislador necesario, seleccionarlo y verificar que el montaje de la chancadora disminuya la transmisión de las vibraciones. El análisis de la cimentación de la máquina se ha realizado en un bloque de hormigón rígido en reposo sobre la superficie del terreno y el apoyo de la máquina. Considerando que el modo traslacional en el eje z, puede ocurrir independientemente de cualquier otro movimiento; se ha hecho el estudio correspondiente, teniendo en cuenta que el funcionamiento de la máquina produce una fuerza vertical, que pasa por el centro de gravedad de la máquina y la cimentación. Bajo esta condición, la cimentación sólo vibra en la dirección vertical respecto a su posición media de equilibrio estático. Este estudio experimental, establece una base teórica-práctica para el control de las vibraciones en la chancadora de quijada y que además servirá para la solución de problemas de vibraciones en la cimentación de máquinas en muchas ramas de la industria y servicios. Los resultados serán útiles para tomarlos como referencia en posteriores diseños de cimentaciones. / Tesis

Ingeniera Civil Mecánica / Los medios granulares son de gran interés en el área de la ingeniería y la industria, siendo el segundo tipo de material más ampliamente trabajado después de los recursos hídricos. Es debido a este interés, sumado al interés científico, que dichos materiales han sido ampliamente estudiados en los últimos 160 años. El estudio de medios granulares comenzó con Hagen a mediados del siglo XIX. Posteriormente, se desarrollaron diversos estudios, tanto numéricos como experimentales, para conocer de mejor manera los fenómenos que ocurren en medios granulares. Estos fenómenos son, entre otros, el flujo convectivo, segregación y formación de atascos de material. Además, se han encontrado trabajos en que se conjugan vibración externa y flujo de salida, obteniéndose relaciones experimentales entre el flujo de salida y ciertas variables de oscilación. Sin embargo, estos estudios consideran una única forma de onda. En este trabajo de título se estudia un sistema que consta de un recipiente de tamaño y geometría invariables, con un orificio de salida en su cara inferior, llenado con un medio granular sometido a un régimen vibracional en dirección vertical. La geometría del recipiente se basa en los silos industriales, existiendo una disminución de sección hacia la parte inferior. Se estudia el comportamiento del medio granular según el régimen de vibraciones empleado, que es variado en su forma de onda, amplitud y frecuencia. Se mide tanto la cantidad de material que sale del recipiente, como los rangos de frecuencias en que ocurre salida de material. El diseño del recipiente es parcialmente realizado en un software CAD, para luego ser fabricado por medio de una impresora 3D. Los materiales granulares utilizados son dos, para efectos de contraste. Los resultados obtenidos comprenden las frecuencias de salida de material, encontradas por medio de barrido; y los tiempos y flujos másicos de vaciado tanto para la porción inferior del recipiente, como para tramos intermedios. Para esta última medición se calcula el flujo másico de salida, dependiente del volumen de cada tramo. Otro fenómeno observado y medido es el flujo convectivo al interior del recipiente, además del comportamiento de una esfera metálica en el material granular. En general, se logra observar los fenómenos conocidos por los antecedentes; obteniéndose relaciones entre los flujos de material y los parámetros de forma de onda, amplitud y frecuencia. Finalmente, se realizan algunas recomendaciones para futuros trabajos.

Ingeniero Civil Mecánico / El presente trabajo de título, de carácter experimental, trata sobre la descripción y estudio de las vibraciones producidas por saltos hidráulicos (SH) en una tubería, temática que hasta la fecha no ha sido abordada desde el punto de vista de las vibraciones mecánicas. Los estudios se realizan en una instalación diseñada y construida para forzar la aparición del salto hidráulico para cuatro razones de llenado diferentes en una tubería de diámetro interno 1 ¾ de pulgada. Esta instalación consiste en una bomba centrífuga, una tramo vertical de alimentación, un tramo horizontal en donde se produce el SH, un tramo de descarga y un estanque, conectados como un circuito cerrado en donde el agua recircula. Para medir las vibraciones se utilizan acelerómetros piezoeléctricos dispuestos de manera axial en la tubería de pruebas. Se mide la respuesta de vibración para distintos niveles de agua. Se determinan cinco modos para la tubería de pruebas para tres niveles de agua distintos, concluyendo que el aumento en la cantidad de agua disminuye las frecuencias naturales de algunos modos y produce la aparición de otros. Por otra parte, se estudia el espectro de las vibraciones producidas en el funcionamiento de la bomba, constatándose diversos peaks característicos en múltiplos de la frecuencia de rotación del motor. Se realizan mediciones con y sin la aparición del salto hidráulico en la tubería de pruebas, para dos razones de llenado. El análisis de los espectros obtenidos, a través de la gráfica de la densidad de potencia espectral, muestra varias diferencias entre los ensayos con y sin salto. En las vibraciones producidas por los saltos hidráulicos se comprueba, a altos números de Froude, el ajuste a la ley de decaimiento f^(-5/3) características de las vibraciones producidas por turbulencia en tuberías presurizadas. Por otra parte, se observa la excitación de diversos modos de la tubería en la evolución del salto hidráulico. Se estudia la evolución del valor RMS de la aceleración de las paredes de la tubería en función del número de Froude para cada razón de llenado. Se obtiene que el valor RMS de las vibraciones varía linealmente con el número de Froude. Por otra parte, se observa que el valor RMS de las vibraciones también crece con la razón de llenado. Al comparar las gráficas obtenidas para ensayos con y sin salto se obtiene que el salto hidráulico juega el rol de amplificar las vibraciones en la tubería ya que las vibraciones en los ensayos sin salto muestran un comportamiento similar en cuanto a linealidad y tendencia. Finalmente, se estudia el efecto de disminuir la distancia entre los soportes de la tubería de pruebas, teniéndose como resultado una disminución en el nivel de las vibraciones registradas.

Ingeniero Civil Mecánico / La presente investigación consiste en el desarrollo de un sistema de detección, localización y cuantificación de impactos en placas planas a partir de un análisis de sus respuestas vibratorias. El estudio de detección de impactos con análisis de vibraciones se basa en obtener la deformación ocurrida tras un impacto en distintos puntos sobre una placa, para extraer la amplitud máxima y el tiempo de llegada. Con esta información se puede utilizar un método de inferencia en base a una regresión lineal para obtener la localización y la magnitud del impacto. En trabajos disponibles en literatura se han desarrollado algoritmos de detección de impactos para estructuras simples que han demostrado funcionar bien, pero de gran costo computacional por requerir entrenamiento, además de utilizar disposiciones experimentales con una gran cantidad de sensores. En el presente trabajo se propone usar una metodología basada en una aproximación lineal que utiliza el principio de máxima entropía. La principal ventaja de esta metodología es que no requiere de entrenamiento. En una primera etapa se construye un banco de pruebas que permite obtener datos reales de impactos en distintos puntos distribuidos sobre una placa metálica. Luego se procede a extraer los parámetros de amplitud y tiempo de llegadas para construir una base de datos. Con el algoritmo se modela un impacto desconocido como una combinación lineal de los datos contenidos en la base. Los ponderadores asociados a la combinación lineal se determinan aplicando el principio de máxima entropía. Para llegar al algoritmo final, se realiza un procedimiento iterativo de construcción de bases de datos y aplicación del principio de máxima entropía. Se crea una base de datos a la cual se le aplica el algoritmo con un número variable de vecinos con los que construir la combinación lineal. De este, se obtiene que con una vecindad cercana al 15%, la influencia particular de cada elemento disminuye sin mejorar radicalmente el desempeño de la base, por lo que se fija esta cantidad como el número de vecinos a ocupar. Se realiza otra serie que parte con una base que solo extrae el máximo global de las señales y se obtiene un 3.5% de error de área en la localización y un 15.53% de error en la fuerza. Luego se crea una base que contiene distintas magnitudes de fuerza aplicada para un mismo punto, permitiendo contar con vecinos con amplitudes similares a las de la prueba. Posteriormente se crea otra base de datos que incluye a la anterior e incorpora los valores de tiempos ponderados en el mismo orden de magnitud de las amplitudes. Finalmente se usa una base de datos con la experiencia anterior, donde también se extrae el máximo global para la amplitud y el primer máximo local para el tiempo, esta base resulta con un promedio de error de área del 0.28% y un promedio de error de fuerza del 9.9%.

In nature, vibrissae are tactile hairs of mammals used as sensor elements for the exploring the surrounding area. These hairs, also known as whiskers, can be found in different locations on an animals body. Mystacial vibrissae are distributed over a whiskerpad on a muzzle. Carpal vibrissae are located on the downside aspect of the forelimbs of mammals. The vibrissal hair has a conical shape and grows from a special heavily innervated hair follicle incorporating a capsule of blood. As the hair itself has no receptors along its length, the vibrissa may be considered as a system for transmitting forces and torques that arise from the contact between the hair and an object to sensory receptors inside the follicle. The present thesis deals with the vibrational motion of vibrissae dur- ing natural exploratory behaviour from the mechanical point of view. The phenomenon of the parametric resonance of the vibrissa is investigated the- oretically and numerically. In the first part of this thesis, two mechanical models of an elastic beam are presented based on findings in the literature. The first model considers a straight beam with the linearly decreasing radius of the circular cross-section. The second model takes into account the circu- lar natural configuration of the cylindrical beam. Within these models, the small transverse vibration of the beam under a periodic following force at the tip are analysed using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. In the second part of the thesis, the numerical analysis of the problems is performed based on the finite element method using ANSYS 16.2 software. For each model, the dynamical response of the system on the parametric excitation is simulated for different frequency values. It is shown theoretically and numerically that at specific ranges of the excitation frequency the phenomenon of the parametric resonance of the beam takes place. That means that the amplitude of vibrations of the beam increases exponentially with time, when it is stimulated within one of the frequency ranges of the parametric resonance. These ranges depend on the geometrical and material parameters of the beam model, as well as the am- plitude of the periodic excitation. / Tesis

Debido al constante crecimiento industrial, el campo de las maquinarias comprende equipos cada vez más potentes y robustos. A pesar de esta notable mejora, se suele dejar de lado el estado de los mecanismos de seguridad de estas máquinas como lo es su cimentación, que puede ir deteriorándose producto de las vibraciones que se presentan. Sin previo aviso, el motor industrial podría entrar en el fenómeno de resonancia en el cual las vibraciones son muy elevadas y las fuerzas que producen son suficientemente poderosas para colapsar la cimentación y poner en riesgo la vida de ingenieros, operarios o cualquier persona en la zona de operación. El presente trabajo de tesis se basa en el diseño e implementación de un sistema electrónico de medición de las vibraciones mecánicas producidas por la resonancia. Para ello, se cuenta con un módulo mecánico de transmisibilidad que simula el comportamiento de un sistema en resonancia. El módulo cuenta con un motor eléctrico controlado manualmente por un variador de velocidad, un juego de engranajes con masas desbalanceadas y resortes que permiten apreciar las vibraciones producidas con mayor claridad. Para el análisis de la transmisibilidad del sistema y el efecto de la resonancia en la cimentación, es necesario conocer tres magnitudes importantes: la fuerza transmitida a los soportes del módulo, la aceleración que éste experimenta y la velocidad de giro que posee el motor en ese momento. Por lo tanto, se emplearon sensores que nos permitieran determinar estas variables; entre ellos tenemos celdas de carga (sensores de fuerza), un acelerómetro digital (sensor de aceleración) y un sensor óptico (sensor de detección de flancos). Una vez realizado su montaje, se obtuvieron una cantidad considerable de muestras que eran enviadas a una etapa de control, manejada por un ATmega8L, para ser posteriormente enviadas a una PC. Sin embargo, cada magnitud sensada requirió de un acondicionamiento antes de ser llevadas a la etapa de control. La señal de fuerza presentaba mucha distorsión debido al ruido producido por el motor del módulo principalmente, por lo que fue necesario filtrarla de estas impurezas. La señal de aceleración poseía un nivel de voltaje menor al ATmega8L, por lo tanto necesitaba una adaptación de niveles de voltaje para que no sufriera daños. Cuando se reciben todas las muestras, se procesa la información mediante una interfaz gráfica, desarrollada en MATLAB. Con este equipo, se podrá analizar al detalle las vibraciones presentes en el módulo didáctico y tal vez, llevarlo más adelante al campo industrial. / Tesis

El presente trabajo de tesis tiene por objetivo desarrollar un modelo conceptual de un sistema de transmisión por engranajes (sistema ramificado) para determinar sus frecuencias naturales y modos de vibración torsional, así como, analizar la respuesta del sistema a una fuerza impulsiva sinusoidal que simula la etapa de arranque (régimen transitorio). En el primer capítulo se establece el fundamento teórico de las vibraciones torsionales y se describe la fenomenología que se produce durante la etapa de arranque. En el segundo capítulo se desarrolla el modelo conceptual del mecanismo de transmisión, se obtiene el sistema de ecuaciones diferenciales de movimiento empleando las ecuaciones de Lagrange y se seleccionan los parámetros del mecanismo de modo que las frecuencias torsionales se encuentren en una gama que permitan realizar el análisis modal y el análisis bajo régimen transitorio. En el tercer capítulo se evalúa inicialmente el sistema torsional de un grado de libertad; se analiza el comportamiento de la frecuencia natural, la razón de duración del pulso y la respuesta del sistema cuando variamos los parámetros del sistema torsional. Para el sistema de tres grados de libertad se definieron seis casos de análisis, cada caso considera la variación de uno de los parámetros del sistema y se procede a analizar el comportamiento de las frecuencias naturales, modos de vibración torsional y respuesta del sistema bajo régimen transitorio. Para obtener las curvas características se elaboraron algoritmos de cálculo en MatLab. Finalmente, se procedió a analizar el sistema equivalente de tres grados de libertad por el Método de los Elementos Finitos para obtener las frecuencias naturales de vibración torsional principalmente. La simulación se realizó en la plataforma CAD-CAE de Solidworks. / Tesis

En el presente trabajo se realiza un análisis numérico de vibración inducida por flujo (FIV) sobre una tubería horizontal que transporta flujo bifásico agua-aire. Para el estudio del fluido se consideró un dominio de estudio de 3m de longitud en el que se analizaron diferentes modelos de turbulencia con la finalidad de seleccionar el más adecuado para el estudio FIV. Se tomó como criterio de comparación el comportamiento de la presión variable sobre la pared de la tubería. Los resultados obtenidos muestran que el modelo RANS K-ω SST es capaz de representar con buena precisión el comportamiento del flujo bifásico analizado, pues capta los patrones de flujo y las fluctuaciones de presión en concordancia con resultados experimentales reportados en la literatura, por lo que fue seleccionado para el análisis FIV. Seguidamente se procedió a determinar el método de análisis de vibración más adecuado para el objeto en estudio (tubería), en el cual se consideró un dominio de estudio de la tubería de 1.53 m de longitud, empotrada en ambos extremos. Es así que se determinó que el análisis dinámico transitorio acoplado bidireccional de interacción fluido-estructura (FSI), que contempla los efectos del campo de fluidos sobre el campo estructural y viceversa, representa de manera adecuada el fenómeno en estudio por considerar que son los esfuerzos, desplazamientos, aceleraciones y frecuencias las variables a determinarse en este análisis. Para las condiciones de flujo analizadas se captaron vibraciones, desplazamientos en el rango de -48 μm a 18 μm, aceleraciones en el rango de -0.07 m/s2 a 0.8 m/s2 y frecuencias máximas en el rango de 10 Hz a 35 Hz. / Tesis

Ingeniero Civil Mecánico / En Chile se está legislando a favor de las energías renovables no convencionales (ERNC) y tanto empresas privadas como organismos de cooperación extranjeros, están volcando recursos hacia desarrollos en sistemas que actúan como pequeños generadores de energía eléctrica, con posibilidad de conectarse a un sistema interconectado o trabajar en generación distribuida. En este contexto, el presente trabajo de título pretende aportar en el desarrollo y en el mantenimiento de una central microhidráulica, con el objetivo de generar un sistema inteligente que permita funcionar con la menor intervención posible, y por consiguiente, reducir costos de operación. Para tales efectos, se contempla el desarrollo de un sistema de monitoreo de la condición basado en vibraciones para el turbo-generador, para advertir cuando un componente esté pronto a fallar. El mantenimiento basado en la condición o mantenimiento predictivo, requiere el conocimiento de las frecuencias características de fallas dada una condición indeseada, tales como fallas en rodamientos, solturas en pernos, desbalance, roce, eje doblado, entre otras. Estas anomalías son detectadas por análisis de vibraciones en elementos rotativos o no rotativos; para el caso de este trabajo de título, los análisis se realizan en elementos no rotativos bajo la norma ISO 10816. Los sensores utilizados son acelerómetros piezoeléctricos. La señal capturada por los sensores se guarda en un computador, donde es procesada mediante un algoritmo. La visualización de las frecuencias características se consigue mediante la utilización de filtros y técnicas matemáticas de discretización de la señal real. En este estudio fue considerada la transformada de Fourier, una de las herramientas más usadas en el tratamiento de señales periódicas. Sin embargo, para el caso de rodamientos, la técnica de la envolvente es aplicada antes de la transformada de Fourier, de esta forma, por medio de la aplicación de filtros se eliminan frecuencias indeseadas y se obtienen los espectros que se utilizan para analizar vibraciones. Los espectros obtenidos se analizan mediante un sistema experto que constituye la última etapa del algoritmo, donde se realiza el diagnóstico en base al reconocimiento de patrones de frecuencias y probabilidad de falla, luego se predice el tiempo para fallar mediante ajuste de tendencia y se reprograma la fecha de mantención. El algoritmo se valida en un banco de pruebas, con un rotor donde se pueden producir distintas fallas. Por último, en este trabajo de título, se utiliza el algoritmo desarrollado y se analiza la condición del turbo-generador, diagnosticando un desbalance acentuado por una frecuencia natural equivalente a su frecuencia de rotación nominal, que dada la amplitud de las vibraciones, se recomienda el cese del funcionamiento de la central microhidráulica, según la norma ISO 10816 parte 1.

Ingeniero Civil Mecánico / Los estándares actuales del tratamiento de implantes dentales apuntan a considerar las siguientes circunstancias: una experiencia no traumática, cirugía mínimamente invasiva y función inmediata. Este último factor es sumamente relevante en el proceso biológico de adaptación del hueso al implante, llamado oseointegración. Cargar un implante antes de que se integre con el hueso que lo aloja genera un fenómeno de movimiento relativo entre el implante y el hueso, conocido en la literatura como micromovimiento. Valores sobre un umbral aproximado de 150 [µm] generan daño en el material óseo impidiendo que ocurra el proceso de oseointegración. Un método útil para estudiar el micromovimiento es realizar simulaciones mediante el Método de Elementos Finitos. Este método permite modelar, simular y obtener resultados que difícilmente pueden ser obtenidos experimentalmente. Para obtener resultados válidos se toman en consideración factores numéricos, biológicos y mecánicos. Se trabajó con un modelo estructural estático con contactos no lineales. Se encontró una formulación adecuada para el tipo de contacto, dividiendo la carga en una cantidad de pasos que permitió la convergencia del modelo. Además se consideró el material óseo como un medio donde se distinguen dos tipos de tejido: cortical y trabecular. Se estudiaron distintos tipos de conjuntos supraestructura-implantes y se analizó la influencia de la sección transversal de la supraestructura así como también su material de fabricación. Un factor que se consideró, y que corresponde a una mejora respecto de trabajos similares anteriores, fue el hilo en los implantes estándar. A lo largo de este trabajo se desarrolló una metodología para generar un modelo, con todos los factores mencionados anteriormente, importable en el software comercial de elementos finitos ANSYS. Se utilizó éste programa para obtener los resultados. Finalmente estos últimos se interpretaron y elaboraron las pertinentes conclusiones. Se determinó que los valores de micromovimiento de todos los casos simulados se encuentran bajo el valor crítico de generación de problemas para la oseointegración. Un factor relevante en la distribución y valor máximo de micromovimiento y esfuerzo es la consideración geométrica del hilo en los implantes. El material de construcción de la supraestructura muestra ser otro factor relevante en los valores máximos de micromovimiento de los distintos modelos. No se encontró una relación clara entre la sección transversal de la supraestructura y el micromovimiento.