XIV Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica

Santander, España – 5-7 junio de 2002

TRAZADOS GEOMÉTRICOS APLICADOS ADESARROLLO DE ELEMENTOS DE CALDERERÍA

Alejandro Toscano Becerra, José Miguel Sánchez Sola, Juan Pablo Contreras Samper,Rafael Gómez Ortiz, Mariano Marcos Bárcena, Manuel Sánchez Carrilero, Miguel Álvarez

Alcón

Universidad de Cádiz, EspañaEscuela Superior de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Mecánica y Diseño Industrial

Correo electrónico: josemiguel.sanchez@uca.es

RESUMEN

Los desarrollos geométricos en formato gráfico se aplican en multitud de ocasiones en la construcción deestructuras metálicas, depósitos, calderas, conducciones, .... Para sus análisis, se parte de un modelo 3Dque nos da información de su geometría.En el presente trabajo se desarrolla, de una forma ordenada, algunas de las posibilidades que presentan losmétodos gráficos para la obtención de trazados de calderería.El desarrollo de este trabajo presenta una estructura ramificada que facilita una visión global, así comoaspectos específicos de los casos considerados.El conjunto de configuraciones analizadas se clasifican inicialmente en: desarrollos prismáticos,piramidales, cilíndricos, cónicos, cambios de sección o tolvas, intersecciones y otros desarrollos. Dentrode cada ramificación se analizan las opciones correspondientes a rectos, oblicuos, de bases paralelas, noparalelas, .... Cada caso, se aborda con diversas configuraciones, visualizándose de forma evolutiva lostrazados correspondientes.Los ejemplos que se presentan, se desarrollan mediante técnicas de “paso a paso”, que permiten unaexposición clara del devenir de su trazado, teniéndose en cuenta las geometrías de las piezas y empleandoel método más apropiado (rectificación, traslación, triangulación, simetría,...), para ellos.

Palabras claves: Desarrollos, Tolvas, modelado 3D, calderería, interpolación de curvas splines, CurvasNurbs.

ABSTRACT

The geometric developments in graphic format are applied an many occasions in the construction ofmetallic structures, deposits, boilers, conductions,.... To analyse them start with a 3D model that gives usinformation about it geometry.In this work present, some of the possibilities that the graphic methods for the obtaining of boiler drawingare developed in an orderly way.The development of this work it presents a ramifyed structure that facilitates a global vision, as well asspecific aspects for each particular case.The analyzed configurations, are classified initially to: prismatic developments, pyramidal, cylindrical,conical, section changes or chutes, intersections and other developments. Inside each ramification areanalysed the options corresponding to vertical, oblique, of parallel bases, bases not parallel,.... Each caseis approached with diverse configurations, visualizing in an evolutionary way its corresponding layouts.The examples presented, are approached by means of "step by step" techniques, that allows a clear of theevolution of its, taking into account the geometries of the pieces and using the most appropriate method(rectification, traslation, triangulation, symmetry,…), for them.

Keywords: Development, chutes, modelling 3D, boiler, interpolation curves spline, Curves Nurbs,

1 IntroducciónEl continuo desarrollo de los medios informáticos permite establecer nuevas formas deexposición en Ingeniería Gráfica. Los entornos multimedia amplían las posibilidadesdidácticas a la hora de exponer, trazados geométricos laboriosos.

Éste es el caso de los desarrollos que se emplean en calderería. La multitud deconfiguraciones que existen al componer elementos, codos, reductores, pantalones,carcasas, etc, implican la necesidad de una exhaustiva clasificación.

En el presente trabajo, se ha desarrollado con intención de cubrir dos objetivosconsiderados fundamentales, por un lado, emplear conceptos y métodos geométricos(casi desaparecido en los nuevos planes de estudios), y por otro, como se ha comentadoanteriormente, perseguir una exposición sencilla, optándose por soportes informáticos,dada su gran adaptabilidad. Es decir, se ha empleado métodos de rectificación,traslación, triangulación, simetría, abatimientos, etc, para la obtención de los trazadosgeometricos aplicados a desarrollos de elementos de calderería.

Para la exposición, se ha realizado una clasificación ordenada de algunos de loscasos posibles del entorno industrial, ramificándose hasta el caso practicodimensionado. Una vez seleccionado el caso a estudiar, se presenta la evolución deltrazado paso a paso, con comentarios clarificadores del proceso, que permiten unperfecto seguimiento de todo el trazado.

Los elementos considerados se han clasificados, en los siguientes grupos:Desarrollos prismáticos, cilíndricos, piramidales y cónicos: En estos apartados se

analizan los prismas, pirámides, cilindros y conos, bien rectos u oblicuos y con basesparalelas, no paralelas, regulares, irregulares, según proceda. Igualmente se desarrollandiversos sectores, empleados en el diseño de tolvas, depósitos, carcasas y conduccionesde gran diámetro.

Cambios de sección o tolvas: Se analizan algunas de las posibles configuraciones detolvas, sin descuidar la posición y orientación de sus bocas o bases. Dando lugar, atolvas con bases paralelas o no paralelas, centradas (equiaxiales) y descentrada. Y porúltimo, tolvas con bases de distintas secciones, es decir, poligonales, cuadrada-circular,poligonales giradas, otras secciones.

Intersecciones: En el sexto apartado se abordan algunos de los múltiples casos quese presentan en calderería y se analizan los casos más usuales, entre los cuales:Intersecciones entre tubos cilíndricos, cónicos y cilíndricos-cónicos con igual o distintodiámetro, con injerto perpendicular u oblicuo y ejes que se corten o crucen, según elcaso seleccionado. Así como, otras disposiciones en las que se incluyen esféricos,prismáticos. No se ha profundizado, en los elementos prismáticos y piramidales, debidoa que es bastante frecuente que su formación se obtenga mediante técnicas de unión,como soldadura, remachado, atornillado.

En el último apartado, se abordan otros desarrollos, que por su geometría seexcluyen de los apartados anteriores, como esféricos, analizándose los métodos deconstrucción mediante troncos de cono, husos inscritos y tangentes. Se concluye con losdifusores cónicos, cilíndricos y cilíndricos-cónicos. La clasificación comentada puedeverse con mayor detalle en la figura 1.

2 METODOLOGÍAPartiendo de la posibilidad de disponer de un sistema de Diseño Grafico Asistido porOrdenador (CAGD, Computer-Aided Graphics Design). En el caso estudiado en el

presente trabajo, el modelado 3D se ha llevado a cabo haciendo uso del programaAutocad 2000 y 3D Studio Max 3. Mediante el empleo de las técnicas de modelo, estos

Figura 1: Clasificación de los casos considerados

sistemas proporcionan toda la información geométrica de los elementos a desarrollar,así como diferentes formas de representación, desde las más sencillas como larepresentación mediante líneas de frontera (boundary edge) o estructura de alambre(wire frame), hasta otras con mayor complejidad como las que conducen a una visiónfotorrealista del objeto. Todo lo cual, permite la obtención de vistas ortográficas quedefinen claramente al elemento.

Figura 2: Esquema de la Metodología

Los valores de las dimensiones, en ocasiones permite la elección del método masapropiado y su posterior comprobación, para concluir con su desarrollo.

La metodología realizada para la elaboración de este trabajo s puede observar en lafigura 2.

3 VISUALIZACIÓN DE LAS RESOLUCIONESPara la visualización de los casos prácticos que se recogen en este trabajo, se handesarrollado unos módulos o rutinas que nos permite la resolución evolutiva (paso apaso).

Los casos estudiados se resuelven en pantalla, permitiéndole al alumno seguirfácilmente el devenir en el proceso de resolución. En cualquier momento el alumnotiene acceso a cada una de las secuencias del proceso, permitiéndole avanzar oretroceder en las misma, hasta su optima asimilación. De igual forma, la rutinadesarrollada se esta acoplando en un enlace de la pagina web de nuestro departamento,con intención de continuar la línea orientada al desarrollo de aulas y laboratoriosvirtuales en distintas áreas del Departamento de Ingeniería Mecánica y DiseñoIndustrial de la Universidad de Cádiz.

Tras la pantalla de presentación de la figura 3, existe la posibilidad de avanzar paracontinuar la visualización de los casos que se han considerados o bien volver a laubicación anterior, es decir, salirse de la aplicación, mediante el posicionamiento delcursor sobre los iconos que se encuentran ubicados en la parte inferior derecha eizquierda de esta pantalla de presentación.

Al avanzar en la aplicación se accede a la pantalla de selección, figura 4. En ella, sepresenta la clasificación estructurada en siete grupos o apartados de los casosconsiderados, éstos se ramifican hasta abordar el caso practico deseado.

MODELO 3DMODELO 3DVISTAS

ORTOGRÁFICASVISTAS

ORTOGRÁFICAS

ANÁLISIS DEELEMENTOS

ANÁLISIS DEELEMENTOS

DIMENSIONESDIMENSIONES MÉTODOSMÉTODOS VERIFICACIÓNVERIFICACIÓN

DESARROLLODESARROLLO

NO

SI

MODELO 3DMODELO 3DVISTAS

ORTOGRÁFICASVISTAS

ORTOGRÁFICAS

ANÁLISIS DEELEMENTOS

ANÁLISIS DEELEMENTOS

DIMENSIONESDIMENSIONES MÉTODOSMÉTODOS VERIFICACIÓNVERIFICACIÓN

DESARROLLODESARROLLO

NO

SI

Figura 3: Pantalla de presentación

Figura 4: Pantalla de selección

Como se ha comentado anteriormente, en la pantalla de selección se presentan lossiete apartados que se analizan en esta aplicación. Pulsando sobre cualquiera de losapartados, por ejemplo, si pulsamos sobre el botón de acción de Desarrollos cilíndricos,se entra en la pantalla que se muestra en la figura 5, y tras la selección de los cinco

casos abordados, por ejemplo, si pulsamos sobre el 3.2.1, se muestra la pantalla de lafigura 6 en donde se visualizan el modelo 3D, vistas ortográficas y las dimensiones quehacen posible su ejecución.

Figura 5: Pantalla de selección de desarrollos cilíndricos.

Figura 6: Pantalla de desarrollos cilíndricos oblicuos con bases paralelas

Figura 7: Visualización intermedia del desarrollo comentado

En la figura 7, se puede observar la rectificación del cuadrante de circunferencia y lospuntos definidores del desarrollo lateral, mediante la traslación de las generatrices delcilindro oblicuo de sección circular. La curva de cierre se ha realizado mediante

NURBS que permiten una cierta flexibilidad de unión de los puntos de interpolaciónbajo unas direcciones tangentes. En la figura 8 se presente el desarrollo lateral completodel cilindro.

Figura 8: Trazado del desarrollo lateral del cilindro oblicuo de sección circular

Es conveniente, observar como en cada una de las secuencias mostradas en laesquina superior derecha aparecen unos iconos que mediante indicación con el ratón,permiten avanzar o retroceder en la evolución del trazado.

Figura 9: Proceso para la obtención del desarrollo de la tolva indicada

Con objeto de presentar otra aplicación, si sobre la pantalla de presentación de lafigura 4, se optase por el apartado 5, se visualizaría el desarrollo de cambios de sección- tolvas, que en el 5.3.2, se abordan las de distintas secciones cuadrada-circular, como semuestra en la figura 9.

En ésta figura, se muestran tres instantáneas del trazado del desarrollo de la tolvarepresentada. En la primera pantalla, se indican las dimensiones de la tolva. En lasiguiente, se aplica abatimiento y giro para la obtención de las magnitudes del triánguloy generatrices respectivamente, con texto explicativo de cada paso, la representación delos diversos arcos dan lugar finalmente, al desarrollo lateral de la figura.

4 Consideraciones finalesA partir de los resultados obtenidos, puede considerarse que, en su conjunto, lametodología propuesta presenta las siguientes ventajas:

Solventa los trazados manuales sobre las chapas con el uso de cordeles y tizas que enocasiones pueden resultar engorrosos.

Se consiguen desarrollos mas exactos, evitándose los ajustes finales medianteamoladoras o otras técnicas.

Mejoras en la transferencia de información en paralelo, reduciendo el ciclo diseño-fabricación.

Proporciona claridad en la resolución de los casos a estudiar.

Se promueve la participación e implicación del alumno.

En breve, pueden llevarse desde sus casas vía internet o de otras aplicaciones, previaexplicación del profesor.

Se incentiva la aportación de nueva ideas, sobre temas que a los alumnos le resultencomplicados o arduos.

Se incorporan resoluciones de paso a paso, siempre con las opciones de seguir o volveratrás e incluso su reinicialización.

Se estimula al profesor en una posible reorganización de la metodología, empleándoseel método mas idóneo para los diferentes temas de estudios.

Y en sentido contrario, se puede apuntar:Método desconcertante desde el punto de vista de frecuencia alta de cambio.

La enseñanza virtual a distancia requiere unos medios de los que no siempre dispone unalumno medio.

Escasa valoración académica del esfuerzo de realización.

Referencias

1) AYALA, J., Trazado y Calculo de Caldereria. Urmo, S.A. de Ediciones. Bilbao,1975.

2) FERRER MUÑOZ, José Luis y SALVADOR HERRANZ, Gustavo. Tratado deDibujo con Autocad 2000i. 1ª Edición. Paraninfo. Madrid, 2001.

3) TODD PETERSON, Michael. Descubre 3D Studio Max 3. 1ª Edición. PrenticeHall. Madrid, 2000.

4) LARBURU ARRIZABALAGA, N. Calderería Técnica. Trazados Fundamentales.2ª Edición. Paraninfo. Madrid, 1990.

5) LARBURU ARRIZABALAGA, N. Calderería Técnica. Trazados Especiales. 2ªEdición. Paraninfo. Madrid, 1990.

6) LOBJOIS, D. Trazado de Planchistería y Calderería. Desarrollo de formaspoliédricas, cilíndricas y cónicas. 1ª Edición. Ceac. Barcelona, 1990.

7) LOBJOIS, D. Trazado de Planchistería y Calderería. Desarrollo de piezascomplejas e intersecciones. 1ª Edición. Ceac. Barcelona, 1990.

8) DIEGUEZ GONZÁLEZ, Agustín. Dibujo Geométrico y Normalización. 1ª Edición.Mcgraw-hill. México, 1974.

9) SANZ ARRANZ, J.M.; NIETO OÑATE, Mariano et al. Integración del Diseño yla Fabricación en las Construcciones Metálicas de Calderería. Actas del VICongreso de Expresión Gráfica en la Ingeniería. Toledo, 1994.

10) SÁNCHEZ SOLA, José Miguel et al. Método Gráfico para la Simulación del CorteTérmico de Chapas. XII Congreso Internacional de Ingeniería Grafica. Valladolid,2000.

11) SÁNCHEZ SOLA, José Miguel et al. Trazado gráfico para la simulación deprocesos de corte térmico de chapa aplicados a intersecciones de tuberías. IJornadas de Avances científicos en Ingeniería Industrial y Civil. Algeciras, 2001.