Mechanical behavior of rock joints: influence of joint roughness on its closure and shear behavior

En esta tesis se estudia la fricción en juntas rocosas utilizando el Método de Elementos Discretos (DEM). En particular, se estudia la influencia de la rugosidad de las superficies de la junta, la elasticidad, la fractura, y el nivel de carga de compresión sobre el comportamiento de cierre y de cizalla de las juntas rocosas. Por primera vez la rugosidad de las juntas considerada como auto-afín es utilizada para estudiar la fricción de juntas rocosas, la rugosidad se describe mediante tres parámetros: el exponente de rugosidad, la longitud de correlación auto-afín y la varianza de alturas. Mediante un algoritmo de computadora basado en métodos espectrales, ocho superficies autoafines isotrópicas con diferente rugosidad fueron creadas. Posteriormente, las ocho superficies fueron utilizadas como moldes para generar las juntas utilizando elementos discretos. Antes de realizar las simulaciones de compresión y cizallaura, se calibraron las propiedades elásticas y de fractura (criterio de fractura elíptico basado en esfuerzos) de las juntas numéricas a los datos experimentales (obtenidos previamente) de unas muestras de mortero mediante la utilización de un volumen elemental representativo (REV). Una vez que las propiedades mecánicas de las juntas se obtuvieron mediante la calibración del REV, se realizaron las pruebas de cierre (prueba de compresión) de las ocho juntas DEM. Se utilizaron dos niveles de esfuerzo de compresión para las pruebas de cierre: 14 MPa y 21 MPa. Después, las ocho juntas DEM fueron cizalladas en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Para cada dirección de cizalla y cada nivel de esfuerzo de compresión (14 y 21 MPa), las juntas fueron cizalladas usando uno de los tres modelos mecánicos siguientes: 1) un modelo rígido, en el que las juntas no se pueden deformar, excepto en su superficie, 2) un modelo puramente elástico, en el que las juntas se pueden deformar en todo su volumen y 3) un modelo elástico con fractura en el que las juntas se pueden deformar en su volumen y, si el esfuerzo sobre las uniones entre partículas excede cierto nivel de esfuerzo máximo, las uniones se rompen de una manera irreversible. El uso de estos tres modelos mecánicos nos permitirá estudiar de manera sistemática: la influencia de la rugosidad (modelo rígido), la influencia de la elasticidad y rugosidad (modelo puramente elástico) y, finalmente, el efecto combinado de la rugosidad de las juntas, la elasticidad y la fractura (modelo elástico con fractura). El estudio de los resultados obtenidos de las simulaciones DEM es seguido por una análisis energético el cual permite estudiar la evolución de los diferentes tipos de energía en función del desplazamiento de cizalla: energía elástica almacenada en el sistema, energía de fricción entre elementos discretos, el trabajo relacionado con la dilatación de la junta y la energía disipada por el amortiguamiento interno del DEM.

Análisis estructural de un filtro de aceite sellado mediante el método de elemento finito

La industria automotriz en México se encuentra en continuo crecimiento, convirtiéndose en años recientes en un importante participante en la producción de vehículos a nivel mundial. El presente proyecto de investigación surge en una empresa de giro automotriz dedicada principalmente a la producción de filtros de aire y aceite. A través del tiempo y a medida en que los automóviles van evolucionando, la empresa debe cumplir las exigencias que se presentan año tras año por lo que se requiere cumplir con un estándar de calidad con el menor costo de producción posible. Los filtros de aceite están diseñados con el propósito de atrapar aquellas partículas de contaminantes contenidas en el aceite que pudieran dañar las partes del motor. El principal objetivo planteado en este trabajo fue analizar el comportamiento mecánico de dos elementos de un filtro de aceite durante el sellado del mismo, analizando su comportamiento en conjunto con los demás elementos del filtro. Así mismo, se evaluó la respuesta mecánica de los elementos estudiados durante una prueba mecánica para validar el funcionamiento adecuado antes de operación. Las pruebas mecánicas realizadas y los distintos diseños de elementos se propusieron indicando las partes modificadas. Se realizaron diferentes propuestas de diseños de espoleta para posteriormente realizar un análisis estructural mediante el método de elemento finito. En los diseños realizados se consideraron 3 variables principales, que son: el área de contacto entre los elementos, el cuerpo de espoleta y el nervio de espoleta. La geometría de la espoleta influyó considerablemente en el comportamiento mecánico durante el análisis estructural, medidas que se pueden tomar sin tener que adoptar un material con altas propiedades mecánicas para mejorar el comportamiento mecánico. Al aumentar el área de contacto entre los elementos de análisis, el esfuerzo generado en la espoleta obtiene una disminución considerable. En el presente estudio se desarrolló una metodología de diseño que permitió estudiar cambios geométricos virtuales en la espoleta. Dicha metodología puede ser adoptada por la empresa para este tipo de estudios, ahorrando costos y disminuyendo tiempos de fabricación. Este trabajo abre nuevas líneas de investigación relacionado al análisis de filtros de aceite, tales como: simulaciones considerando nuevas propuestas de material, modelos que involucren cambios geométricos en otros componentes del filtro para ahorro de material y simulaciones que involucren el sistema unificado del filtro.