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La simulación resuelve el misterio de un accidente de ascensor

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Figura 1: (lr) Un modelo CAD de geometría de freno; configuración del modelo de desgaste del forro de freno que muestra el tambor de freno, los brazos y los pivotes; fuerzas opuestas de resorte y solenoide; y contacto entre las pastillas de freno y el tambor

La simulación multifísica se utiliza para investigar y determinar cómo un freno de ascensor falló prematuramente.

por el Dr. Stuart Brown, el Dr. Nagi Elabbasi y el Dr. Matthew Hancock

En 2007, un ascensor comenzó a moverse hacia arriba mientras los pasajeros salían, atrapando e hiriendo a un ocupante. Un freno de tambor destinado a mantener estacionario el ascensor falló, lo que provocó un movimiento inesperado. La investigación posterior reveló que un solenoide responsable de abrir y cerrar el freno se había deteriorado, lo que provocó que las pastillas de freno se arrastraran sobre el tambor y se desgastaran prematuramente. Cuando el solenoide no estaba activado, las zapatas de freno normales habrían empujado contra el tambor, evitando el movimiento del elevador. El desgaste excesivo de las zapatas de freno hizo que el freno no se mantuviera, lo que provocó el accidente. La Figura 1 muestra un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) del freno, en el que sus brazos se pivotan en la parte inferior y se cargan por resorte para mantener el contacto con el tambor.

Se presentaron cargos penales contra las empresas de mantenimiento de ascensores, alegando que en años anteriores había pruebas de que el solenoide se estaba deteriorando y que debían haberse realizado reparaciones. La pregunta no era si el solenoide había fallado, sino, más bien, ¿cómo falló y a qué velocidad?

Si la falla fuera rápida, habría sido poco probable que el accidente pudiera haberse anticipado. Sin embargo, si la falla supuso un deterioro lento, quizás el accidente podría haberse evitado. Se sugirieron muchas teorías posibles del fracaso. Veryst Engineering fue contratada para investigar la validez de las diferentes teorías de fallas, y la simulación jugó un papel fundamental en nuestra investigación.

Análisis de falla de solenoide

Después del accidente, los investigadores descubrieron que el solenoide tenía aproximadamente la mitad de la resistencia eléctrica de un solenoide sin daños y, por lo tanto, generaba menos fuerza en comparación con un solenoide sin daños. Se propusieron varias teorías para explicar cómo pudo haber ocurrido esta falla.

Una teoría para la falla lenta era que la expansión y contracción térmica dentro del solenoide debido al calentamiento resistivo producía altas tensiones que conducían a un agrietamiento lento y progresivo de los cables dentro de la bobina del solenoide. Las grietas reducirían la fuerza electromotriz del solenoide (EMF), lo que provocaría el arrastre de la zapata de freno. Para probar esta teoría, utilizamos el software COMSOL Multiphysics® para producir un análisis de tensión termomecánica acoplada del solenoide. El modelo demostró que las tensiones no eran lo suficientemente grandes como para producir agrietamiento, por lo que demostró que la expansión y contracción debidas al calentamiento resistivo no fue la causa de la falla.

Una segunda teoría para la falla lenta era que la propia EMF generaba grandes tensiones en la bobina, lo que provocaba que fallara durante un período prolongado de tiempo. Probamos esto realizando un análisis electromecánico acoplado (Figura 2). El software de simulación se utilizó para calcular la fuerza de Lorentz dentro de la bobina del solenoide, lo que demuestra que la fuerza en toda la bobina era prácticamente insignificante.

Por el contrario, una teoría para la falla rápida del solenoide estipulaba que el calentamiento localizado dentro del solenoide provocaba un cortocircuito entre los cables de la bobina adyacentes. Si bien no analizamos esta teoría directamente, nuestro análisis que refuta las teorías de falla lenta anteriores redujo el campo de posibles modos de falla y apoyó el escenario de falla rápida.

Análisis del desgaste rápido de los forros de freno

Además del análisis de fallas del solenoide, investigamos el efecto de un solenoide dañado en el desgaste de las pastillas de freno. Dado que el solenoide involucrado en el accidente no pudo generar la fuerza de un solenoide normal, ¿podrían las pastillas de freno también haberse deteriorado tan rápidamente? Después del accidente, los investigadores descubrieron que el desgaste de los forros de los frenos era extenso y asumieron que este grado de desgaste tenía que haber ocurrido gradualmente.

Para probar si el desgaste extenso de los frenos podría haber ocurrido rápidamente debido a un solenoide dañado, desarrollamos un modelo computarizado del freno para calcular el desgaste local del forro del freno. El modelo incluía el pivote del brazo del freno, así como las fuerzas opuestas de los resortes y el solenoide dañado. Además, el modelo incluía datos de los experimentos de desgaste extensivo realizados por los investigadores en los forros de freno de tambor prototipo, que dieron como resultado datos que correlacionan las tasas de desgaste de los forros a granel con la temperatura del tambor de freno.

Usamos estos datos de temperatura-desgaste combinados con un modelo de tasa de desgaste comúnmente utilizado en la industria de frenos para desarrollar un modelo de tasa de desgaste local. El modelo se implementó utilizando tanto el Módulo de Mecánica Estructural como ecuaciones diferenciales definidas por el usuario definidas en las superficies de los forros de freno. La condición de límite de contacto disponible en el software de simulación proporcionó la presión de contacto local para el modelo, que se utilizó para determinar la tasa de desgaste local en cada punto a lo largo de las pastillas de freno. El desgaste previsto del forro de freno se utilizó, a su vez, para especificar un desplazamiento de la superficie del freno original en la condición de límite de contacto, una suposición válida siempre que la cantidad de desgaste sea pequeña en comparación con el grosor del forro. La entrada a la simulación de desgaste fue un historial de tiempo asumido de la temperatura del tambor. Validamos este enfoque de modelado de desgaste mediante la simulación de dos problemas de desgaste mecánico: el desgaste resultante del contacto entre el pasador y el disco y el desgaste de los frenos de disco de los automóviles.

La condición de límite de contacto dentro del Módulo de Mecánica Estructural del software y la capacidad de implementar fácilmente ecuaciones diferenciales definidas por el usuario simplificaron la programación del proceso de desgaste y nos ayudaron a evitar métodos engorrosos, como la eliminación de elementos de malla. Este tipo de análisis habría sido imposible o prohibitivamente difícil con cualquier otro paquete de elementos finitos.

La Figura 3 muestra el modelo de elementos finitos utilizado en el análisis de desgaste. La figura 4 muestra una comparación entre el desgaste de las guarniciones de freno medido y previsto a lo largo de la longitud de los frenos al final de la prueba. El modelo también predijo cómo la profundidad de desgaste variaba con el tiempo. Los resultados de la simulación de desgaste indicaron que un solenoide dañado podría provocar altas temperaturas en el tambor, lo que provocaría un rápido desgaste de las pastillas de freno.

 En otras palabras, la gran cantidad de desgaste de las pastillas de freno fue totalmente consistente con un rápido tren de eventos, desde el rápido deterioro del solenoide hasta el rápido y extenso desgaste de las pastillas de freno. Esta teoría del fallo rápido proporcionó una explicación alternativa, coherente y científicamente sólida del accidente, que no involucró procesos lentos.

Conclusión

Si bien podemos imaginarnos fácilmente la simulación como una parte integral del diseño del producto, otros usos son igualmente importantes. La simulación fue un contribuyente esencial para esta investigación, permitiéndonos investigar rápidamente diferentes escenarios al permitirnos importar y manejar diferentes geometrías fácilmente, incluir múltiples físicas en una sola simulación e importar y usar datos experimentales con nuestras simulaciones. Las simulaciones proporcionaron una forma eficiente y sistemática de probar y evaluar los escenarios de falla, un enfoque que nadie más había probado.

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Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi y Dr. Matthew Hancock

Dr. Stuart Brown, Dr. Nagi Elabbasi y Dr. Matthew Hancock

El Dr. Stuart Brown es socio gerente de Veryst Engineering, una firma consultora de ingeniería del área de Boston. Antes de fundar Veryst Engineering, Brown fue director de la Oficina de Exponent, Inc. de Boston. Antes de esto, estuvo en la facultad del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Es experto en resistencia de materiales y ha sido consultor en procesos de fabricación y brinda asesoría técnica en productos de consumo, componentes electrónicos y eléctricos y equipos industriales.

El Dr. Nagi Elabbasi es ingeniero gerente en Veryst Engineering. El área de especialización principal de Elabbasi es el modelado y simulación de sistemas multifísicos y no lineales. Tiene una amplia experiencia en el modelado de elementos finitos y trabaja con clientes en las industrias biomédica, nuclear, geotécnica, de construcción, automotriz y de productos de consumo para resolver problemas de diseño y rendimiento de productos. Antes de unirse a Veryst, fue ingeniero de I + D en ADINA, una empresa de desarrollo de software de elementos finitos. También ha ocupado puestos postdoctorales en el MIT y la Universidad de Toronto.

El Dr. Matthew Hancock es ingeniero senior en Veryst Engineering. Hancock tiene una amplia experiencia en mecánica de fluidos y modelado computacional, que incluye microfluidos, humectación de superficies texturizadas, efectos de tensión superficial, transferencia de calor y masa, interacción sólido-fluido, movimiento de ondas y análisis multiescala. Ha sido coautor de docenas de artículos de investigación revisados ​​por pares en revistas como Nature Materials, Lab on a Chip, Small y Biomaterials. Ha trabajado en entornos académicos, médicos e industriales, tanto como líder de proyectos como consultor de ingeniería basada en modelos. Antes de unirse a Veryst, Hancock fue científico visitante en el MIT y el Instituto Broad de Harvard, investigador postdoctoral en la Facultad de Medicina de Harvard y en la Universidad Estatal de Pensilvania, e instructor en el Departamento de Matemáticas Aplicadas del MIT.

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