Modelación matemática de procesos termomecánicos: Aplicaciones y limitaciones

La modelación matemática es una herramienta muy útil para el estudio de los procesos termomecánicos. Sin embargo, es importante no perder de vista que esta herramienta nos ofrece resultados que sólo serán útiles en la medida que las ecuaciones gobernantes, las propiedades y las condiciones iniciales y de frontera representen adecuadamente al proceso. Además, la modelación matemática es sólo una de las múltiples herramientas que pueden aplicarse al estudio de estos procesos. Por todo lo anterior, cualquier estudio de este tipo de procesos no debe limitarse al enfoque único de la modelación matemática. Habiendo dicho lo anterior, los modelos matemáticos ofrecen alternativas económicamente viables y más flexibles a la experimentación en planta.

En el grupo de Microestructura, contamos con uno de los mejores paquetes de software para la simulación de procesos termomecánicos: Deform 3D. Este sistema se basa en el método de elemento finito para discretizar las ecuaciones gobernantes. Es capaz de resolver de modo acoplado las ecuaciones de transferencia de calor y el tensor de deformación, usando propiedades dependientes de la temperatura y la velocidad de deformación que pueden ser tomadas de su amplia base de datos o definidas por el usuario. Además, cuenta con la posibilidad de usar materiales descritos por una mezcla de fases, usando la regla de la aditividad, lo cual abre la posibilidad de incluir en la simulación diversas transformaciones de fase. El cambio de volumen y consiguiente deformación causada por estos cambios de fase también son incluidos en el cálculo de las ecuaciones mecánicas gobernantes. Por los motivos anteriores, este software es usado en simulaciones de procesos de forja, rolado en caliente, tratamiento térmico, etcétera.

Animación del rolado en caliente de acero al C
Animación del rolado en caliente de acero al C

Sin embargo, como se mencionó anteriormente, para obtener resultados relevantes es necesario definir con precisión las propiedades termofísicas, mecánicas y de transformación para cada material. En el grupo de Microestructura usamos una amplia gama de técnicas de caracterización para obtener estas propiedades. En particular, contamos con un dilatómetro de temple que nos permite construir diagramas temperatura-tiempo-transformación (TTT) y enfriamiento continuo-transformación (CCT). La cinética de transformación así determinada incrementa en gran medida la utilidad del software. Respecto a las condiciones de frontera, haciendo uso del análisis térmico, tenemos la capacidad de determinar el coeficiente de transferencia de calor en la interface pieza-medio de temple.

Gracias a la conjunción de herramientas experimentales y computacionales, las habilidades del grupo han crecido de modo importante. Se ha podido utilizar el software para simular exitosamente la distorsión de componentes automotrices durante el temple. También se han desarrollado modelos del rolado en caliente de varilla a partir de materiales reciclados. Por último, el software también ha sido aplicado exitosamente en simulaciones de forja de aceros al carbono.

La experiencia adquirida por los integrantes del grupo de investigación permite ofrecer investigaciones basadas en esta herramienta de análisis, tanto para estudios aplicados a la industria, como en tesis de investigación de maestría y doctorado.

 

 

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