El molino de bolas para cemento que analizamos había fallado en servicio. El objetivo fue determinar por qué: qué estado tensional produjo la grieta, en qué condición de carga se alcanzó el límite crítico y dónde empezó exactamente la fisura.
La función del molino es triturar partículas de cemento mediante el giro de un cuerpo cilíndrico que contiene bolas de acero. A lo largo del cilindro hay aperturas rectangulares —ventanas de inspección— cuyas esquinas son concentradores de tensión por geometría.
Modelado y mallado en Ansys APDL
La geometría se construyó por partes: cilindro, bridas de extremo y tapas. Para el cilindro y las bridas se usaron elementos SHELL182; para las tapas, PLANE181. Los nodos de unión se acoplaron para garantizar continuidad de desplazamientos en los puntos de tornillería.
La malla se refinó progresivamente en las esquinas de las ventanas, donde el gradiente de tensión es máximo. Un elemento demasiado grande en esa zona habría promediado el pico y lo habría ocultado.
El reto del modelo de carga
La carga de las bolas es siempre gravitatoria —dirigida hacia el suelo— pero la zona del cilindro que la recibe varía continuamente con el ángulo de giro. Desarrollé un código que itera sobre todos los ángulos posibles, rota la distribución de presión y ejecuta el análisis para cada posición, obteniendo la envolvente de tensión máxima a lo largo de todo un ciclo de giro.
Conclusión
Los resultados mostraron que la tensión alcanzaba su valor máximo cuando la carga se posicionaba exactamente sobre una ventana. Las esquinas concentraban tensión muy por encima del límite de fatiga del material. La grieta se propagó en el plano perpendicular a la tensión principal máxima —exactamente donde la autopsia del fallo la encontró.