Análisis de elemento finito y rediseño mecánico de una Boya Oceanográfica y de Meteorología Marina del CIGoM

Abstract

El Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (CICESE), en colaboración con el Consorcio de Investigación del Golfo de México (CIGoM), diseñaron y manufacturaron un conjunto de Boyas Oceanográficas y de Meteorología Marina (BOMM) para el estudio de las condiciones ambientales en la región del Golfo de México como parte de su línea de investigación: plataformas de observación oceanográficas. Luego de aproximadamente seis meses de operación en las costas de Veracruz, la unidad BOMM-VER-2 muestra evidencia de fracturas en soldaduras y elementos estructurales en una de las secciones de la boya, las cuales comprometen su operatividad y la seguridad de los equipos instalados en la plataforma. Este trabajo final de graduación consiste en el estudio de esfuerzos mecánicos por medio del método de Análisis de Elementos Finitos (FEA) presentes en la BOMM-VER-2, con el fin de entender el comportamiento de la estructura mecánica de la boya bajo condiciones nominales de operación en el Golfo de México e identificar las condiciones potenciales que pueden ocasionar fallas estructurales. Para llevar a cabo la investigación, se tomaron en cuenta el viento, la corriente y el oleaje en la costa de Veracruz como condiciones ambientales de diseño. Se calculó la fuerza que ejercen estos fenómenos sobre la BOMM por medios analíticos y se validaron haciendo uso de la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD). Adicionalmente, se analizaron diversas mejoras de diseño estructural para evitar la formación de fracturas en la plataforma durante su funcionamiento. Como resultados, se obtiene un mapa de esfuerzos estáticos de la BOMM durante su operación donde se muestran las secciones que soportan mayor carga y un rediseño geométrico que reduce el máximo esfuerzo presente en la estructura en un 31 %.

Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (CICESE), in collaboration with Consorcio de Investigación del Golfo de México (CIGoM), manufactured a set of Oceanographic and Marine Meteorological Buoys (BOMM) for the study of environmental conditions in the Gulf of Mexico region as part of their research line: oceanographic observation platforms. After approximately six months of operation off the coast of Veracruz, the BOMM-VER-2 unit shows evidence of fractures in welds and structural elements in one of the buoy sections, which compromise its operability and the safety of the equipment installed on the platform. This final graduation work consists of the study of mechanical stresses by means of the Finite Element Analysis (FEA) method present in the BOMM-VER-2, to understand the behavior of the buoy's mechanical structure under nominal operating conditions in the Gulf of Mexico and to identify potential conditions that may cause structural failures. For this purpose, static, fatigue and welding tests were performed in SolidWorks design software. For the study, wind, current and tidal phenomena were considered as environmental design conditions. The force exerted by these phenomena on the BOMM was calculated by analytical means and validated using Computational Fluid Dynamics (CFD). Additionally, structural design alternatives were carried out to avoid the formation of fractures in the platform during its operation. As a result, a static stress map of the BOMM during its operation is obtained, showing the sections that support the highest load and a geometric redesign that reduces the maximum stress present in the structure by up to 31%.