Harriaren egituraren zenbakizko eredua artezketan

Juan Luis Osa, Ana Boyano, Borja Fernandez-Gauna eta Mikel Larrañaga

Gure aiton-amonek aizkorak eta erremintak zorrozteko erabiltzen zuten harria, gaur egun elementu mekanikoen fabrikazioan ezinbesteko eragiketa bihurtu da. Bere eraldaketaren arrakasta, material gogorretan gainazal-akabera eta doitasun bikainak lortzeko duen gaitasuna izan da.

Eskakizun tekniko zorrotzak dituzten elementu mekanikoetan erabiltzen denez, artezketa balio erantsi handiko eragiketa da. Prozesu urratzaileei buruzko azterketa gehienak deterministak izan dira, zientzian baino esperientzian oinarritutakoak. Prozesu urratzaileak, teknologia ez, artea direla esan ohi da.

Gaur egungo harriak diseinuzko konglomeratu artifizialak dira. Ale urratzaile gogorrak harroketaz arduratzen dira eta hauskorragoa den aglomeratzaileak eusten ditu aleak, tarteetan poroak eratuz. Harriaren morfologia granularrak eta propietate mekanikoek eragin zuzena dute arteztean.

Hasteko, harriaren gainazalaren topografian eragiten du, piezaren gainazalerekin interakzio zuzena duena material harroketan. Era berean, ale-neurriak, urratzaile frakzioak eta aglomeratzailearen erresistentziak harriaren gradua edo gogortasuna finkatzen dute: ale bat harriaren gainazaletik askatzeko erresistentzia. Urratzaile-aglomeratzaile bikoteak osatutako solidoak gainera, kontaktu-baldintzak aldatu, eta bero-fluxuan (kalte-termikoa) eta aleen higaduran eragiten du. Beraz, nabarmena da harriaren osaketaren eragina artezketan. Izatez, aplikazio bakoitzak bere harri konposizio egokia dauka. Interesgarria izango litzateke, osagaien konbinazio jakin batentzat, harriaren propietateak aurreikusten dituen eredua izatea.

Azken hamarkadetan artezketaren zenbakizko ereduen garapena oso aktibo egon da, prozesuaren optimizazioa bultzatzeko. Harria solido ez-jarraitu heterogeneoa da. Ondorioz, bere portaera mekanikoa deskribatzeko ingurumen jarraituen mekanikako ohiko zenbakizko erreminten erabilera zailtzen da. Azken urtetan, geotekniarako garatu zen elementu diskretuen metodoa (discrete element method, DEM), artezketaren simulazioan indartsu sartu da, eremu granularrak deskribatzeko duen potentziala profitatuz.

Lan honek harriaren egitura granularraren zenbakizko eredua DEM bidez aurkezten du. Ereduak harriaren ezaugarri morfologikoak eta propietate mekanikoak aurreikustea du helburu. Ereduak gaurdaino aurkeztutakoen gabeziak betetzera dator. Lanaren abiapuntua, harriak dituen ezaugarri morfologikoen eta propietate mekanikoen deskribapena da, bere fabrikazioan urratzaile-aglomeratzaile nahasketaren, trinkotzearen eta labealdiaren ondorio direnak. Azterketak harriaren egitura definitzen duten parametro nagusiak identifikatu ditu, besteak beste, ale-neurria, urratzaile frakzioa eta harriaren gradua. Azken honek, harriaren zurruntasunarekin zeharka erlazioa duena.

Aurreko guztiak kontutan hartuta, harriaren egitura DEM eredu bidez eraikitzeko metodologia berria aurkezten da. Ereduak ale urratzaile bakoitza elementu diskretu batez adierazten du; kontaktuan dauden elementuen artean ipinitako habeek berriz aglomeratzailearen rola hartzen dute. Elementuak kontaktuan egotea ezinbestekoa da, errealitatean horrela gertatzen baita. Horretarako koordinazio zenbakia (elementuko kontaktu/habe kopurua) urratzaile frakziora eta ale-neurrira moldatzen da. DEM eredua gai da ale-neurriarekiko urratzaile frakzio muga teknologikoak estimatzeko eta muga horiek koordinazio zenbakiaren menpeko direla frogatzen du. Lehen zati honetan, DEM ereduak harriaren egitura granularra deskribatzen du.

Habe sareak hiru dimentsiotako egitura espaziala sortzen du eta horien lan konbinatuak ematen die zurruntasuna ereduari. Harriaren propietate mekanikoak pultsuaren erantzunaren bidez neurtzen dira modu erraz ez-suntsikorrean. Esperimentalki antzemandako balio homogeneoak urratzaile-aglomeratzaile bikoteak eskala batetik aurrera azalarazten dira. Horregatik beharrezkoa da bolumen elementu adierazgarria (representative volume element, RVE) definitzea, hau da, ereduaren dimentsioaren eta elementuen bataz besteko diametroaren arteko erlazio minimoa aztertzea. Bestalde, habeen propietate mekanikoak ezin dira zuzenean aplikatu ingurune jarraituetan egiten den antzera. Beraz, habeen propietateak kalibratu egiten dira zenbakizko trakzio-frogetako emaitzak esperimentalki antzeman direnekin parekatuz.

Lan honetan harriaren DEM eredua eraikitzeko prozedura berria aurkezten da, propietate mekanikoen homogeneizazio prozesua ere azalduz. Garatutako eredua, harriaren osagaietatik abiatuz, lortutako egitura granularra eta zurruntasuna aurreikusteko balio du.

Artikuluaren fitxa

• Aldizkaria: Ekaia
• Zenbakia: Ale berezia. 2018
• Artikuluaren izena: Harriaren egituraren zenbakizko eredua artezketan.
• Laburpena: Harriaren portaera artezketa eragiketan, hein handi batean, bere egitura granularraren naturatik datorkio. Gaur egungo harriak aglomeratzaileak batzen dituen ale urratzaile gogorrez osatutako diseinuzko konglomeratu porotsuak dira. Alearen ezaugarriek, aglomeratzailearen erresistentziak eta, poroekin batera, hiruren arteko proportzioak harriaren izaera baldintzatzen dute. Ekoizpen prozesua erdi-sekretua izan ohi da, ekoizlearen urteetako esperientziaren emaitza. Harriaren propietate mekanikoak, diseinuzko material izaki, aurrez ezagutu ahal izan beharko lirateke. Hala ere, bere natura heterogeneo konplexuak modelizazioa zailtzen du. Berriki, elementu diskretuen metodoa aplikatu da harriaren portaera simulatzeko. Lan honetan eredua eraikitzeko prozedura berria aurkezten da. Lanak propietate mekanikoen homogeneizazio prozesua ere azaltzen du.
• Egileak: Juan Luis Osa, Ana Boyano, Borja Fernandez-Gauna, Mikel Larrañaga.
• Argitaletxea: UPV/EHUko argitalpen zerbitzua
• ISSN: 0214-9001
• Orrialdeak: 173-190
• DOI: 10.1387/ekaia.17880

Egileez

Juan Luis Osa UPV/EHUko Ingeniaritza Mekanikoa Sailekoa da Eibarren, Ana Boyano UPV/EHUko Ingeniaritza Mekanikoa Sailekoa da Vitoria-Gasteizen, Borja Fernandez-Gauna UPV/EHUko Hizkuntza eta Sistema Informatikoak Saileko Adimen Konputazionala Taldean dabil eta Mikel Larrañaga UPV/EHUko Hizkuntza eta Sistema Informatikoak Saileko GALAN Taldean dabil.

Ekaia aldizkariarekin lankidetzan egindako atala.