Estudio de cálculo de frecuencias propias y resistencia a fatiga de tubos de Cu-DHP usados en bombas de calor

Esta tesis se centra en el análisis de la vida a fatiga de tubos de Cu-DHP sometidos a las cargas típicas de una bomba de calor utilizada en electrodomésticos. Debido a la relevancia de las cargas dinámicas generadas por el compresor en este cálculo, se ha dado especial importancia al estudio de las frecuencias naturales, incluyendo su determinación y los factores que las afectan. Entre estos factores, el módulo de Young juega un papel crucial, y para el Cu-DHP este varía dependiendo del nivel de trabajo en frío. Dado que los tubos de cobre se fabrican mediante extrusión en caliente, el nivel de trabajo en frío exacto es desconocido, aunque se asume que se encuentra en el rango superior. Para reducir la incertidumbre asociada al módulo de Young, se desarrolló un método para medir este parámetro junto con el coeficiente de Poisson en tubos pequeños, utilizando mediciones acústicas con micrófonos. Con el objetivo de predecir las frecuencias naturales desde la fase de diseño, se ha propuesto un modelo del sistema compuesto por los tubos de cobre, el compresor y los apoyos hiperelásticos mediante análisis modal por elementos finitos. En este modelo, los apoyos hiperelásticos se sustituyeron por materiales elásticos lineales con la misma geometría, y las conexiones se consideraron fijas, variando la longitud de tubo las secciones tratadas como tales. También se incluyeron análisis de factores como la temperatura, densidad y módulo de Young, entre otros, que influyen en las frecuencias naturales. Además, se recopiló información sobre la resistencia a fatiga del Cu-DHP y, debido a la limitada disponibilidad de datos, se extendió la revisión a cobres puros de composición química similar. Se analizaron los factores que afectan la resistencia a fatiga tanto en bajo ciclo como en alto ciclo, y se propuso un criterio de fallo basado en los modelos de Gerber elíptico y Langer. Paralelamente, se examinaron los diferentes tipos de carga soportados por los tubos de la bomba de calor y se desarrollaron métodos para calcular las tensiones producidas por estas cargas. A partir de un análisis modal ajustado, se realizaron simulaciones de cargas asociadas al transporte y dinámicas. Dado que las simulaciones de fatiga por elementos finitos con materiales no lineales, considerando endurecimiento cíclico, demandan altos recursos computacionales, se optó por aplicar la metodología de Yoichi Tamiya. Este enfoque utiliza tensiones lineales a las que se aplica la regla de Neuber en conjunto con la curva de Ramberg-Osgood. En este estudio, también se validó el uso de una curva bilineal isotrópica ajustada mediante ensayos de tracción como alternativa. Para validar esta metodología, se realizaron ensayos en tubos sometidos a presión interna con variaciones en espesores de pared y niveles de carga de flexión. Los resultados mostraron buena concordancia con los límites propuestos por Yoichi Tamiya y por este estudio, aunque el enfoque propuesto resultó ligeramente menos conservador. Adicionalmente, los ensayos de fatiga identificaron tres tipos de fallos, cuyas implicaciones en la vida a fatiga fueron evaluadas. Finalmente, se propuso el uso del cálculo de daño acumulado de Miner-Palmgren para evaluar los daños causados por cada una de las cargas consideradas. Sin embargo, se destaca la necesidad de realizar más ensayos para determinar con precisión la constante de Miner-Palmgren y mejorar la robustez de los resultados obtenidos. Para aumentar la fiabilidad se propone la medición de las deformaciones con galgas extensométricas y validar el modelo propuesto. La distribución de tensiones obtenida como resultado de los análisis por elementos finitos nos ayuda a localizar la mejor ubicación de las galgas y no posicionarlas en una zona que pueda sufrir deformación permanente.

This thesis focuses on the fatigue life analysis of Cu-DHP tubes subjected to typical loads from heat pumps used in household appliances. Given the critical role of dynamic loads generated by the compressor in this calculation, special emphasis was placed on the study of natural frequencies, including their determination and the factors influencing them. Among these factors, Young's modulus plays a key role and varies depending on the level of cold work in Cu-DHP. Since copper tubes are manufactured through hot extrusion, the exact level of cold work is unknown but is assumed to be in the upper range. To reduce the uncertainty associated with Young's modulus, a method was developed to measure this parameter, along with Poisson’s ratio, in small tubes using acoustic measurements with microphones. To predict natural frequencies during the design phase, a system model consisting of copper tubes, a compressor, and hyper elastic supports was proposed using finite element modal analysis. In this model, hyper elastic supports were replaced with linear elastic materials of the same geometry, and the tube connections were treated as fixed, varying the length of the sections considered fixed. Additionally, factors such as temperature, density, and Young's modulus, among others, that influence natural frequencies were analysed. Furthermore, data on the fatigue resistance of Cu-DHP were compiled. Due to the limited availability of data, the review was extended to pure coppers with similar chemical compositions. Factors affecting fatigue resistance in both low-cycle and high-cycle fatigue were analysed, and a failure criterion based on the Gerber elliptical and Langer models was proposed. In parallel, different types of loads borne by the tubes in the heat pump were examined, and methods to calculate the stresses produced by these loads were presented. Based on an adjusted modal analysis, simulations of transport and Dynamic loads were carried out. Considering that finite element fatigue simulations with nonlinear materials, including cyclic hardening, require high computational resources, Yoichi Tamiya's methodology was adopted. This approach applies Neuber's rule to linear stresses combined with the Ramberg-Osgood curve. In this study, the use of a bilinear isotropic curve, adjusted through tensile tests, was also validated as an alternative. To validate this methodology, tests were conducted on tubes under internal pressure with varying wall thicknesses and flexural load levels. The results showed good agreement with the limits proposed by Yoichi Tamiya and this study, although the latter was slightly less conservative. Additionally, fatigue tests identified three failure types, and their implications for fatigue life were evaluated. Finally, the Miner-Palmgren cumulative damage calculation was proposed to assess the damage caused by each of the described loads. However, more tests are needed to accurately determine the Miner-Palmgren constant and improve the robustness of the results. To enhance reliability, strain measurements using strain gauges are proposed to validate the suggested model. The stress distribution obtained from finite element analyses helps identify the optimal locations for placing the gauges, avoiding areas prone to permanente deformation.