Del Flujo del Mineral a la Integridad Estructural: Integración DEM + FEA con ANSYS Rocky y Mechanical para Mejorar la Confiabilidad de Equipos Mineros
Predecir el comportamiento estructural de un equipo minero bajo condiciones reales de operación es uno de los desafíos más complejos en ingeniería. No basta con saber que el trommel gira a 10 RPM y procesa cierta tonelada por hora, lo que realmente determina si el equipo va a fallar es lo que ocurre adentro: cómo impacta el mineral contra la malla, en qué zonas se concentran esos impactos y cuántos ciclos puede soportar la estructura antes de que falle.
En el Semco Lab de marzo de 2026 demostramos una metodología que responde exactamente esas preguntas: la integración de análisis DEM (Método de Elementos Discretos) con análisis FEA (Análisis de Elementos Finitos) sobre ANSYS Rocky y ANSYS Mechanical. Una cadena de simulación que conecta el comportamiento del mineral con la respuesta mecánica del equipo y que convierte variables de proceso en variables de integridad estructural.
A continuación, te presentamos el desarrollo completo.
¿Qué es la integración DEM + FEA y por qué es clave para la confiabilidad de equipos mineros?
Tradicionalmente, el análisis de proceso y el análisis estructural se abordan por separado. El área de proceso estudia cómo fluye el mineral; el área de ingeniería estructural evalúa si la estructura aguanta las cargas. El problema es que esas cargas se estiman, no se calculan con precisión.
La integración DEM + FEA elimina esa brecha. El análisis DEM modela el comportamiento real del mineral cada partícula, su tamaño, masa, velocidad y cómo interactúa con la estructura y transfiere esos datos directamente al análisis estructural como cargas reales, no estimadas. El resultado es una evaluación de integridad estructural basada en lo que realmente ocurre dentro del equipo durante la operación.
Esto tiene implicaciones directas para el diseño, el mantenimiento predictivo y la estimación de vida útil de equipos como trommels, molinos, chancadoras y otros equipos de procesamiento de mineral.
Análisis DEM con ANSYS Rocky: modelando el comportamiento del mineral dentro del trommel
El análisis DEM desarrollado para este caso tuvo como propósito construir un modelo representativo y calibrable del comportamiento granular dentro de un trommel perforado. El objetivo central fue evaluar su desempeño de cribado y, a partir de ello, transferir las cargas dinámicas obtenidas hacia un análisis estructural transitorio en ANSYS Mechanical.
¿De qué depende el funcionamiento de un trommel?
Desde el punto de vista físico, el funcionamiento del trommel depende de la interacción simultánea de varios factores: la velocidad de rotación, la inclinación del tambor, la tasa de alimentación, el patrón de levantamiento y cascada de las partículas, y la relación entre la distribución de tamaños de partícula (PSD) y el tamaño de abertura de la malla.
En este tipo de equipos, la separación no está gobernada únicamente por el tamaño geométrico de las perforaciones, sino también por la dinámica interna del lecho granular. Un régimen de operación adecuado debe favorecer mecanismos de cascading y cataracting sin llegar a un estado centrífugo en el que el material se adhiera a la pared y disminuya la efectividad del cribado.
El trommel de referencia utilizado para este análisis presentó las siguientes características: diámetro de 1.80 m, longitud de 3 m, velocidad de giro de 10 RPM, inclinación de 5° y aberturas cuadradas de 80 × 80 mm.
Definición de la distribución granulométrica (PSD)
La selección de la PSD fue una de las decisiones centrales del modelo DEM. Dado que el objetivo era estudiar el comportamiento del material respecto al corte generado por una abertura de 80 mm, la granulometría se estructuró alrededor de ese tamaño crítico, agrupando el material en tres fracciones:
- Finos: partículas que pasan con facilidad por las aberturas de la malla.
- Near-cut: partículas ubicadas alrededor del tamaño de corte. Son las más sensibles a la orientación, los contactos y las condiciones de operación, y las que controlan en mayor medida la eficiencia de separación.
- Gruesos: partículas que deben reportarse mayoritariamente al overflow.
Esta clasificación simplificada permite capturar la física dominante del proceso sin introducir desde el inicio una PSD excesivamente compleja. La fracción near-cut es la más importante durante la etapa de calibración, ya que es la que define qué tan bien el modelo reproduce la eficiencia real del equipo.
Modelo de contacto Hertz-Mindlin y parámetros de calibración
El modelo DEM se construyó utilizando una formulación de contacto tipo Hertz-Mindlin complementada con resistencia a la rodadura. Esta combinación es apropiada para equipos rotantes, ya que la rodadura influye de manera importante en el ángulo de reposo, en la movilidad del lecho y en la forma en que las partículas avanzan o se retienen temporalmente sobre la superficie interna del tambor.
Los parámetros prioritarios de calibración fueron la fricción estática y dinámica entre partículas y partícula-pared, la rolling resistance y el coeficiente de restitución. Estos parámetros gobiernan la disipación de energía, el rebote, la movilidad relativa de las partículas y la forma general del flujo. La estrategia de calibración se apoya en prácticas estándar como ensayos o referencias equivalentes de ángulo de reposo, packing y flujo en tambor.
Configuración del setup en ANSYS Rocky
El setup en ANSYS Rocky se estructuró a partir de la importación de la geometría del sistema, incluyendo el cilindro perforado, la zona de alimentación y los componentes auxiliares de entrada y descarga. A nivel cinemático, se definió el movimiento rotacional del trommel mediante su correspondiente motion frame a 10 RPM. La alimentación se configuró como una condición de flujo controlado en masa/tiempo, y se definieron los materiales e interacciones asociados al conjunto de partículas y superficies. El solver se ajustó en términos de paso de tiempo, frecuencia de salida de resultados y criterios numéricos compatibles con la posterior exportación de cargas dinámicas a Mechanical.
Alt: Configuración del modelo DEM del trommel minero en ANSYS Rocky con flujo granular y movimiento rotacional a 10 RPM
Postproceso: eficiencia de cribado, potencia consumida y tiempo de residencia
El postproceso del modelo DEM se enfocó en tres grupos principales de indicadores:
- Eficiencia de cribado: evaluada mediante la clasificación de partículas removidas y retenidas, y el seguimiento de la segregación de las distintas fracciones granulométricas.
- Potencia consumida: obtenida a partir de las curvas de potencia suministrada por la geometría en movimiento, como una métrica útil para contrastar el orden de magnitud energético del sistema.
- Tiempo de residencia: estimado mediante seguimiento individual de partículas, lo que permite interpretar tanto la permanencia del material dentro del equipo como la exposición efectiva de cada fracción a la superficie de cribado.
En conjunto, estas métricas permiten juzgar si el modelo reproduce de forma razonable el compromiso entre clasificación, transporte y demanda energética.
Eficiencia de Cribado
Alt: Gráfico de eficiencia de cribado del trommel minero obtenida mediante simulación DEM en ANSYS Rocky por fracción granulométrica
Un aspecto clave del presente trabajo fue que el análisis DEM no se consideró un fin en sí mismo, sino la base para el estudio estructural posterior. A partir de la simulación en Rocky, se exportaron cargas dinámicas transitorias hacia ANSYS Mechanical para mapear las presiones de impacto sobre la estructura del trommel. Se seleccionó un intervalo de análisis entre los segundos 25 y 31, correspondiente a un ciclo completo de giro con el equipo cargado. Esta integración extiende el valor del modelo más allá del desempeño de proceso, conectando directamente la dinámica interna del lecho con la aparición de esfuerzos, zonas críticas, factores de seguridad y evaluaciones de fatiga en el equipo.
Tracking de partículas Python Shell por PID
Alt: Tracking de partículas por PID mediante Python Shell en simulación DEM de trommel minero en ANSYS Rocky
De este modo, la simulación DEM se convierte en el puente entre el comportamiento real del material y la evaluación mecánica del equipo, habilitando una metodología integrada para diagnóstico, optimización y validación de diseño.
Análisis Mecánico con ANSYS Mechanical: de las cargas DEM a la respuesta estructural del trommel
El análisis en ANSYS Mechanical se desarrolló utilizando como punto de partida los resultados de la simulación DEM ejecutada en ANSYS Rocky. A partir de ese análisis previo, se extrajeron las distribuciones de presiones de impacto generadas por la interacción entre el trommel y las partículas, considerando una velocidad de operación de 10 RPM.
La información disponible corresponde a un intervalo de 6 segundos, equivalente a una rotación completa (360°) del equipo en condición completamente cargada comprendido entre el segundo 25 y el segundo 31. Este intervalo permite capturar de manera adecuada la evolución de las cargas de impacto a lo largo de un ciclo completo de operación.
| Rango de tiempo importado de DEM: | Inicio – Segundo 25 |
| Fin – Segundo 31 |
Preparación de geometrías: del modelo CAD al modelo de simulación
En un proyecto de carácter comercial, las geometrías de diseño suelen estar orientadas a la fabricación y al ensamble de los componentes, incluyendo un alto nivel de detalle como tornillos, tuercas y cordones de soldadura. Ese nivel de detalle implica una carga computacional elevada que, para un análisis estructural global como este, no es necesaria.
Para esta demostración, la geometría ya había sido simplificada eliminando esos elementos. Adicionalmente, se aplicó un nivel extra de idealización mediante la conversión de cuerpos sólidos 3D a representaciones tipo shell.
Alt: Preparación de geometría shell del trommel minero en ANSYS Discovery para reducir elementos de malla en análisis estructural FEA
Los cuerpos tipo shell permiten modelar estructuras delgadas mediante superficies que almacenan el espesor como una propiedad, reduciendo significativamente el número de elementos de malla sin comprometer la precisión en este tipo de estructuras. Esta transformación fue realizada utilizando ANSYS Discovery, aplicándose a los componentes principales de espesor constante: la malla y las bridas del trommel.
Análisis Modal: identificando las frecuencias naturales del sistema
Dado que las cargas importadas desde el análisis DEM están definidas en el dominio del tiempo, es fundamental evaluar previamente el comportamiento dinámico del sistema mediante un análisis modal. Este análisis permite identificar las frecuencias naturales y los modos de vibración de la estructura antes de someterla a las cargas transitorias.
En ANSYS Mechanical, este proceso se integra mediante el módulo de Modal Analysis, el cual puede complementarse con un estado de precarga estructural que considere el peso propio del equipo y las fuerzas inerciales asociadas a la rotación. Ambos efectos afectan directamente las frecuencias naturales del sistema y no pueden ignorarse en equipos rotantes.
Módulos de resolución anidados. Análisis Modal con pre-carga
Alt: Módulos de resolución anidados en ANSYS Workbench para análisis modal con precarga estructural aplicada al trommel minero
Los resultados del análisis modal arrojaron 12 modos de vibración con sus respectivas frecuencias naturales:
| Modo | Frecuencia (Hz) | Modo | Frecuencia (Hz) |
| 1 | 30,55 | 7 | 47,70 |
| 2 | 35,97 | 8 | 48,54 |
| 3 | 42,39 | 9 | 51,02 |
| 4 | 45,91 | 10 | 51,81 |
| 5 | 47,01 | 11 | 69,16 |
| 6 | 47,46 | 12 | 72,04 |
Modos y frecuencias naturales
Modo 4
Alt: Animación del Modo 4 de vibración del trommel minero a 45.91 Hz identificado en análisis modal con precarga en ANSYS Mechanical
Se identificó que el Modo 4 presenta un factor de participación significativo en la dirección radial, que coincide con la dirección predominante de los impactos internos del equipo. La frecuencia natural asociada a este modo es de 45.91 Hz, correspondiente a un periodo de 0.0218 s.
Este resultado proporciona una referencia valiosa para futuros estudios de vibración: se recomienda trabajar con un paso de tiempo en la simulación DEM que sea como mínimo igual a la mitad de este periodo, garantizando que esa dinámica quede correctamente capturada.
H3: Análisis Transitorio: cómo los impactos del mineral afectan la estructura
El análisis transitorio se enfoca específicamente en evaluar cómo los impactos generados durante un ciclo completo de giro afectan a la estructura del trommel. Adicionalmente a la geometría preparada en la etapa anterior, se incluyeron elementos para representar los rodillos sobre los cuales el equipo se encuentra girando.
Geometría utilizada en el análisis transitorio
Alt: Geometría del trommel minero con rodillos de soporte configurada para análisis transitorio en ANSYS Mechanical
Definición de materiales y curva S-N para análisis de fatiga
Dado que posteriormente se realizará una evaluación de fatiga, es necesario definir materiales que incluyan curvas S-N (esfuerzo vs. número de ciclos). ANSYS Mechanical cuenta con una serie de materiales definidos por defecto; sin embargo, también es posible crear materiales con propiedades personalizadas referenciadas a bibliografía específica del proyecto.
Curva Esfuerzo alternante vs Numero de Ciclos
Alt: Curva S-N de esfuerzo alternante vs número de ciclos para acero estructural utilizada en análisis de fatiga en ANSYS Mechanical
Para este proyecto demostrativo se consideró acero estructural.
Importación de cargas DEM y consideraciones dinámicas del análisis
La transferencia de cargas desde ANSYS Rocky se realiza mediante la integración de sistemas en ANSYS Workbench, conectando directamente los resultados del análisis DEM con el modelo transitorio en Mechanical.
Alt: Integración de sistemas en ANSYS Workbench conectando resultados DEM de ANSYS Rocky con análisis transitorio en ANSYS Mechanical
Las cargas importadas se representan como campos de presión distribuidos sobre la superficie de la malla, visualizados mediante vectores que indican magnitud y dirección en cada paso de tiempo.
Alt: Campo de presiones con vectores de magnitud y dirección sobre la malla del trommel importado desde ANSYS Rocky hacia ANSYS Mechanical
Un aspecto importante es que estas cargas se importan considerando que las superficies se encuentran en un sistema de referencia estático. Esto implica que el trommel permanece fijo en el modelo estructural y son las cargas las que rotan alrededor del equipo en cada paso de tiempo.
Para representar adecuadamente las condiciones operativas reales, se incluyeron efectos dinámicos adicionales sincronizados con la rotación del equipo:
- Fuerzas centrípetas, mediante la condición Rotational Velocity, que introduce efectos de cargas inerciales del movimiento rotativo sin necesidad de rotar la geometría.
- Gravedad, cuya dirección se actualiza en cada paso de tiempo para reflejar la posición real del equipo.
- Rodillos de soporte, cuya posición relativa al trommel varía con la rotación.
Estas condiciones se sincronizaron para reproducir el comportamiento real del equipo a 10 RPM. Durante la simulación estructural, el equipo se percibe estático respecto al sistema global de coordenadas y es el mundo alrededor el que gira.
Resultados: zonas críticas, factores de seguridad y vida útil del trommel
H3: Distribución de esfuerzos durante el ciclo operativo
Los resultados del análisis transitorio evidenciaron concentraciones elevadas de esfuerzo en una zona específica de la malla en tres instantes distintos durante el ciclo de 6 segundos.
Distribución de esfuerzos en MPa – Sección de equipo Trommel
Alt: Distribución de esfuerzos en MPa en sección del trommel minero durante análisis transitorio en ANSYS Mechanical tres instantes críticos
Alt: Tabla de concentración de esfuerzos en MPa en zona crítica del trommel minero en ANSYS Mechanical ciclo operativo completo
| Punto | Segundo de Análisis | Esfuerzo (MPa) |
| 1 | 5,1 | 84,79 |
| 2 | 5,275 | 48,27 |
| 3 | 5,7 | 30,09 |
Estos picos de esfuerzo coinciden directamente con los incrementos puntuales en las presiones de impacto obtenidas en la simulación DEM, confirmando la correlación entre la dinámica de partículas y la respuesta estructural del equipo.
Correlación Esfuerzo – Carga Importada
Alt: Gráfico de correlación entre esfuerzo estructural y carga dinámica importada desde ANSYS Rocky en análisis integrado DEM FEA
A partir de estos resultados, el análisis se enfocó en la zona de mayor concentración de esfuerzos. Sobre esta región crítica se evaluaron los factores de seguridad para el instante de mayor carga, identificando el nivel de solicitación estructural en la condición más exigente.
Zona crítica – Agujero de Malla
Alt: Zona crítica en agujero de malla del trommel minero con concentración de esfuerzos identificada mediante análisis FEA en ANSYS Mechanical
| Punto | Segundo de Análisis | Esfuerzo (MPa) |
| 1 | 5,1 | 2,94 |
| 2 | 5,275 | 5,79 |
| 3 | 5,7 | 8,35 |
Análisis de fatiga con criterio de Goodman: estimando la vida útil del trommel
En base a la evaluación de la zona crítica, se llevó a cabo un análisis de fatiga considerando un ciclo de carga definido entre los niveles mínimo y máximo de esfuerzo en esa región. Se utilizó un factor de fatiga Kf = 0.5, una vida de diseño de 1×10⁵ ciclos y el criterio de falla basado en la teoría de Goodman, empleando las herramientas de fatiga disponibles en ANSYS Mechanical.
Tiempo de vida en ciclos de Zona Crítica
Alt: Tiempo de vida en ciclos de la zona crítica del trommel minero obtenido con análisis de fatiga Goodman en ANSYS Mechanical
| Tiempo de Vida (Ciclos) | Tiempo de Vida (Horas) | Daño Acumulado |
| 6.362 x 105 | 1060 | 0.157 |
Evaluación de biaxialidad y análisis cinemático
Con el objetivo de complementar el análisis de fatiga, se realizó una evaluación de biaxialidad en la zona crítica para los tres instantes de mayor carga. La biaxialidad permite describir cómo se distribuyen los esfuerzos principales en un punto, indicando si el estado de carga es predominantemente uniaxial o multiaxial.
Biaxialidad en zona critica
Alt: Análisis de biaxialidad en zona crítica del trommel minero para los tres instantes de mayor carga en ANSYS Mechanical
Los resultados muestran variaciones en la magnitud y dirección de los esfuerzos durante el ciclo de carga. Si bien estas variaciones no son dominantes, sí resultan suficientes para influir en la evaluación de fatiga, lo que respalda el uso de metodologías más avanzadas como ANSYS nCode DesignLife. Esta herramienta permite considerar la evolución completa del estado de esfuerzos multiaxiales y puede integrarse directamente en el flujo de trabajo, dado que el análisis transitorio ya ha sido resuelto.
De manera complementaria, se realizó una evaluación cinemática en puntos seleccionados del modelo para obtener desplazamientos, velocidades y aceleraciones a lo largo del tiempo.
Distribución de puntos de evaluación cinemática
Alt: Distribución de puntos de evaluación cinemática en el trommel minero para obtención de desplazamientos velocidades y aceleraciones en ANSYS
Alt: Curvas de desplazamiento vs tiempo en puntos seleccionados del trommel minero durante análisis cinemático en ANSYS Mechanical
Alt: Curvas de velocidad y aceleración en puntos de evaluación cinemática del trommel para construcción de FRF y espectros FFT en ANSYS
Los resultados obtenidos pueden ser empleados para la validación con datos experimentales, la construcción de funciones de respuesta en frecuencia (FRF) o la aplicación de transformadas rápidas de Fourier (FFT), generando espectros de frecuencia útiles en estudios de vibración y ruido.
¿Qué análisis adicionales permite esta metodología DEM + FEA?
Con los resultados obtenidos como base, es posible extender el análisis hacia distintas líneas de evaluación que profundizan en el comportamiento estructural del equipo:
- Submodelado: análisis detallado de zonas previamente simplificadas, incluyendo uniones atornilladas o soldadas, con mayor resolución de malla en las regiones críticas.
- Análisis paramétrico: evaluación de la influencia de variables como la velocidad de giro y modificaciones geométricas en la respuesta del sistema, utilizando las herramientas de parametrización de ANSYS Mechanical.
- Fatiga avanzada: análisis bajo condiciones de carga más complejas con ANSYS nCode DesignLife, considerando la evolución completa del estado de esfuerzos multiaxiales.
- Análisis vibracional: construcción de FRF y espectros FFT a partir de los datos cinemáticos obtenidos, orientados al estudio del comportamiento vibracional y acústico del equipo.
Este enfoque demuestra cómo la integración de ANSYS Rocky y ANSYS Mechanical permite trasladar las condiciones reales de operación hacia un entorno de análisis estructural completo. A través de esta metodología es posible no solo identificar zonas críticas y estimar la vida útil del sistema, sino también establecer una base sólida para la toma de decisiones de diseño, optimización y mantenimiento con datos reales posicionando esta solución como una herramienta clave en el desarrollo de equipos mineros más confiables y eficientes.
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