21.estudio de fatiga por el método fem.

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21.estudio de fatiga por el método fem.

  1. 1. Cad/cam/cae práctica n°21 ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO. INGENIERÍA MECATRÓNICA. CAD/CAM/CAE. INFORME DE LABORATORIO. PRÁCTICA N° 21.INTEGRANTES : - Jenny Mata. - Edison Herrera.NIVEL : NovenoFECHA : 17de Enero del 2012.PROFESOR : Ing. Fausto Acuña.1. TEMA: Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks.2. OBJETIVOS: 2.1. OBJETIVO GENERAL: 2.1.1. Crear un análisis de Fatiga por el métodoFEM (Método de Elementos Finitos)del elemento mecánico biela de un motor de combustión interna en cosmoswork. 2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 2.2.1. Definir el concepto de Fatiga. 2.2.2. Definir curvas SN de Fatiga. 2.2.3. Realizar un ensayo de Fatiga mediante el software COSMOSWORKS. 2.2.4. Determinar los factores de seguridad, tanto del análisis estático como el análisis de fatiga mediante el software. 2.2.5. Determinar los pasos para realizar un análisis de Fatiga. 2.2.6. Asignar propiedades de material al modelo manualmente. 2.2.7. Generar gráficas de respuesta al fenómeno. 2.2.8. Analizar los resultados de Fatiga. 2.2.9. Crear un informe detallado del estudio con sus respectivos resultados.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 1 1
  2. 2. Cad/cam/cae práctica n°213. MATERIALES UTILIZADOS: 3.1. Software Solidworks + COSMOS. 3.2. Ejercicios de aplicación práctica. 3.3. Computadora Personal. 4. MARCO TEÓRICO: FATIGA. Introducción. 1 En el estudio de los materiales en servicio, como componentes de órganos de máquinas o estructuras, debe tenerse en cuenta que las solicitaciones predominantes a que generalmente están sometidos no resultan estáticas ni cuasi estáticas, muy por lo contrario en la mayoría de los casos se encuentran afectados a cambios de tensiones, ya sean de tracción, compresión, flexión o torsión, que se repiten sistemáticamente y que producen la rotura del material para valores de la misma considerablemente menores que las calculadas en ensayos estáticos. Este tipo de rotura que necesariamente se produce en el tiempo, se denomina de fatiga aunque es común identificarla como roturas por tensiones repetidas, tensiones que pueden actuar individualmente o combinadas. Ensayo de fatiga.2 Un ensayo de fatiga es aquel en el que la pieza está sometida a esfuerzos variables en magnitud y sentido, que se repiten con cierta frecuencia. Muchos de los materiales, sobre todo los que se utilizan en la construcción de máquinas o estructuras, están sometidos a esfuerzos variables que se repiten con frecuencia. Es el caso de los árboles de transmisión, los ejes, las ruedas, las bielas, los cojinetes, los muelles,... Cuando un material está sometido a esfuerzos que varían de magnitud y sentido continuamente, se rompe con cargas inferiores a las de rotura normal para un esfuerzo de tensión constante. Si a un material se le aplican tensiones repetitivas (cíclicas) de tracción, compresión, flexión, torsión, etc., comenzaremos por medir los valores de los esfuerzos a que están sometidas las piezas1 http://tq.educ.ar/grp0128/Ensayos/fatiga.htm2 http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayo-de-fatiga-y-dureza.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 2 2
  3. 3. Cad/cam/cae práctica n°21 – El valor máximo de la tensión a que está sometida – El valor mínimo de la tensión – La diferencia entre el valor máximo y mínimo – El valor medio (σmed) CLASIFICACIÓN DE LOS ENSAYOS DE FATIGA.3 En general los ensayos de fatiga se clasifican por el espectro de carga- tiempo, pudiendo presentarse como: - Ensayos de fatiga de amplitud constante. - Ensayos de fatiga de amplitud variable. Ensayos de fatiga de amplitud constante. Los ensayos de amplitud constante evalúan el comportamiento a la fatiga mediante ciclos predeterminados de carga o deformación, generalmente senoidales o triangulares, de amplitud y frecuencia constantes. Son de ampliación en ensayos de bajo como de alto número de ciclos, ponderan la capacidad de supervivencia o vida a la fatiga por el número de ciclos hasta la rotura (inicio y propagación de la falla) y la resistencia a la fatiga por la amplitud de la tensión para un número de ciclos de rotura predeterminado. Es usual denominar como resistencia a la fatiga a la máxima tensión bajo la cual el material no rompe o aquella que corresponde a un número preestablecido de ciclos según los metales o aleaciones. A este respecto la norma ASTM E define como límite de fatiga a la tensión que corresponde a un número muy elevado de ciclos. Ensayo de fatiga de amplitud variable. En fatiga, cuando la amplitud del ciclo es variable, se evalúa el efecto del daño acumulado debido a la variación de la amplitud del esfuerzo en el tiempo. Son ensayos de alto número de ciclos con control de carga, que según el espectro de carga elegido serán más o menos representativos de las condiciones de servicio. Manifestación y Proceso de Falla: Un material sometido a tensiones repetidas o fluctuantes fallará a una tensión mucho más baja que la necesaria para producir la fractura bajo carga constante. Es decir: la3 http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedras/archivos/Fatiga.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 3 3
  4. 4. Cad/cam/cae práctica n°21 aplicación repetida de una tensión ocasiona el deterioro progresivo de un material, siendo que la misma tensión aplicada estáticamente no tiene ningún efecto permanente. Este deterioro se manifiesta a través de la formación de fisuras en el material, que eventualmente pueden llevar a la rotura. Cabe recalcar que la fatiga ocurre bajo toda clase de cargas y a tensiones tanto altas como bajas; pero este fenómeno solo afecta a las piezas cuando están sometidas a solicitaciones repetidas de una cierta amplitud. Describiremos el proceso que ocurre en los metales al estar sometidos a fatiga simple (la forma más sencilla de fatiga), que tiene lugar bajo tensiones de tracción y compresión alternadas (siempre dentro del rango elástico) sobre miembros libres de discontinuidades. Su progreso puede explicarse de la siguiente manera: a los pocos ciclos de acción de la carga repetida comienzan a producirse cambios aislados en la estructura atómica en puntos dispersos del material; estos rápidamente comienzan a desarrollar fisuras submicroscópicas que crecen a media que los ciclos continúan, hasta tener proporciones microscópicas y eventualmente llegan a ser visibles; finalmente, cuando la fisura llega a un tamaño tal que debilita la pieza, se produce su rotura. Si bien no existe un cambio notable en la estructura del metal que falló por fatiga, en general, se puede dividir el proceso de evolución de la falla en tres etapas denominadas: nucleación (a), propagación o crecimiento de la fisura (b y c) y rotura (d). 4 Evolución de la falla. Nucleación (a): se produce en los metales cuando el nivel de tensión aplicada es menor que el límite elástico estático. Aparece una deformación masiva generalizada, hasta que el metal endurece lo suficiente como para resistir la tensión aplicada (Acritud Total) en un punto determinado denominado Punto de Iniciación. Éste suele estar situado en zonas en donde los granos tienen mayor grado de libertad, en zonas de concentración de tensiones como ser entallas, cantos vivos, rayas superficiales o bien en inclusiones y poros.4 http://tq.educ.ar/grp0128/Ensayos/fatiga.htmEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 4 4
  5. 5. Cad/cam/cae práctica n°21 Propagación (b y c): abarca la mayor parte de la duración del proceso fatiga y se extiende desde el momento en que se produjo el endurecimiento por deformación generalizada (acritud total) hasta la formación de una grieta visible. Rotura (d): es la propagación de la grieta hasta que es lo suficientemente grande como para producir la rotura. La superficie de la fractura tiene dos zonas características: a) Zona Lisa: aparece debido al roce por la propagación de la grieta a través de la sección. Esta propagación, para el caso de procesos de carga en servicio, se indica con una serie demarcas anulares (llamadas líneas de parada o de reposo, similares a las marcas que dejan las olas sobre la playa), que se generan a partir del Punto de Nucleación (punto de concentración de tensiones). A su vez, podemos distinguir:  Marcas de Playa: se forman en el frente de la fisura al producirse un reposo en el funcionamiento de la pieza. Consecuentemente no aparecerán en el caso de probetas, que generalmente se ensayan sin interrupción.  Líneas Radiales: a veces las fisuras que se generan en la superficie (que es el lugar más frecuente) progresan según frentes a niveles levemente escalonados; en un dado momento de su desarrollo, sin embargo, coalescen quedando estas líneas radiales como huellas de las diferencias de nivel iniciales. b) Zona Rugosa: Aparece al romper la pieza por disminución de la sección efectiva sana ante el mismo valor de carga actuante. La rotura final, contrariamente a la zona con marcas de playa que es lisa y suave, presenta una superficie fibrosa y de relieve muy accidentado. Se trata de la zona remanente sana, demasiado pequeña para aguantar un ciclo mas de solicitación, que termina rompiéndose frágilmente.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 5 5
  6. 6. Cad/cam/cae práctica n°21 Análisis del origen de las Fallas por Fatiga. Primero nos ocuparemos del daño al material que resulta solo de la repetición de la carga. Estudiaremos primero los efectos de la fatiga simple. Cuando hayamos entendido sus mecanismos, los efectos de concentración de tensiones y deformaciones plásticas pueden ser estudiados como extensión de estos mecanismos. La mayoría de las fisuras de fatiga comienzan en discontinuidades visibles, que actúan como multiplicadores de tensiones, como ser: orificios, empalmes, chaveteros y discontinuidades microscópicas tales como inclusiones, rechupes, defectos de fabricación, etc. Curva S-N Estas curvas se obtienen a través de una serie de ensayos donde una probeta del material se somete a tensiones cíclicas con una amplitud máxima relativamente grande (aproximadamente 2/3 de la resistencia estática a tracción). Se cuentan los ciclos hasta rotura. Este procedimiento se repite en otras probetas a amplitudes máximas decrecientes.Los resultados se representan en un diagrama de tensión, S, frente al logaritmo del número N de ciclos hasta la rotura para cada una de las probetas. Los valores de S se toman normalmente como amplitudes de la tensión . Se pueden obtener dos tipos de curvas S-N. A mayor tensión, menor número de ciclos hasta rotura. En algunas aleaciones férreas y en aleaciones de titanio, la curva S-N se hace horizontal para valores grandes de N, es decir, existe una tensión límite, denominada límite de fatiga, por debajo del cual la rotura por fatiga no ocurrirá.55 http://es.wikipedia.org/wiki/Fatiga_de_materialesEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 6 6
  7. 7. Cad/cam/cae práctica n°21 DEFINICIONES.6 Límite de resistencia Al reducirse la tensión alterna, es probable que sean necesarios más ciclos de tensión para que el material presente un fallo por fatiga. El límite de resistencia es la tensión alterna mayor que no tiene como resultado un fallo por fatiga. En otras palabras, si la tensión alterna es igual o menor que el límite de resistencia, la cantidad de ciclos de tensión que causan fallo se hace muy grande (prácticamente infinita). El límite de resistencia se define generalmente para las tensiones alternas con media en cero. El límite de resistencia también se denomina límite de fatiga. Algunos metales no tienen un límite de resistencia cuantificable. Tensión alterna La tensión alterna se define como: (máx. - mín.)/2 Donde máx. y mín. son las tensiones máxima y mínima respectivamente. Intervalo de tensión Tensión = (máx. - mín.) Tensión media Tensión media = Sm = (máx. + mín.)/2 Corrección de la tensión media Coeficiente de tensión Coeficiente de tensión = mín./máx. Ciclo de fatiga El ciclo de fatiga, a un nivel de tensión alterna y media dados, es la cantidad de ciclos requerida para causar fallo por fatiga. Resistencia a la fatiga6 http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedras/archivos/Fatiga.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 7 7
  8. 8. Cad/cam/cae práctica n°21 La tensión en la que se produce el fallo por fatiga después de una cantidad de ciclos de carga dada. Corrección de tensión media7 La amplitud de la tensión media para un ciclo de tensión se calcula como la mitad del intervalo de tensiones del ciclo. La cantidad de daño causada por el ciclo de tensión depende no solamente de la tensión alterna sino también de la tensión media. Por ejemplo, los dos ciclos siguientes tienen la misma tensión alterna pero debido a que tienen tensiones medias diferentes, causan cantidades de daño diferentes. El efecto de las tensiones medias en los ciclos para ocasionar fallos se ilustra en el siguiente diagrama, llamado diagrama de Haigh.7 http://materias.fi.uba.ar/6716/Fatiga_1_EI.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 8 8
  9. 9. Cad/cam/cae práctica n°21 La tensión media es cero sólo cuando la carga es totalmente reversible. El caso más directo se produce cuando se proporciona una curva S-N con la misma relación-R que la de la carga. En este caso, la curva S-N se utiliza directamente ya que no es necesaria ninguna corrección. Si define las curvas S-N con factores-R diferentes, el software explica la tensión máxima por medio de la interpolación lineal entre las curvas. Si sólo se proporciona una curva S-N con una relación-R que es diferente de la relación-R de la carga, es necesaria una corrección. Para explicar los métodos de corrección, permítanos definir las variables siguientes para un ciclo de tensión: Smax. = tensión máxima Smin. = tensión mínima S = intervalo de tensión = S - Smin. max. Sa = tensión alterna = (Smax - Smin.)/2 Smean = tensión media = (Smax. + Smin.)/2 R = Factor de tensión = Smin./Smax. A = relación de amplitud = Sa/Smean Los factores de tensión y de amplitud se encuentran listados para algunas cargas comunes: Factores de tensión y Tipo de carga amplitud Totalmente R = -1, A = infinito reversible Cero a máximo R = 0, A = 1 Cero a mínimo R = infinito, A=-1 Métodos de corrección 8 En el siguiente caso: Sca = la tensión alterna corregida (basada en la media cero.),8 http://tq.educ.ar/grp0128/Ensayos/fatiga.htmEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 9 9
  10. 10. Cad/cam/cae práctica n°21 Sy = límite elástico y Su = límite de ruptura El software ofrece los métodos siguientes para calcular Sca: Método Ecuación 1. Método de Goodman, generalmente adecuado para los materiales frágiles 2. Método de Gerber, generalmente adecuado para los materiales dúctiles 3. Método de Soderberg, generalmente el más conservador Tanto en el caso de los sucesos de amplitud variable como en los de amplitud constante, el software calcula la tensión media, además de la tensión alterna de cada ciclo, y a continuación evalúa la tensión corregida utilizando el criterio especificado. Método Rainflow para conteo de ciclos El Método Rainflow para conteo de ciclos extrae la composición de historial de carga de amplitud variable. El software implementa el método de la siguiente manera: 1. Extraiga picos y valles del historial de carga. 2. Equipara las amplitudes del primer punto de datos y del último anexando un punto de datos si fuera necesario. 3. Detecta el pico más alto y reorganiza los datos de tal manera que el pico más alto se transforma en el primer y último punto. 4. Inicia el conteo de los picos de la siguiente manera: a. Considere los primeros cuatro picos y valles (1, 2, 3 y 4). Se cuenta un ciclo Rainflow si el segundo segmento es verticalmente más corto que el primer segmento y que el tercero (es decir, b es más pequeño que a y c).Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 10 1 0
  11. 11. Cad/cam/cae práctica n°21 b. Si se cuenta un ciclo, el programa inicia desde el principio del registro ignorando los picos que ya fueron contados. Si no se cuenta ningún pico, el programa comprueba el conjunto de picos siguiente (los picos 2, 3, 4 y 5) y el proceso continúa. Al final, cada pico y cada valle corresponden a un ciclo Rainflow. c. Ignora y carga los ciclos que están por debajo del porcentaje especificado en las propiedades del estudio. d. Divide los intervalos de tensión alterna y media en el número de celdas especificado en las propiedades del estudio. Puede ver los resultados en el Cuadro matriz Rainflow.5. PROCEDIMIENTO: 5.1. Obtener un modelo de la pieza a ser objeto de estudio. 5.2. Abrimos el software Solidworks: Vamos al Menú Inicio de Windows > Todos los programas > Solidworks 2011.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 11 1 1
  12. 12. Cad/cam/cae práctica n°21 REALIZACIÓN DE LA PIEZA. 5.3. Dibujamos el croquis mostrado a continuación. 5.4. Procedemos a extruir el croquis en dos direcciones (7mm a cada lado), seleccionando los contornos mostrados en la imagen.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 12 1 2
  13. 13. Cad/cam/cae práctica n°21 5.5. Cambiamos la vista de la pieza a la cara frontal como se muestra en la siguiente figura e insertamos un croquis sobre dicha cara. 5.6. Dibujamos el siguiente croquis sobre la cara seleccionada. 5.7. Agregamos un redondeo con 5mm de radio a las cuatro esquinas delrectángulo.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 13 1 3
  14. 14. Cad/cam/cae práctica n°21 5.8. Sin cerrar el croquis, seleccionamos la operación “Extruir-Corte” con una profundidad de 5mm. 5.9. Insertamos un croquis en la cara frontal y realizamos el siguiente dibujo, insertando un círculo, convirtiendo entidades de la pieza y dándole una relación de tangencia al círculo externo con los arcos tres puntos. 5.10. Seleccionamos los contornos mostrados en la imagen y procedemos a extruir a 5mm.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 14 1 4
  15. 15. Cad/cam/cae práctica n°21 5.11. Realizamos la misma acción para el circulo superior, tomando en cuenta que los dos círculos que se dibujan sobre este son concéntricos, y que el de mayor diámetro debe ser coradial con el radio de la parte superior de la pieza, como se muestra en la imagen, una vez dibujado el croquis procedemos a extruir 5mm. 5.12. Agregamos un redondeo de 4mm a las aristas mostradas en la imagen. 5.13. Agregamos un redondeo de 2mm a las aristas mostradas en esta imagen.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 15 1 5
  16. 16. Cad/cam/cae práctica n°21 5.14. Procedemos a aplicar simetría de operaciones con respecto al plano Alzado, y seleccionando todas las operaciones anteriormente realizadas, con lo cual obtenemos el siguiente resultado. 5.15. Por ultimo insertamos un croquis en cualquiera de las dos caras planas inferiores y dibujamos un círculo con acotaciones como muestra la imagen, y aplicamos simetría de croquis con respecto a la línea constructiva. 5.16. Sin cerrar el croquis, seleccionamos Extruir corte Por todo como se muestra en la imagen.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 16 1 6
  17. 17. Cad/cam/cae práctica n°21 5.17. Una vez terminada la biela debe tener el siguiente aspecto: Para crear el análisis de fatiga, se debe tener sucesos anteriores de los cuales partir para que se ejecute el estudio de fatiga. Introducción al Análisis estático. Una vez dibujada la pieza, se someterá a las condiciones de trabajo a las que se enfrentara mientras el motor está trabajando. Para realizar dicho procedimiento se requiere que se lea con atención cada paso indicado a continuación. Cálculos preliminares. Antes de comenzar a resolver en análisis debemos tomar en cuenta las consideraciones de trabajo a las que se somete el motor. Sabemos que un motor con una cilindrada como la del diseño al que aplicaremos usualmente presenta una potencia de 44.74kW (60 hp) a 9000 rpm, con lo cual podemos obtener el Par máximo de la siguiente manera: Una vez obtenido el torque se procede a determinar las cargas F1 que sería en el peor de los casos, es decir, si se llegara a realizar una preignición, ya que la carga sería completamente axial.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 17 1 7
  18. 18. Cad/cam/cae práctica n°21 Además se calculo la carga F2 cundo el pistón se encuentra a la mitad de la carrera. Haciendo el análisis del mecanismo para dicha posición obtenemos un ángulo entre la biela y el cigüeñal de 75.52°, por lo tanto. A continuación se muestran los pasos para la realización del análisis estático de F2. ANÁLISIS ESTÁTICO. 5.18. Hacemos clic en Simulation, en el menú principal de SolidWorks en laparte superior de la pantalla. 5.19. Damos clic en asesor de estudios y elegimos nuevo estudio. 5.20. En Nombre, escribimos algún título con lo cual identificaremos el estudio que procedemos a realizar“Análisis de F2”. En Tipo, seleccione Estático y Aceptamos.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 18 1 8
  19. 19. Cad/cam/cae práctica n°21 Asignación de materiales 5.21. En el árbol de SolidWorks Simulation Manager, haga clic con el botón derecho del ratón en la carpeta Biela (Nombre de la pieza) y haga clic en Aplicar/ Editar material. 5.22. Aparece el cuadro de diálogo Material, donde escogemos de la lista el material con el que queremos que se realice el estudio. En nuestro caso utilizaremos el material de Aleación de aluminio 2024-0 con sus respectivas propiedades mecánicas y físicas que se muestran al lado derecho del cuadro de dialogo.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 19 1 9
  20. 20. Cad/cam/cae práctica n°21 5.23. Haga clic en Aplicar y Cerrar. 5.24. El material se asigna a la pieza y aparece una marca de verificación al lado del icono de la pieza. Observe que el nombre del material asignado aparece al lado del nombre de la pieza. Aplicación de restricciones 5.25. Click derecho en Sujeciones y seleccionamos Geometría fija.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 20 2 0
  21. 21. Cad/cam/cae práctica n°21 5.26. Se habilita un cuadro de dialogo, donde seleccionamos la pestaña Tipo. 5.27. Mas abajo en Estándar seleccionamos Geometría fija. 5.28. Además seleccionamosen las áreas donde hacen contacto los pernos y donde se desea que mantenga la restricción y aceptamos.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 21 2 1
  22. 22. Cad/cam/cae práctica n°21 5.29. Ahora añadimos una sujeción seleccionando la opción Bisagra Fija y seleccionando el área en que la biela hace contacto con el cigüeñal. Aplicación de cargas 5.30. En el árbol de SolidWorks Simulation Manager, haga clic con el botón derecho del ratón en la carpeta Cargas externas y seleccione Fuerza. 5.31. Aparece el Property Manager Fuerza/Torsión y para aplicar la F2y se seleccionará la cara que hace contacto con el pistón, en seguida se activa la opción Dirección Seleccionada y en el Feautre Manager se selecciona el plano Planta. Por último se escribe el valor de la Fuerza (1140.33N) y si es necesario, se activa la casilla invertir dirección para que la fuerza quede hacia abajo (como muestran las flechas moradas en el área de aplicación de la carga).Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 22 2 2
  23. 23. Cad/cam/cae práctica n°21 5.32. Para agregar la carga F2x (294.48N) se repiten los pasos anteriores, pero con las variaciones indicadas en la siguiente imagen:Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 23 2 3
  24. 24. Cad/cam/cae práctica n°21 Mallado del modelo y ejecución de resultados. 5.33. En el árbol de estudio de Simulation, haga clic con el botón derecho del ratón en el icono Malla y seleccione Crear malla. 5.34. Expanda Opciones.Seleccione (Ejecutar [solucionar] el análisis). 5.35. Haga clic en aceptar. 5.36. Al presionar aceptar se empieza a ejecutar el mallado.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 24 2 4
  25. 25. Cad/cam/cae práctica n°21 5.37. Siguiente se ejecuta el solucionador de resultados. 5.38. Termina de cargarse la barra y se ejecuta los resultados.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 25 2 5
  26. 26. Cad/cam/cae práctica n°21 5.39. Una vez completada, se muestran en el Feature Manager los resultados obtenidos, los cuales se pueden observar haciendo doble clic sobre ellos. En esta imagen se muestran los tres resultados obtenidos por default al realizar un estudio estático, a continuación se muestran las imágenes de los resultados obtenidos en cada uno. 5.40. Para obtener los Factores de seguridad en la pieza se selecciona la opción Factor de seguridad en el submenú Nuevo trazado del menú de Resultados en el administrador de comandos. 5.41. Al realizar esta operación, aparecerá en el Feature Manager otra pestaña indicando el resultado del análisis de Factores de seguridad. Nota: Además podemos ver sugerencias del software para aplicar el estudio de fatiga con el siguiente asistente.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 26 2 6
  27. 27. Cad/cam/cae práctica n°21 5.42. Clic derecho en la carpeta Resultados, Definir trazado de comprobación de Fatiga. 5.43. Bajamos con la barra deslizadora verticalmente y vemos un singular foco de color y un mensaje más abajo, está es una sugerencia del software hacia nuestro estudio de fatiga. 5.44. Como se observo en el mensaje, se sugiere no realizar los cálculos de fatiga por tensiones muy pequeñas, de todas formas, realizamos el análisis de fatiga.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 27 2 7
  28. 28. Cad/cam/cae práctica n°21 ANÁLISIS DE FATIGA Para realizar un análisis de Fatiga en SolidWorks, primeramente es necesario haber realizado un análisis estático, el cual se usara como un “suceso” o “evento” al realizar el análisis. A continuación se muestra un análisis de fatiga a la biela con la que anteriormente hemos estado trabajando. 5.45. Creamos un nuevo estudio Damos clic en Asesor de estudio y elegimos Nuevo estudio. 5.46. En Nombre, escribimos algún título con lo cual identificaremos el estudio que procedemos a realizar“Estudio 1”. 5.47. En Tipo, seleccione Fatiga y Aceptamos. 5.48. SolidWorks Simulation crea un árbol de estudio de Simulation, situado bajo el árbol de diseño de FeatureManager.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 28 2 8
  29. 29. Cad/cam/cae práctica n°21 5.49. Para agregar un suceso, clic derecho en la carpeta Carga y se seleccionaAgregar sucesocomo se muestra en la imagen. 5.50. A continuación, se muestra el siguiente menú en el Feature Manager: Para este ejemplo, se establecen 1000 ciclos para comprobar el daño y los ciclos de vida restantes después de mil ciclos de uso de la biela. 5.51. En tipo de Carga seleccionamos con base en 0 ya que la carga va desde 1140 a compresión, hasta 0. 5.52. Aceptamos y tenemos cargado el suceso en la carpeta Cargas. 5.53. Ahora le damos el material para realizar el estudio, En el siguiente menú en el Feature Manager, clic derecho en Biela (Nombre de la pieza), seleccionamos Aplicar/Editar datos de fatiga.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 29 2 9
  30. 30. Cad/cam/cae práctica n°21 5.54. A continuación se muestra el siguiente menú, en el cual se seleccionan las opciones que se muestran subrayadas: 5.55. Haga clic en Aplicar y Cerrar. 5.56. Una vez agregado el suceso y la curva SN del material, presionamos el botónEjecutar en el administrador de comandos.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 30 3 0
  31. 31. Cad/cam/cae práctica n°21 5.57. Se ejecuta un cuadro de dialogo del solucionador de resultados. 5.58. Solidworks realice los cálculos necesarios para mostrar el daño y la vida después del número de ciclos a las cargas indicadas. Lo cual nos genera los siguientes resultados:Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 31 3 1
  32. 32. Cad/cam/cae práctica n°21 Como podemos ver, para dichas cargas y numero de ciclos, el daño por fatiga es mínimo, y como nos lo muestra la segunda imagen, la vida mínima de la pieza sería de un millón de ciclos más. 5.59. Además de los dos tipos de resultados que nos da el software por defecto, existen dos tipos de resultados más que se pueden agregar con la condición de que el estudio de fatiga sea con cargas de fatiga simple. 5.60. Damos clic derecho en Resultados, Definir trazado de fatiga. 5.61. Se despliega una lista de las cuatro siguientes opciones de resultados para fatiga.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 32 3 2
  33. 33. Cad/cam/cae práctica n°21 5.62. Seleccionar el parámetro requerido en este caso Factor de carga, aceptamos y se agrega el nuevo resultado a la carpeta Resultados: 5.63. Para poder notar los efectos que causa la fatiga sobre la pieza se ha decidido incrementar los esfuerzos multiplicándolos por 100, al igual que el número de ciclos, obteniendo los siguientes resultados:Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 33 3 3
  34. 34. Cad/cam/cae práctica n°21Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 34 3 4
  35. 35. Cad/cam/cae práctica n°21 Creación de un informe 5.64. Haga clic en Simulation (Simulación), Report (Informe) en el menú principal de SolidWorks en la parte superior de la pantalla. 5.65. Aparece el cuadro de diálogo Opciones de informe. 5.66. La sección Configuración de formato de informe le permite seleccionar un estilo de informe y elegirlas secciones que se incluirán en el informe generado. Puede excluir algunas de las secciones moviéndolas del campo Secciones incluidas al campo Disponible. 5.67. Es posible personalizar cada sección delinforme. Por ejemplo, seleccione la secciónPortada en Secciones incluidas y complete los camposNombre, logotipo, Autor y Empresa.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 35 3 5
  36. 36. Cad/cam/cae práctica n°21 5.68. Damos en Aplicar y luego en publicar. 5.69. Inmediatamente se crea un informe detallado en formato .doc (Word).6. CONCLUSIONES: 6.1. La fatiga es la principal causa de fractura de piezas de máquinas empleadas principalmente en los sectores automotrices y metalmecánico, de allí la importancia de conocerla y saber como prevenirla. 6.2. Es necesario considerar la rotura por fatiga en aquellas piezas donde las caras aplicadas varían con el tiempo. 6.3. Resulta indispensable conocer la forma de disminuir los efectos de este tipo de falla, determinando la resistencia de los materiales y los esfuerzos o cargas máximas permitidas para cada cual, se recomienda en general:  Reducir/eliminar cargas cíclicas.  Reducir operaciones.  Usar velocidades de rotación menores.  Remplazar piezas de forma regular.  Seleccionar materiales tolerantes a cargas cíclicas.  Reducir/eliminar concentraciones de tensiones severas y no permitir esquinas vivas o cambios de sección bruscos.Estudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 36 3 6
  37. 37. Cad/cam/cae práctica n°21  Especificar procesos de fabricación que den resistencia a la fatiga como el trabajo en frío, granallado.  Especifican tratamientos térmicos que aumenten la resistencia a fatiga como Nitridación y Carburización.  Sobredimensionar las piezas para reducir niveles de tensión. 6.4. Es sabido que un material sometido a tensiones repetidas o fluctuantes fallará a una tensión mucho más baja que la necesaria para producir la fractura con una sola aplicación de carga. Esto se debe a la Fatiga que se produce principalmente tres efectos: pérdida de resistencia, pérdida de ductilidad, y aumento en la incertidumbre en cuanto a la resistencia y a la duración (vida en servicio) del material. 6.5. La acción de la Fatiga se puede observar en diferentes piezas, pero sobre todo en partes móviles como ser: componentes de máquinas rotativas (están sujetos a tensiones alternas); resortes (son deformados en cantidades variables); alas de aeronaves (están sometidas a cargas repetidas de ráfagas); neumáticos (son deformados repetidamente con cada revolución de la rueda); etc., y afecta a componentes elementales como un tornillo hasta el transbordador especial.7. RECOMENDACIONES: 7.1. Se necesita realizar un estudio estático antes de realizar uno de fatiga. 7.2. Los parámetros deben estar correctamente definidos para que el ensayo no falle. 7.3. Es necesario tener varios sucesos ya que son indispensables en este estudio para observar los cambios que se dan en el proceso de estudio de fatiga. 7.4. Se debe analizar cada estudio para observar los cambios y resultados obtenidos. 7.5. Se debe mostrar cada resultado para observar su respectiva animación.8. BIBLIOGRAFÍA: 8.1. http://es.wikipedia.org/wiki/Fatiga_de_materiales 8.2. http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2009/09/ensayo-de-fatiga- y-dureza.pdf 8.3. http://materias.fi.uba.ar/6716/Fatiga_1_EI.pdf 8.4. http://tq.educ.ar/grp0128/Ensayos/fatiga.htm 8.5. http://globalsite.solidworks.com/mexico/files/385511_EDU_Trifold_ESP.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 37 3 7
  38. 38. Cad/cam/cae práctica n°21 8.6. http://www.ing.unlp.edu.ar/aeron/catedras/archivos/Fatiga.pdf 8.7. http://www.gef.es/Congresos/21/PDF/7-16.pdf 8.8. http://www.axelalconchel.info/Novedades_Version_SolidWorks_2010.pdfEstudio de Fatiga por el método FEM en el software SolidWorks. 38 3 8

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