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Workshop

Maquinaria Agrícola

Herramientas de Diseño

24 de Octubre de 2018

Sebastián D’hers

Franco Scarone

Herramientas de Diseño

Modelado Computacional

• Modelo Matemático –Mayormente Método de Elementos Finitos

• Propiedades Mecánicas – Modos de Falla

• Comportamiento Dúctil vs Frágil

• Resistencia a la Fisuración

• Estimación de Cargas

• Estáticas

• Dinámicas

• Estado de tensiones

• Tensiones residuales

• Predicción de Performance

Teorías de Falla

y

2

y

y

?

Modo de Falla

• Fluencia

• Fisuración

• Colapso

Material

• Dúctil

• Frágil

• Cohesivo

Cargas

• Estáticas

• Dinámicas (Fatiga – Vibraciones)

• Impacto (Energía)

Efectos del estado de tensiones

Tensiones tridimensionales

Tensión de Amplitud

Tensión Media

Factor de Seguridad

𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 = ∆𝜎𝑥 − ∆𝜎𝑦

2+ ∆𝜎𝑦 − ∆𝜎𝑧

2+ ∆𝜎𝑧 − ∆𝜎𝑥

2 + 6(∆𝜏𝑥𝑦2 + ∆𝜏𝑦𝑧

2 + ∆𝜏𝑧𝑎2

2

𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝜎𝑥 + 𝜎𝑦 + 𝜎𝑧

3

𝜂 = 𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑

1 −𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒

Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett

Efectos del estado de tensiones

Tensiones tridimensionales

Tensión de Amplitud

Tensión Media

Factor de Seguridad

𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 = ∆𝜎𝑥 − ∆𝜎𝑦

2+ ∆𝜎𝑦 − ∆𝜎𝑧

2+ ∆𝜎𝑧 − ∆𝜎𝑥

2 + 6(∆𝜏𝑥𝑦2 + ∆𝜏𝑦𝑧

2 + ∆𝜏𝑧𝑎2

2

𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝜎𝑥 + 𝜎𝑦 + 𝜎𝑧

3

𝜂 = 𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑

1 −𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒

Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett

Efectos de las propiedades de los materiales

Tensiones tridimensionales

Tensión límite

Tensión fatiga axial

Exponente b

Factor del acabado

• Shot peening – > K=1.1

𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 = 𝜎𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎_𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 2𝑁 𝑏𝐾

Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett

Sensibilidad 5% - Propiedades Mecánicas

Propiedades Mecánicas vs Composición Química

C max Mn max P max S max RT min E min A% Sfatiga Coef.Fatiga

1006 0,08 0,40 0,04 0,05 318 206 24 756 -0,13

LD-20 0,13 0,6 0,03 0,035 315 195 33

LG-36 0,19 1,2 0,030 0,035 410 255 25

1018 0,20 0,90 0,04 0,05 354 200 -- 782 -0,11

F22 0,21 0,38 0,03 0,035 310-460 215 26

F24 0,21 0,44 0,03 0,035 360-510 235 24

F30 0,21 0,52 0,03 0,035 450-600 295 22

F36 0,22 055 0,30 0,035 490-640 355 22

1020 0,23 0,60 0,04 0,05 392 186 21 850 -0,12

F26 0,25 0,45 0,03 0,035 400-550 250 23

1030 0,34 0,90 0,04 0,05 454 206 19 902 -0,12

1035 0,38 0,90 0,04 0,05 476 196 18 906 -0,11

4340 0,43 0,80 0,04 0,04 825 206 14 1232 -0,10

4142 0,45 1,10 0,04 0,04 1412 206 15 1820 -0,08

1045 0,50 0,09 0,04 0,05 671 216 15 1099 -0,11

8% de diferencia!

Sensibilidad 10% - Material aproximado

800% de diferencia!

Modelado de una llanta

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones Iniciales por Montaje

• Estimación por modelado del proceso productivo

• Medición experimental - ASTM E-837

Tensiones causadas por el neumático

Casos de Carga por Norma ISO 3006

• Rodadura – Rolling

• Curvas - Cornering

Mallado - Grupos

Contacto de montaje

• Aro

• Soldadura

• Disco

Mallado - Fijaciones

• Concentradores

de tensiones

• Precarga

• Variabilidad

• Disco

Fatiga en Rodadura

Fatiga en Curva

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones Iniciales por Montaje

Tensión Media Tensión de Amplitud

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones por Neumático

Tensión Media Tensión de Amplitud

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones por rodadura

Tensión Media Tensión de Amplitud

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones por curvas

Tensión Media Tensión de Amplitud

Tensiones en bulones

Tensiones por rodadura

Vida Con shot peening Sin shot peening

Interna Superficial Interna Superficial

Fatiga en rodadura

3.50 4.06 3.15 3.66

Modelado de una llanta a Fatiga

Tensiones por curvas – Tensiones Circuneferenciales

Vida Con shot peening Sin shot peening

Interna Superficial Interna Superficial

Fatiga en las curvas

7.67 8.51 7.64 9.62

Tensiones en bulones

Otros casos

Modelado de un eje

Concentración de Tensiones

Estructura Soldada

Elementos Cáscaras

Uniones abulonadas

• Efecto rigidizante en la zona por compresión

• Hipótesis de no deslizamiento

• Tensiones inválidas en la zona de apriete

Conclusiones

Vida a la fatiga de llantas

• Satisfactorio

• Tensiones de montaje altas

• Efectos locales en los bulones

• Acabado superficial clave para la iniciación del proceso de fisuración

• Efecto de las tensiones residuales – Validados experimentalmente

Balance entre la Realización de Ensayos y el Desarrollo de Modelos

Comentarios generales

Todo software de análisis es útil si sabemos lo que hace y se usan:

• Propiedades Mecánicas precisas

• Condiciones de carga

Aspectos del rediseño con Aceros de mayor resistencia

• Resistencia a la fatiga – Implica conocer el ciclo de tensiones en cada punto

• Rigidez de la estructura – No relacionada con la resistencia

• Efectos de la soldadura – zona afectada por el calor

• Superposición de procesos – Conformado – Soldadura – Tratamiento

Térmico

itbauniversidad

@itba

MÁS INFORMACIÓN > www.itba.edu.ar

Muchas Gracias por su atención

CeMat - Centro de Ingeniería en Materiales https://www.itba.edu.ar/id/centro-de-ingenieria-de-los-

materiales/

CMC – Centro de Mecánica Computacional

https://www.itba.edu.ar/id/centro-de-mecanica-computacional/

MODELADO – EL PROBLEMA DE LA CONFIANZA

“El método de elementos finitos hace

a un buen ingeniero uno mejor y a un

mal ingeniero, peligroso”

Robert. D. Cook