practica 1 resistencia-a-la-fatiga

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh

INTRODUCCIÓN

En la vida diaria es común escuchar la palabra fatiga, sin embargo, ¿qué es la fatiga?, una definición ambigua diría que es el desgaste que un material sufre cuando es sometido a cargas que varían con respecto al tiempo; hablando con respecto a la mecánica de materiales.

En la actualidad, especialmente en el área de ingeniería, es sustancial conocer la resistencia a la fatiga de los materiales, debido a que serán empleados en diferentes aplicaciones; por ejemplo: estructuras de edificios, fuselajes para aviones, carrocerías de automóviles, etc. Es por ello que antes de proceder a realizar cualquier proceso de manufactura con un material se realizan los cálculos necesarios de esfuerzos, resistencias a la fatiga, concentradores de esfuerzos, o aquellos que sean necesarios para asegurar que dicho material soportará las condiciones a las que será sometido.

En la presente práctica se trabajará con lo planteado anteriormente, debido a que se modelará una placa empotrada que será sometida a una carga, y por medio de NX será posible conocer la fatiga, el esfuerzo de Von Mises, y una simulación de la deformación del material debido a esfuerzos de fatiga.

REVISIÓN DOCUMENTAL

En ingeniería y, en especial, en ciencia de los materiales, la fatiga de materiales se refiere a un fenómeno por el cual la rotura de los materiales bajo cargas dinámicas cíclicas se produce más fácilmente que con cargas estáticas. Aunque es un fenómeno que, sin definición formal, era reconocido desde la antigüedad, este comportamiento no fue de interés real hasta la Revolución Industrial, cuando, a mediados del siglo XIX se comenzaron a producir las fuerzas necesarias para provocar la rotura de los materiales con cargas dinámicas muy inferiores a las necesarias en el caso estático; y a desarrollar métodos de cálculo para el diseño de piezas confiables. Este no es el caso de materiales de aparición reciente, para los que es necesaria la fabricación y el ensayo de prototipos.


1. Denominado ciclo de carga repetida, los máximos y mínimos son asimétricos con respecto al nivel cero de carga.

2. Aleatorio: el nivel de tensión puede variar al azar en amplitud y frecuencia.

Definición de Fatiga

‘La fatiga es el proceso de cambio estructural permanente, progresivo y localizado que ocurre en un material sujeto a tensiones y deformaciones VARIABLES en algún punto o puntos y que produce grietas o la fractura completa tras un número suficiente de fluctuaciones (ASTM)’ El 90% de las piezas que se rompen en servicio fallan debido a este fenómeno.

Fases de rotura por fatiga:

ñ Nucleación, ñ Propagación ñ Rotura por fatiga

Características de una rotura por fatiga

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh La rotura tiene su origen en pequeños defectos o CONCENTRADORES de tensión. Cada uno de los ciclos produce un avance del frente de grieta hasta que la sección remanente NO ES CAPAZ DE SOPORTAR la carga estática. El inicio y la propagación de la grieta dependen fuertemente de las características resistentes del material, de su estructura cristalina y del tratamiento a que se somete en su proceso de fabricación. El colapso por fatiga, en su inicio, es un fenómeno SUPERFICIAL y su avance depende del nivel de tensión aplicado.

Estados de Fatiga

1.- Deformación plástica de los granos próximos a la superficie: La tensión cortante en el plano superficial de la pieza produce dislocaciones permanentes que se oxidan provocando la aparición de EXTRUSIONES e INTRUSIONES. El tamaño de las grietas en este estado es MICROSCÓPICO

2.- Propagación de las grietas: La propagación de la grieta se reorienta perpendicular al campo tractivo. El crecimiento de grieta es entonces estable y puede ajustarse a una ley potencial del tipo:

Donde ΔK1es el factor de intensidad de tensión (variable en la evolución de la grieta)

3.- Colapso por fatiga: El tamaño de la grieta se hace crítico y la pieza no es capaz de soportar el nivel de solicitación: Rotura inminente.

Teorías de Fatiga

1.- Alto número de ciclos (>1e3) Gran número de datos experimentales. Utilización de Curvas S-N (tensión-nº de ciclos).

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh2.- Bajo número de ciclos (< 1e-3) Basado en el estudio de deformaciones. Curvas -N

3.- Mecánica lineal de la fractura (estado 2 de crecimiento de grieta). LINEAR ELASTIC FRACTURE MECHANICS (LEFM) Ecuación de Paris.

DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA

Como se mencionó con anterioridad la práctica se basa en modelar una placa empotrada sometida a una carga para conocer la resistencia a la fatiga de esta, además de observar el comportamiento que tendrá debido al número de ciclos, con el fin de comparar los resultados de la simulación con los teóricamente calculados.

A continuación se presentan los pasos del procedimiento de la simulación:

1.- Iniciar un archivo nuevo

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh2.- Seleccionar un directorio de trabajo dentro de usuarios y asígnale nombre. Selecciona milímetros como unidad de medida.

3.- Selecciona un rol de usuario avanzado con menús completos.

4.-Hacer un rectángulo asignarle las medidas de 1mm X15mm

5.-Estruirlo en la dirección indicada


6.-Para asignar material la I-Ideas durability materials library. Asigna Acero 304


7.-Un vez terminada la barra, grabarla e iniciar el módulo de simulación avanzada.


8.-En la parte inferior del navegador de simulación dar de alta un modelo de elemento finito y simulación.

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh9.-Dar doble click en la entidad fem1 hasta que se ponga azul

10.-Solicitar una malla de barrido

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh11.- Señalar la cara fuente seleccionada y pedir un tamaño de elemento de 0.5mm, quedando el mallado como se muestra

12.-En la parte inferior del navegador de simulación dar doble click en el archivo fem1_sim1, para que se ponga azul.

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh13.-En el navegador de simulación pedir una solución nueva con un click derecho sobre la entidad fem1_sim1.sim.

14.-Pedir una restricción fija y agregarlo a la cara mostrada.


15.-Pedir una fuerza de 5N, para producir flexión en la barra según se indica (TUS IRECCIONES PUEDEN SER DIFERENTES.


El modelo debe quedar como se muestra

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh16.-En la entidad solución 1 pedir que resuelva

17.-en el navegador de pos procesamiento pedir el esfuerzo de Von Mises en los elementos

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño Naresh18.-En Processtudio abrir el asistente para la durabilidad.

19.-Seleccionar la solución 1 como punto de partida a analizar


20. Pedir 1000000 de ciclos en dirección reversible

21.-Pedir los siguientes criterios


22.-Obtendras los siguientes resultados

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño NareshRESULTADOS

En los pasos del procedimiento se muestran pasos de la simulación que se realizó; obteniendo como resultado final la siguiente:

Cálculos matemáticos:

4.1.

Obtenemos el límite de resistencia a la fatiga por medio de la siguiente fórmula:

Se=1.72∗BHN

Diseño de elementos de máquinaPráctica de fatigaRamírez Olvera ValeriaVillaseñor Garduño NareshSe busca en tablas BHN(Dureza de Brinell) del acero 304 t se sustituye en la fórmula:

Se=1.72∗180=309 Mpa

Una vez que se conoce el valor del límite de resistencia a la fatiga se

calcula Sut, es decir la resistencia última a la tensión mediante:

Se= Sut2

Se despeja:

Sut=2∗Se=618MPa

Ahora, Para calcular la resistencia a la fatiga (Sf) para un número de ciclos dado

(N), se tiene:

Sf=a Nb

Dónde:

a= (0.9Sut )2

Se=

(0.9∗618 )2

309=1001.16

b=−13log(0.9SutSe )=¿-0.085

N=Número de ciclos (Proponemos 1, 000,000) de ciclos

Entonces se determina la resistencia para esta viga, cuando se toman en cuenta un millón de ciclos:

Sf=1001.16∗106−0.085=309.38MPa

4.2

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