Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Un buen lugar donde debatir temas relacionados con este Soft.


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DeSoya
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Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por DeSoya »

Durante este post vamos a ir comentando como realizar unos buenos estudios estáticos de resistencia con el complemento de Solidworks Simulation, no sólo explicando paso a paso el proceso en el propio programa, sino también intentando explicar el cuerpo teórico que hay detrás (de manera fácil y sin necesidad de muchos conocimientos previos) para saber realmente qué estamos haciendo, si nuestras suposiciones al simular son correctas y no perdernos entre opciones.

Esto servirá como primer paso hacia la realización de estudios de fatiga de manera correcta, ya que necesitamos de los resultados de un estudio estático realizado previamente para la realización de este. En esta segunda parte también hablaremos sobre la parte teórica de los ciclos de fatiga, curvas S-N, los factores de corrección... y todo lo necesario para plantear bien un estudio, y saber interpretar los resultados.

Este tutorial va a ser realizado particularmente en solidworks, pero las conclusiones teóricas y la manera de proceder serán de utilidad en otros programas, concretamente, de los que conozco, se podría seguir en ansys y en pro engineer sin demasiado problema, menos en apartados específicos relativos al solidworks.

Por el camino aprenderemos como utilizar en el simulation ciertos aspectos:

-Por donde empezar a meterle mano a un estudio estático, y que simplificaciones debería hacer
-Interpretación de resultados
-Ahorrar tiempo de cálculo (estudios de diseño, simplificaciones...)
-Mallar correctamente una pieza
-Usar correctamente el tratamiento como viga
-Estudios especiales adaptativos
-Estudios de fatiga, que solo aparecen en los tutoriales premium

Y todo lo que vaya apareciendo por el camino, os animo a plantear las dudas que tengáis, solicitar estudios de piezas y casos particulares y todo lo que se os ocurra.

En poco empezaremos con lo básico de los estudios de resistencia.

Última edición por Mondeo14 el Dom Dic 04, 2016 7:16 pm, editado 1 vez en total.
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Ricardo
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Ricardo »

Muy interesante el tema, lo seguiré con entusiasmo DeSoya.

:56 :56 :56

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por jaam_24 »

Buenas, yo también me quedo al loro Interesa tema.
Saludos. :53 .

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CarlosB
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por CarlosB »

Genial iniciativa, muchas gracias ... :51 :56

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Mondeo14
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Mondeo14 »

Hacer hueco, que yo también quiero unas clases. Es un tema muy complejo para mi capacidad intelectual y espero poder entender todo lo que se explique. Y como siempre, añade imágenes y texto a mogollón, que luego lo maqueto en un pdf para poder guardarlo.

Punto por la iniciativa, mas como estas necesitaríamos :53

Un saludo

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por DeSoya »

CAPITULO I: "GENSANTA, SI YO VENÍA AQUÍ A DIBUJAR"

Para los que sepan realizar estudios de resistencia, ruego no empiecen a lapidar a las vacas por comenzar de esta manera. Y para los que tengan base ingenieril/física tampoco desesperen, nadie nace aprendido, paciencia.

Supongamos que todo el mundo es un virtuoso dibujando pero que los conceptos del análisis de resistencia le son totalmente ajenos. Una vez dibujada y asignado el material de la pieza, recurrimos al simulation para realizar un estudio estático, lo primero que veremos será esto:

Imagen

Debajo del nombre del estudio que acabamos de crear, veremos como salen en forma de árbol ciertas palabras arcanas, primero, el nombre de la pieza, debajo, el apartado de conexiones, las sujeciones.... veremos que pasa con cada uno de estos apartados.

¿Qué ocurre si hago url derecho sobre el nombre de la pieza?

Nos va a dejar cambiar algunas opciones del pieza que hemos creado, cambiar el material, crear la malla directamente, tratar como viga (que veremos más adelante), excluir del análisis, si es que queremos obviar esa pieza si estamos realizando un análisis mas amplio... La mayoría de las opciones son auto-explicativas.

¿Qué son las conexiones?

Este apartado trata sobre las conexiones y contacto entre las distintas piezas que configuran nuestro estudio. Contactos entre componentes físicos reales y contactos "imaginarios" que podemos meter como tornillos y muelles que no hace falta que estén físicamente ahí. Como de momento vamos a limitarnos a estudios individuales, vamos a dejar este apartado un poco de lado.

¿Y las sujeciones?

Este apartado trata de como van a estar "sujetas" nuestras piezas a la hora de realizar nuestro estudio, aquí especificaremos si una cara de la geometría de la pieza a ser fija, si está conectada a un rodamiento, especificaremos donde van los pernos si la pieza va a estar atornillada....

¿Que son las cargas externas?

En este apartado vamos a introducir todas las cargas a las que está sometida la pieza, la propia gravedad, fuerzas, pares de torsión, presiones... y a qué parte de la pieza afecta.

¿La malla?

El método de análisis por elementos finitos consiste en aprovechar la potencia bruta de cálculo de un ordenador para dividir las piezas en partes más pequeñas, como un mosaico, y resolver el enorme sistema de ecuaciones resultante. A este mosaico, se le llama malla, y un buen mallado resulta crucial en los resultados que podemos obtener.

No hace falta que me digas que son los resultados

Muy bien voz cursiva, ya has deducido tu misma que en el apartado de resultados, se nos mostrarán los resultados del estudio una vez realizados.

Ahora bien, ¿por donde empezar el estudio de resistencia de una pieza?

Se empieza SIMPLIFICANDO, y luego, vuelves a SIMPLIFICAR, y si aún dudas de que tu estudio puede ser simplificado, SIMPLIFICAS dos veces más.

He perdido la cuenta de las veces que he visto a novatos en el análisis de resistencia intentar hacer estudios complicadísimos, en un pc corriente, con un montón de piezas a la vez, y que solo el mallado tarde 15 minutos, y claro está, en cuanto urlan en resolver el estudio el ordenador se cuelga.

Si dispones de potencia de cálculo suficiente, y para una aplicación concreta, un estudio de varias piezas a la vez no está de más, pero al diseñar/comprobar una pieza se ha de hacer de manera individual. Hay que "sacar" a la pieza de su contexto, y probarla a ella sola, colocando unas sujeciones y unas cargas lo más parecidas a si estuviera trabajando en el conjunto, por lo que no tendremos que recurrir al sentido común y a conocimientos básicos de física.

PRIMER CASO:

En tu empresa se diseñan unos bonitos carros autoportantes, que se mueven por encima de los carriles de una guía propulsados por un motor y una cremallera. Algún gañán ha diseñado las ruedas metálicas que conectan el carril con los rodamientos del carro como le ha dado la gana, y resulta que a máxima carga se parten

Imagen

Siguiendo la máxima de simplificar, no te vas al solid a comprobar el ensamblaje de la guía entera, colocarle la carga máxima al carro y ver que es lo que está pasando con el estudio de resistencia, lo que haces es aislar la rueda e intentar reproducir las condiciones en las que trabaja a ver qué es lo que está pasando.

Imagen

Simplificamos el estudio de resistencia, como sólo queremos ver si la rueda aguanta o no con la carga máxima, intentamos reproducir la situación, esto es, colocando la superficie de la rueda que se apoya en el carril como una superficie inamovible, y aplicando la carga (dividida entre cuatro) en la zona que se transmite esa fuerza, esto es, la zona de contacto eje-rodamiento.

Imagen

Con esto nos hemos ahorrado un montón de tiempo de cálculo y ahora sí que podemos sacar conclusiones y resultados con más detalle de lo que está pasando.

Imagen

SEGUNDO CASO:

En la misma situación, es necesario colocar esta guía lineal en alto, sobre dos perfiles metálicos, pero no están seguros de si aguantarán el peso de la guía más el de la carga y se deformarán demasiado.

Siguiendo el mismo espíritu para la analizar la situación, no vas a colocar los dos perfiles en el solid, poner la guía encima, aplicar las cargas, poner todos los contactos entre componentes, mallarlo todo y resolver... simplemente te limitas a poner los dos perfiles, colocar una masa puntual que represente toda la masa a transportar, en la posición del centro de masas del conjunto, y señalas las superficies afectadas por tu masa.

Imagen

Con esto aislamos los perfiles en unas condiciones de carga similares a la real, y podemos realizar un análisis mucho mas exacto que con todo el conjunto molestando en las ecuaciones.

Última edición por Mondeo14 el Mié Oct 07, 2015 9:09 pm, editado 1 vez en total.
Razón: Imagen actualizada.
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Ricardo
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Ricardo »

Me parece un comienzo estupendo, estoy contigo en empezar por lo mas simple para aquellos que no tengan conocimientos de hacer análisis, seguro que mas adelante ya se complicará mas.

Me guardo el capitulo (seleccionar, copiar, abrir un doc y pegar) en espera de mas capítulos para completar la colección.

Saludos y un punto merecidisimo. :56 :56 :56

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Mondeo14
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Mondeo14 »

Santo dios, creo que este post va a dar para mucho, o eso espero. Ya te has llevado otro puntito y prometo punto por respuesta. Y cuando se me planteen dudas, ten por seguro que las preguntaré.

Sigue así y tómate tu tiempo.

Un saludo

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Milimetro »

Sr. DeSoya, me quito el sombrero ante usted.
Una explicación didáctica y extremadamente interesante.
:70 :70 :70

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Music224 »

Excelente, muy interesante el tema, y además explicado con una maestría elegante y sabia.
Gracias.

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por DeSoya »

Buenas tardes gente, solo quería pasarme a decir que ando algo enmarronado y que no sé que ritmo de posteo podré llevar, pero no me olvido de esto, el miercoles a mucho tardar ya soy libre como un pajaro. :) un saludo

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solisworks
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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por solisworks »

DeSoya no te preocupes si nos haces esperar un poco.

Creo que el tema merece la espera de sobra. Aprovecho para agradecerte el esfuerzo que haces y que nos ayudará a aprender cosas sobre un tema, en mi opinión, muy importante.
Una sugerencia nada más. Si los capítulos los colgaras como un archivo adjunto en forma de un pdf, puede que te facilitara la redacción (por aquello de hacerlo a ratos) y a nosotros nos ayudaría en lo de guardar la información como oro en paño.

Saludos y repito muchas gracias.

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por Mondeo14 »

Desoya, lo bueno se hace esperar, así que tomate tu tiempo, nosotros no tenemos prisa.
Solisworks, podemos hacer el pdf nosotros, si te apetece, pero considero que tal vez sea mejor tener mas material para poder disfrutar de el. Yo con las primeras líneas, hasta se me ha hecho corto. Pero también coincido contigo, ir preparándolo en un Word, para luego hacer un pdf tiene la ventaja de que puede ir maquetando el tema mucho mejor que en el post.
De todas formas se lo dejamos en sus manos, bastante tiene ya el hombre :53

Un saludo

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por NeoCimek »

Interesante, aunque yo no tengo ni pajolera idea de Solid supongo que a grandes rasgos será extrapolable a Catia.

COrregidme si me equivoco, saludos.

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Re: Tutorial: Estudios estáticos/fatiga para novatos

Mensaje por DeSoya »

Siento lo tardanza gente, pero hasta hoy no he podido encontrar un rato para seguir, prometo que a partir de ahora llevaremos otro ritmo.

CAPITULO DOS: VALE, PERO QUÉ ES LO QUE VOY A PROBAR

Del capítulo anterior nos ha quedado claro que debemos simplificar todo lo posible nuestros estudios para hacerlos realistas, ¿pero qué es lo que voy a probar? ¿que información puedo sacar?

Después de colocar las condiciones de sujeción, y de aplicarle las cargas más parecidas a la pieza que simulen sus solicitaciones de funcionamiento normal, nos vamos a encontrar con 4 resultados principales para nuestro estudio.

TRAZADO DE TENSIONES

Aquí vamos a encontrar cómo está de solicitada, o cargada, la pieza, en una escala de colores para distinguir visualmente de un plumazo como están distribuidas las tensiones.

A este respecto hay que mencionar que el resultado nos lo da con el criterio de Von Mises, que es un criterio utilizado en resistencia de materiales para calcular la tensión, digamos total, en un punto del material, teniendo una jartá de tensiones diferentes en múltiples direcciones.

A este respecto voy a tener que hacer una aclaración, sin entrar mucho en materia y pasando de fórmulas, pero para que se entienda lo que estoy contando. Ingenieros, físicos, arquitectos y demás no os arranquéis el pelo por las simplificaciones, que esto es para lo que es. Tampoco os riáis mucho de mis dibujos a mano, hago lo que puedo.

¿Qué es eso de tensión total, múltiples tensiones y todas esas milongas?

Veamos, cuando se ensaya un material para sacar su límite elástico, o su límite de rotura, se hace con unas condiciones muy concretas, se coge una probeta de material cilíndrica, por ejemplo, y se la pone en una maquina que tira de sus extremos hasta que rompe, se anotan las tensiones y deformaciones, se establece como de resistente es el material, y adiós muy buenas. Pues esto, simplemente así, no nos serviría de nada a la hora de diseñar si no contásemos con criterios que nos permiten pasar de las situaciones ideales a las situaciones reales.

Es decir, nosotros, en el laboratorio, tendríamos lo que pasa en esta figura:

Imagen

Como vemos, una partícula de material de tamaño diferencial (vamos, pequeña de cojones) en este ensayo está sometida a una tensión hacia arriba, y otra hacia abajo. Si el material que probásemos fuera por ejemplo, un S275, pues este material se deforma cuando llegásemos a los 275 kg/mm2 y ese será su limite elástico.

Ahora, cogeremos una barra de acero S275 y tiramos de ella por sus extremos con esa fuerza, y la empezaremos a deformar. (idealmente, luego hay grietas que fragilizan el material, que la barra no sea totalmente recta y la tensión ya no sea uniaxial... ya me entendéis el espíritu de lo que digo)

Pues bien, esta situación nos sirve para este caso y para ninguno más, nunca tendremos la suerte de diseñar una pieza que esté tan idealmente cargada, siempre vamos a tener cargas por todos sitios, de valores diferentes, apuntando hacia nosedonde... y claro, diréis, coño, yo he probado el material para esta carga en especifico, tracción uniaxial y probeta redonda, ¿como sé yo ahora que en mi caso real, el material ha superado el límite elástico o no?

Imaginaos la siguiente pieza:

Imagen

Un tubo empotrado contra una pared, con un momento torsor, que provocará una tensión tangencial, una fuerza, que provocará otra tensión tangencial y además por como esta situado provocará un par flector, que en resumen, provoca una fuerza normal de tracción. Y dependiendo de donde estemos analizando, unas fuerzas actúan y otras no, por ejemplo el par flector no afecta al plano medio de la barra, pero justo en ese punto es donde más ataca la fuerza de cortadura... en fin, diseñar es un sindios. Y como veis, nuestro pequeño trozo material diferencial ahora no esta sometido a una tensión tan simple, sino que hay varias y cada una puesta como dios le dió a entender.

¿Entonces como sabemos si una situación de tensiones ha llegado al límite elástico y empezaremos a deformar el material? ¿Cómo podemos simplificar el estado de tensiones y estar seguros de que no nos estamos pasando al cargar una zona de un material? Pues precisamente de eso, se encarga el criterio de Von mises, que es un pestiño de cuidado y del que las personas cabales sólo de acuerdan de su expresión, y pasa totalmente de las ecuaciones y suposiciones del que sale.

En fin, todo esto para saber de donde viene el estado tensional que nos proporciona el Solid... el programa "divide" el material el trocitos, resuelve las ecuaciones de fuerzas, mira a ver como están esas fuerzas, las aplica contra el criterio, y nos devuelve un resultado de como está cargada esa zona según el criterio de tensiones mas aceptado (hay otros), para proporcionarnos un valor numérico fiable de como de cargada está cada zona.

Cabe señalar que la numeración de los aceros, se refiere al límite elástico, y cuando alguien diseña algo, lo hace pensando en el límite elástico del material, no el de rotura. Una pieza además de una funcionalidad resistente, tiene una funcionalidad geométrica, si diseñamos algo que va a estar trabajando superando su límite de elasticidad, (tensión de fluencia, limite elástico, como lo queráis llamar) además de jugar con fuego porque estamos solicitando mucho al material (a fatiga ya ni te cuento, como sufra de ella), la pieza se deformará, no encajará con las demás y es un sindios. Por eso limite elástico y factores de seguridad altos. Por cierto, el solid calcula el factor de seguridad contra el límite elástico, no contra el límite de rotura, por eso, en el trazado de seguridad si veis un fos menor a uno no quiere decir necesariamente que la pieza se vaya a ROMPER, sino que se supera el límite elástico y no es apta para ese uso.

Venga, aquí una gráfica de como varían las tensiones con las deformaciones para un material. Aquí se pueden ver dos zonas diferenciadas, la zona elástica, donde la tensión y la deformación de un material es proporcional, relacionada por una recta, y que si dejamos de cargar el material, la deformación que sufre se recupera (como una goma elástica), y que es donde queremos que "trabajen" nuestra piezas, y la zona plástica, donde ya nos hemos "cargado" el material, y está deformado irremediablemente y aunque dejemos de solicitarlo, está deformado. Al límite de tensión entre una zona y otra, se le llama límite elástico.

Imagen

Volviendo al tema del solid, lo normal es que el trazado por defecto de tensiones, sea el de Von Mises, pero haciendo doble url sobre el trazado, podemos "partir" esa tensión de Von Mises en sus componentes, y que nos enseñe solamente lo que nos interesa, tensión normal según los 3 planos, tensiones cortantes, tensiones principales...

Imagen

En esta imagen, en el caso de la rueda que comentábamos el otro día, he seleccionado que me muestre la tensión normal (saliente o entrante) del eje X. Como vemos, la mayoría de la pieza está en verde (no hay tensión normal en ese eje), pero esa fuerza hacia abajo, provoca un momento flector en el eje de la rueda. Por su sentido, ese momento flector provoca una tensión normal respecto al eje x hacia afuera en la parte de arriba (en rojo) y una igual en valor pero de sentido contrario (en azul y en negativo) en la parte de abajo. Como comentamos antes, ese flector no afecta a la parte media y la parte media del eje está en verde.

La idea es, que aunque normalmente nos darán los resultados en von mises y tensión total, podemos tamizar los resultados por todos los tipos de tensiones que aparecen en la pieza y puede ser relevante mientras estamos diseñando. Si no, pues el programa ya hace el por mismo lo fundamental.

Otro día mas cosas. Si tenéis alguna duda ya sabéis.

Última edición por Ricardo el Vie Nov 11, 2016 11:00 pm, editado 2 veces en total.