Cálculo de esfuerzos, resistencia o como lo querais llamar

[Ricardo]

Para que me de Kg fuerza, radio en cm x radio en cm x PI x Presión

Quiero repasar algún libro (hace muchísimo tiempo que estudie eso) pero en principio me parece que algo no está bien (eso del radio en cm).

Saludos

[Ricardo]

Ningún problema Mondeo tu calculo está bien.

Nosotros, cuando estudiaba, trabajábamos siempre en Newtons y de ahí mi error, si el resultado es en Kg, tu formula está bien.

Saludos

[Mondeo14]

Si lo haces todo en mm al final tienes que convertir las unidades, así que yo lo hago antes.
Que conste que me lo enseñaron así y para mi es mucho mas sencillo.

[aluis962]

Saludos, Mondeo.
Un saludo para ti y para todos nuestros Foronautas. Hace rato que visito Rincad sólo esporádicamente, y me alegra constatar que el Foro sigue vivo, activo y con el mismo espíritu de solidaridad de siempre. Mis sinceras felicitaciones para ustedes.
Me ha motivado tu post sobre el cálculo de esfuerzos en ese ensamble, pero veo que lo subiste en mayo y no sé si todavía necesitas de él. Coincido con las consideraciones de Archkazs y Ricardo, y se me ha ocurrido que tal vez te pueda dar yo algunas sobre la base concreta de tu modelo. Así que comienzo con la primera recomendación de Archkazs: ¡Simplificar!
Aquí te sugiero una primera simplificación del modelo.

El análisis es:

1. Por lo que estoy viendo, existe una especie de ‘Activador’ que suministra los 160 bar presión a la cavidad interior del Cilindro. Y entre las Placas hay una pieza azul que mantiene al cilindro en posición horizontal. Ninguna de las dos tiene nada que ver con la Simulación. Por lo tanto, ambas piezas se pueden excluir del análisis y tan solo agregar, en su lugar, una Geometría Fija que mantenga al cilindro en posición horizontal.
2. Las columnas, pueden ser comoquiera de gruesas, que sólo sirven para asimilar la precarga, o apriete inicial, que tengan las tuercas M42 en sus extremos. La sección viva que está en juego es solamente la de la parte roscada, y trabaja a tensión. No a compresión. Por ello no me parece descabellado sustituir cada columna por un Conector de Pernos.
3. Ni el Cilindro ni el Pistón están bajo cuestionamiento. Ellos sí o sí tienen que servir. Por lo tanto, también se pueden excluir del análisis y dejar en su lugar sólo la fuerza con que el pistón empuja la Placa verde.
4. Pienso, igual que Archkazs, que en el lugar de contacto Pistón-Placa Verde, es recomendable hacer una Línea de Partición circular en la Placa Verde de diámetro de 45 mm y tú has calculado la fuerza se ejerce sobre ella: 32153.6 kgf. Esa misma apliqué yo.
   Aquí muestro hasta dónde pienso que puede llegar la simplificación de tu modelo.

Luego de la simplificación, los Contactos que quedan por definir son:
a) Una unión ‘Sin Penetración’ entre el borde inferior de cada Placa con la superficie superior de la Base que contacta con ellas;
b) Y una unión entre las superficies de los ejes (o bujes, no sé cómo llamarlos) que están debajo de cada Placa y las superficies de los orificios donde van insertados. Aquí hay dos opciones. La Primera: Unión ‘Sin Penetración’. Esto presupone que los esfuerzos en el sistema te puedan sacar las Placas de su lugar. En mi Simulación es justo lo que pasó. Se ve así:

Llama la atención que, aun cuando el material que empleé es Acero Aleado, que tiene un Límite Elástico bastante alto, las tensiones en el borde del orificio de la Base, donde encaja el eje de la Placa 1, y en los mismos ejes, superan con creces los niveles permitidos.
La Segunda opción es asignar una ‘Unión Rígida’, lo que es lo mismo que asumir que eje y orificio están literalmente fundidos, o soldados. Contactos y Fijaciones se ven así:

Contacto Morado (Sin Penetración); Contacto Rojo (Unión Rígida); Sujeción Verde (Geometría Fija simulando la unión con el resto de la base que falta); Sujeción Amarilla (Rodillo con desplazamiento, simula que puede desplazarse en ese plano en caso de deformación).

[aluis962]

Y los resultados de la simulación, en vista explosionada, se ven así:

Aquí, aun, cuando las tensiones han disminuido con relación a los contactos Sin Penetración, todavía los valores de tensión en los bordes de los orificios superan los niveles establecidos. Al fin y al cabo, estamos hablando literalmente de una Prensa de 32 Toneladas, cada una de cuyas paredes se fija a la Base con solo dos ejes.
Por último, hice una prueba, asignando una Unión Rígida a las aristas de ambas Placas como si estuvieran soldadas a la superficie superior de la Base y los resultados en vista explosionada se ven así:

Como ves, en la medida que se ha ido rigidizando el modelo, los resultados mejoran. Los cuatro pernos que sustituyeron las Columnas funcionan en óptimas condiciones, como se ve aquí:

Por último, ya con los ejes de las Placas rígidos (o soldados a la Base) y las Placas también soldadas a la Base el coeficiente de seguridad del sistema sube a más de 1.181. No es bueno, porque está cerca del Límite Elástico, pero te da la idea de que con otras medidas de rigidización adicional del modelo, tal vez otra Base encima, o más ejes en cada Placa… (habría que probar), éste puede funcionar.
No sé si a otros les pasará igual que a mí que nunca estoy totalmente conforme con las simulaciones. Siempre me cabe la duda que pudiera haber hecho algo para hacer más realistas las fijaciones, los contactos u otra cosa. Si te interesa, puedo hacer un Pack and Go en *.zip y subirlo al Foro. Sería bueno escuchar otras opiniones.
Ojalá te haya servido lo que expongo.
Un saludo de despedida para todos.

[Mondeo14]

Hola @aluis962 , me has dejado sin palabras.
Primero agradecerte tu visita y mas aún tus estupendos comentarios.
¿Que mi comentario es de Mayo?, no te preocupes, me va a servir de mucho, incluso para este caso. Actualmente tengo la prensa ya montada, me falta la parte central, la "herramienta" que va a trabajar sobre un tubo, la cual hará unas marcas en el tubo. A simple vista parece que no hace falta tanto cilindro, ni tanta fuerza, pero es lo que me encontré cuando empecé en mi nuevo trabajo. "Alguien" con menos conocimientos que yo, decidió comprar semejante cilindro, que yo pienso no hace falta. Yo solo he hecho el diseño adaptándome a lo que habían comprado. Para futuros trabajos ten por seguro que primero hago los cálculos.
Vuelvo a agradecer tu tiempo y explicación, que seguro a mas de uno nos vendrá muy bien. Y como te digo, ahora me puede servir un poco, pero para el futuro me servirá mucho mas.

Gracias de nuevo y vuelve cuando lo consideres necesario. Y por supuesto, tu ayuda será bien recibida.

[aluis962]

Gracias, Mondeo.
Pienso que en estos momentos podré incursionar con más frecuencia, y ten por seguro, que si en algún momento puedo aportar algo útil, no dudaré ponerme en frecuencia con el espíritu del Foro.
Tal vez sirva que te diga, que los esfuerzos han sido calculados para la presión de 160 bar que introduces en los Datos. Tú mismo hiciste los cálculos y te has dado cuenta que estás trabajando literalmente con ¡¡¡una Prensa de 32 Toneladas!!! Y esa es la razón por la que habría que tener en cuenta los esfuerzos que se generan fundamentalmente sobre los orificios de la Base, porque el resto de las zonas aparece completamente en azul (es decir, casi descargada).
Si dices que lo que realmente necesitas no requiere “…ni tanta fuerza”, entonces tal vez resuelvas con alguna que otra modificación mecánica del vástago, algún inserto, dispositivo… qué sé yo, y con mucha menos presión en el cilindro puedas darle el uso adecuado.
Gracias una vez más por tus palabras y nos seguimos ‘viendo’ por aquí.

[Mondeo14]

Buenas, casi olvidado este comentario, llevo una semana de puesta a punto de la instalación donde va integrada esta prensa y voy como loco. Necesitamos hacer piezas buenas y hemos tenido que montar y desmontar la "herramienta" que va en esta prensa, tres veces. Y cada vez que lo hacemos y retocamos, se nos va un día.
Bueno, comentar que actualmente estamos trabajando a 70 bar de presión (que hace una fuerza de unos 14.000 Kg) y no veáis como se retuerce la placa base, me da pánico. Esta semana que viene que ya hemos conseguido piezas medianamente buenas, quiero hacer la prueba de bajar la presión, a ver si lo que sale es igual. Quiero que me dure mucho tiempo y que no se rompa. No es que se deforme a lo bestia, pero se aprecia que se dobla un poco la placa base y que los tirantes "tiran" de narices.
Al final es lo que @aluis962 me mostraba con sus cálculos, pero no aplicando toda la potencia del grupo hidráulico, porque hubiese reventado la prensa a la primera.

Gracias por los comentarios de todos, seguiré comentando y si puedo os pondré un vídeo de como se retuerce la base

[aluis962]

Saludos a todos nuestros Foronautas.
Yo casi que me he tomado este tema, Mondeo, como si fuera mío y por eso me vas a disculpar. Pero la verdad es que me resulta tentadora la idea de poder contrastar los cálculos teóricos de Solidworks Simulation con los resultados prácticos en un modelo real, como lo tienes tú. Por eso te comento lo siguiente:
Con los datos, tanto de dimensiones de las piezas, como la presión de trabajo que has subido, la Fuerza, conque el pistón que actuaba sobre la placa era de 32 Ton. En ese caso se veía que los mayores esfuerzos recaían sobre los orificios de la base y, si te fijas en la quinta lámina (del post anterior), la tensión máxima que se lograba era de 1714.6 MPa. Casi tres veces superior al Límite Elástico del material que empleé, que es el Acero Aleado. De manera que el dispositivo no habría aguantado tales esfuerzos. También quedamos que si se rigidizaba un poco más el dispositivo (algo así como que soldar también las placas a la base) los resultados mejoraban.
Pero ahora, he hecho de nuevo un estudio empleando una fuerza de 14 Toneladas y la verdad es que los resultados también son coherentes con la descripción que haces de que parece que aquello va a reventar. Aquí te muestro los resultados con 14 T y se ven dos cosas: que los mayores esfuerzos se concentran igualmente en la Base y, que todavía se sigue superando el límite de elasticidad de ese acero.

Por eso pienso, te sería más útil hacer un estudio de diseño y en lugar de calcular cada vez si el dispositivo resiste o no, ir directo a buscar a partir de qué presiones los parámetros se hacen aceptables. El criterio que empleé es considerar 'Bueno' el dispositivo, si durante su uso el Factor de Seguridad se mantiene superior a 1,2. Y los resultados fueron estos:

Si te fijas, los que están enmarcados en rojo son los que están por encima. Excepto el último que lo redondeé a 1,2. Este último caso se obtiene a partir de la aplicación de una fuerza de 98000 N (cerca de 10 T), que a su vez se obtiene a partir de una presión de trabajo de 38 Bar.
Tal vez no sea esa una buena noticia que haya que bajar tanto la presión que querías tener inicialmente. Presión que disminuiría aún más si el material real de la Base tiene un límite de Elasticidad inferior al del Acero Aleado que yo empleé. Pero también es muy probable que me falten más datos y la aproximación hecha tampoco sea la más correcta. Lo cierto es que para una fuerza de 98000 N (aproximadamente 10 T) las tensiones y el Factor de seguridad se comportan como se muestra en las imágenes.

Espero el análisis te haya sido de utilidad, y una vez más mis saludos para todos los colegas.

[Mondeo14]

Hola @aluis962 , perdona que haya tardado tanto en contestarte, me olvido de las cosas si no las hago en el momento.
Agradezco enormemente tu ayuda y la valoro muchísimo. Y como veo que casi es un asunto personal, te adjunto un stp de las piezas que "creo" necesitas para hacer los cálculos.

¿Materiales?, pues te explico lo que he usado.
Para las placas el material que nosotros denominamos ST-52, que otras denominaciones son: ST-52.3, S355, 1.0570
Para las columnas que unen unas placas con otras, el material es un F-127 Tratado, que otras equivalencias son F-1272, 1.6565, 40NiCrMo6 y por lo que he encontrado, la denominación americana es 4340 / 9850

Si te apetece hacer de nuevo los cálculos, yo estaré super encantado. A ver si puedo hacer un vídeo de la prensa trabajando, donde se vea como se "retuerce"

[aluis962]

Si, claro que lo haré!!! También disculpa la demora, es que he estado algo enredado en otros asuntos. Pero no más lo vea te comento los análisis. Saludos

[aluis962]

Saludos, Mondeo, y a todos nuestros Foronautas.
Pido disculpas por haberme demorado, pero ya aquí tengo algo que mostrar.
He revisado el archivo, corregido las dimensiones del que tenía y he actualizado los materiales. Te explico mi línea de análisis.
Primero que todo, advertí que debajo de ambas Placas (amarilla-1, verde-2) hay cuatro orificios de diámetro 14 mm donde pienso se enroscan cuatro pernos M16 con los que éstas se fijan a la Base. La métrica M16 la deduje por los parámetros de la Tabla (https://www.tormetal.com/wp-content/upl ... Roscas.pdf). Se ve que en la Placa 2 hay dos orificios adicionales de diámetro 16, que tomaré como una fijación de la Placa a la Base por medio de bujes. De todas maneras, cualquier inferencia incorrecta por favor me la corriges.
Como el área de la sección transversal de los pernos, bujes, o lo que sea que une las Placas a la Base es esencial, me tomé la atribución elaborar tres Configuraciones con diferentes tipos de tornillos: una con M16 (la A); otra con M24 (la B) y otra más con M30 (la C), y en cada Configuración fijé las Placas a la Base con pernos M16, M24 y M30, respectivamente. Esto para ver cómo se comporta el sistema variando el diámetro de las fijaciones.
Los pasos en la Simulación fueron:
SIMPLIFICACIÓN: Se eliminaron los orificios de la Base que no intervienen, quedando solamente los de cada esquina y los que fijan las Placas. Se eliminaron los chaflanes, los redondeos, los orificios roscados que se encuentran en la parte superior de cada Placa (a los orificios roscados de la Placa 1 volveré más tarde), y se unieron las Placas a la Base por medio de los tornillos que ofrece Toolbox. Todos con dimensiones según la Configuración.
CONEXIONES:
1.- Entre la cara inferior de cada Placa y la cara superior de la Base; entre los laterales de la Placa 2 y las paredes de la ranura donde va insertada; y entre la parte inferior de cada Buje y su orificio de contacto en la Base, el Contacto es de Tipo: Sin Penetración.
2.- Entre la parte Superior de cada Buje y sus orificios de contacto en la Placa 2 el Contacto es Tipo: Unión Rígida.
SUJECIONES Y RESTRICCIONES:
1.- En los dos orificios de la extrema izquierda de la Base asumí una Fijación Rígida. Y una Fijación avanzada en cada orificio de la derecha, que le impida moverse ya sea hacia arriba (Y) o hacia los laterales (Z), pero que no le impida desplazarse a lo largo del eje X, como si debajo estuviera fija a un slot (ranura) y no a un orificio.
2.- Las Columnas entre Placas se sustituyen por Pernos M42 con Tuercas. Sólo que ahora dichos Pernos son de 34NiCrMo6 (W 1.6582). En la Base de Datos de SW, éste es el material más cercano al 40NiCrMo6.
3.- Cada Placa se fija a la Base por medio de cuatro Tornillos Hexagonales del Toolbox, con el material que viene por defecto (Acero Aleado).
4.- La Placa 2 trae, además, dos orificios de diámetro 16 mm coincidentes con otros dos de la Base. Ahí inserté dos pasadores de material S355, que rigidizan más la unión de esa Placa con la base.
FUERZA: Se mantiene la fuerza definida de 137 293,1 N (14 T).
OBJETIVOS.
1.- Definir cuál de las tres configuraciones asimila mejor la carga de 14T (por si fuera posible un cambio en el diseño);
2.- Definir alguna acción sobre el Modelo que garantice un FOS mínimo de 1,5 (por si NO fuera posible un cambio en el diseño por maquinado).
RESULTADOS:
El modelo, con restricciones y cargas se ve así.

Para las tres Configuraciones, las Tensiones en la Simulación se ven así:

Se puede ver que en las Configuraciones A y B las tensiones superan el Límite Elástico. En la variante A esto ocurre en la zona de los orificios debajo de la cabeza de los pernos. El Diagnóstico de la Zona Activa de Tensión refiere que no hay singularidad y que estas tensiones son legítimas. En la Configuración B, con un perno de mayor diámetro la zona ‘caliente’ se desplaza a la arista derecha de la Placa B que pivotea sobre la Base cuando es halada por las Columnas. Y en ese mismo lugar se mantiene en la Configuración C. Observa que con el mayor de los diámetros (M30) las tensiones están por debajo del Límite Elástico del material.
Las siguientes tres imágenes muestran con una flecha negra el mínimo permisible de Coeficiente de Seguridad que establecí (1,5) y sólo las áreas que tienen algún color son las que están por debajo de ese límite.

[aluis962]

Observa que esas áreas están en los orificios, fundamentalmente en las zonas donde reposan las cabezas de los pernos y en las aristas derechas de ambas Placas. También verás en todas que los orificios de fijación de la Base también están afectados. Pero en la vida real eso no es así por algo que te diré al final. El comportamiento de los pernos se muestra en las siguientes imágenes.

[aluis962]

En estas imágenes se muestra cómo en la medida que aumenta el diámetro de los pernos de fijación de las Placas a la Base el FOS de los mismos aumenta. En la última imagen se pueden ver en rojo los cuatro pernos de la Placa 1. Pero esto no significa que fallen. Sólo que no alcanzan el FOS=2 previamente establecido. Ahora, habiendo establecido por Simulación, que con el incremento del diámetro de los pernos la seguridad aumenta, decidí rigidizar más la variante M30 y soldar los bordes de las Placas a la Base. La imagen de estos contactos se ve así:

Y, como era de esperar, las tensiones máximas disminuyen considerablemente, hallándose el mayor valor en uno de los orificios de fijación de la Base, lo cual no importa demasiado por la razón que te comentaré al final.

[aluis962]

Y en la siguiente imagen verás que una vez soldadas las Placas a la Base todos los pernos de fijación de las mismas soportan las 14 toneladas.

No obstante, todo esto ha sido analizado bajo la suposición de que estás en posición de abrir huecos, taladrar, roscar… en fin, trabajar mecánicamente los elementos de la Prensa. Pero tengo también que suponer que esto no sea posible. Por eso, regresando a la Configuración ‘A’ (M16), analicemos una variante que no sea taladrar y roscar.
Las dos sugerencias para esta Configuración son las siguientes: Soldar los bordes de las Placas a la Base y….. de alguna manera crear una unión rígida entre la Placa 1 y el actuador del cilindro, empleando los dos orificios roscados que están encima de la Placa 1 (te dije que volvería a ellos) y que omití en este análisis. Pienso, tal vez, en ubicar una barra entre ambos…..Si eso ocurriera, los resultados serían los siguientes.

Los esfuerzos se redujeran considerablemente y el mínimo FOS alcanzaría casi 2,2, lo cual, en mi opinión es un buen valor, y todos los pernos estarían dentro del límite mínimo de FOS=2 que, como ves en esta imagen todos están en verde.

Bueno, y las Conclusiones son obvias:
1.- En la medida que se incrementa el diámetro de los pernos de fijación de las Placas a la Base se incrementa la seguridad del modelo (eso si fuere posible taladrar los orificios de la Base y aumentar el diámetro de los orificios de los pernos).
2.- Si no estás en condiciones de taladrar, roscar etc, entonces una mejora probada sería soldar Placa 1 y Placa 2 a la Base.
3.- Amplíes los taladros o no, sueldes las Placas a la Base o no, será siempre bienvenida una unión rígida entre los puntos de fijación del actuador del cilindro y la Placa 1.
REFLEXIÓN OBLIGATORIA:
No sería científicamente honesto tomar este modelo como válido. Sería tal vez válido… a la mitad. El punto es que esta Simulación está hecha sobre un modelo abierto. Esto es: La Base de la Prensa está sujeta a….algo, y una fuerza de 14 T se cuela por el huequito de la Placa 1 y actúa sobre la Placa 2, como resultado de lo cual lo único que impide que el Modelo se vaya a pasear son las reacciones en los orificios de la Base (por eso los altos valores de tensión). Pero en la vida real no es así.
Ocurre que a la misma Base está fijo el Actuador del Cilindro y, por Tercera Ley de Newton, la misma fuerza conque actúa el vástago sobre la pared de la Placa 2, éste actúa sobre el punto de fijación del actuador del Cilindro a la Base. Es por eso que anteriormente te decía que no importan tanto los orificios de fijación de la Base, porque dentro del sistema la sumatoria de todas las fuerzas es cero. Y lo que va a suceder es que entre las Placas y el Actuador del Cilindro se forme una ‘V’ que arquee más la Base. Pero básicamente las tensiones entre los orificios de fijación de la misma y dondequiera que ella repose no serán demasiado grandes.
Bueno, espero dos cosas importantes para mí: Primero que hayas sacado algún provecho de lo que te cuento y, cualesquiera que sean las dudas estoy en disposición de aclararlas (de todo lo que he hecho aquí); y lo otro es, no haber aburrido a nadie porque me ha parecido demasiado extensa la explicación. Habría preferido tal vez grabar un video, pero confieso no sé hacerlo.
Saludos a todos