Mechanical Design Applications

Master Notes

Spring 2007

University

Design Considerations

� Stress – Yield Failure or Code Compliance

� Deflection

� Strain

Stiffness

Often the controlling factor for

functionality� Stiffness

� Stability – Important in compressive members

� Stress and strain relationships can be studied

with Mohr’s circle

Deflection [Everything’s a Spring]

� When loads are applied, we have deflection

� Depends on� Type of loading

� Tension

� Compression� Compression

� Bending

� Torsion

� Cross-section of member

� Comparable to pushing on a spring

� We can calculate the amount of beam deflection by various methods

Teorías de Falla Dinámica Análisis de Falla por Fatiga � Diseño de piezas contra la falla dinámica o bien contra la fatiga es algo de mayor

complejidad, actualmente solo es comprendido en formal parcial y los métodos de

cálculo que pueden emplearse se deben entender en términos estadísticos.

� Una visión muy conservadora consiste en no emplear métodos de cálculo por fatiga

y multiplicar por 3 o por 4 los coeficientes de seguridad comúnmente empleados,

pero está práctica conduce a diseños poco competitivos; lo cual conduce a derrotas pero está práctica conduce a diseños poco competitivos; lo cual conduce a derrotas

seguras en el mercado profesional.

� El Fenómeno de Fatiga

� El mecanismo de Fatiga es uno de los más complejos fenómenos en el estudio de

falla en piezas sometidas a la acción de cargas dinámicas. Este fenómeno puede

aparecer súbitamente y sin aviso previo. Este fenómeno está asociado

principalmente a la presencia de patrones de carga dinámicos de tipo cíclico

Teorías de Falla Dinámica Análisis de Falla por Fatiga � Distintas teorías, en su conjunto pueden dejar las siguientes conclusiones:

� a) Los aceros de construcción de maquinas y en general los metales, no poseen

homogeneidad en su estructura, ni continuidad de resistencia (aun a pesar de la

hipótesis del continuo de la elasticidad clásica) la resistencia promedio son sólo

valida para solicitaciones estáticas, debido a que estas solicitaciones permiten un re-

acomodamiento adaptativo de los cristales a medida que aumenta la carga.

b) Las cargas variables tienen su aplicación prácticamente instantánea, no hay � b) Las cargas variables tienen su aplicación prácticamente instantánea, no hay

tiempo para el reacomodamiento, separación de los cristales en aquellos lugares

donde hay menor cohesión intercristalina, generando el inicio de una microfisura, la

que por el efecto de concentración de tensiones producida por la microentalla, va

aumentando rápidamente la fisura hasta que la sección resistente no puede soportar

la carga, produciéndose en ese instante la rotura súbita de la pieza

� Las micro-fisuras o grietas iniciales de fatiga comienzan sobre la superficie de las

piezas en varios puntos simultáneamente y se propagan a los sustratos inferiores.

Estas grietas que son normalmente muy pequeñas y difíciles de observar, pero se

propagan

Teorías de Falla Dinámica Análisis de Falla por Fatiga � la vida o la duración de una pieza se puede maximizar:

� 1) Minimizando defectos superficiales: con esto se tiene un gran cuidado de no

generar superficies demasiado rugosas y en consecuencia susceptible a los

fenómenos de fatiga, y en consecuencia las superficies son cuidadosamente

protegidas.

� 2) Maximizando el tiempo de iniciación: se ha observado que las tensiones 2) Maximizando el tiempo de iniciación: se ha observado que las tensiones

residuales superficiales se reducen por medio de procesos de acabado de

manufactura como el granallado o el bruñido.

� 3) Maximizando el tiempo de propagación: también son importantes las

propiedades del sustrato superficial, dado que las grietas se propagan más rápido

por las fronteras reticulares que a través de los granos. De esta manera

empleando materiales que no presenten granos alargados en la dirección de

propagación de la grieta permite maximizar el tiempo de propagación.

� 4) Maximizando la longitud crítica de la grieta. Existe una condición para la cual

la grieta puede mantenerse estable.

Teorías de Falla Dinámica Análisis de Falla por Fatiga

Teorías de Falla Dinámica Análisis de Falla por Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga � Resistencia a la Fatiga en la zona de bajo ciclaje

� Resistencia a la Fatiga en la zona de vida infinita

� Resistencia a la Fatiga en la zona de alto ciclaje de vida finita

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

� Factores de modificación de la tensión de resistencia a la Fatiga

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga � factor de concentración de tensiones a fatiga KF

� factor de sensibilidad � factor de sensibilidad

de entalla:

� Si no hay entallas :

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga � Factor de acabado superficial

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga � Factor de tamaño: Está asociado al diámetro especifico de la probeta

estándar, que tiene 0.30 pul. Para otros diámetros se utilizan los siguientes

valores:

� Para el caso de una solicitación netamente axial el efecto de tamaño es � Para el caso de una solicitación netamente axial el efecto de tamaño es

insensible y en consecuencia se toma ks = 1.

� En el caso de secciones no circulares se emplea el denominado diámetro

equivalente que se muestra en la Tabla

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

� Factor de confiabilidad

El factor de confiabilidad depende de la probabilidad de supervivencia a

una tensión en particular. Los valores de este factor se exponen en la Tabla

y se han obtenido sobre la base de una desviación estándar de 8%. Estos

valores deben considerarse orientativos

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga Factor de temperatura

� Muchas piezas que tienen servicio a temperaturas mayores de las

correspondientes al ensayo de laboratorio.

Se efectúan convalidaciones experimentales adicionales

estableciendo la siguiente relación:

� donde Sut es la resistencia estática a la rotura por tracción a una

temperatura determinada, mientras que Sut/ref es la resistencia

estática a la rotura por tracción a una temperatura de referencia estática a la rotura por tracción a una temperatura de referencia

(típicamente 20°C). En la Tabla se indican algunos valores de tal

coeficiente para un acero típico

Teorías de Falla Dinámica - Fatiga

� Factor de efectos varios

� En este factor se condensan distintos efectos que pueden alterar el valor de

la resistencia a la fatiga, entre los cuales se pueden citar:

- El proceso de Manufactura

- La presencia de tensiones residuales como resultado de procesos de

recuperación elástica. Presentes en procesos de manufactura como la

soldadura, tratamientos térmicos, etc. soldadura, tratamientos térmicos, etc.

- Fenómenos de corrosión de la macro y micro estructura del material. Las

principales causas de corrosión en los metales se deben a la presencia de

oxígeno y de hidrógeno. Este último puede generar la denominada

“fragilidad por adsorción de hidrógeno”, ayudando a propagar más

rápidamente las grietas.

- Los tratamientos superficiales de electrodeposición que evidencien

porosidad como los óxidos anodizados.

� Continua…

� Diseño de Elementos de Máquinas…