Cálculo del factor de Concentración de esfuerzos, utilizando SOLIDWORKS

La concentración de esfuerzos es ocasionada por los cambios abruptos en la geometría del material, que puede ser por filetes y orificios generalmente. Otras formas de concentrar los esfuerzos puede ser la discontinuidad en el material (inclusiones), los esfuerzos residuales, las soldaduras, el trabajo en frio. Es importante estudiar la concentración de esfuerzos porque un incremento traerá como resultado una falla en el material. Los métodos para calcular la concentración de esfuerzos son;

• el método analítico usando la Teoría de la elasticidad,

• el método Numérico usando el método de elemento finito y

• experimentalmente usando muy pequeñas galgas extenciométricas y por fotoelasticidad.

A continuación estudiaremos el método de cómo obtener la gráfica que nos servirán para describir cómo se comporta el factor de concentración de esfuerzos Kt en una placa con filetes, con una sujeción en un extremo y una carga axial en el otro extremo. Los resultados obtenidos son independientes del tamaño del elemento y del material utilizado; solo depende de las razones de los parámetros involucrados, es decir, de las razones r/h y H/h. El esfuerzo máximo smax es obtenido mediante el método de elemento finito utilizando el software SOLID WORKS. Para calcular el esfuerzo promedio sprom=P/A utilizamos la carga axial P entre área en la sección crítica. Para obtener el factor de concentración de esfuerzo Kt dividimos el smax entre el sprom. Deberá de considerarse que este procedimiento es válido solo cuando el smax no exceda el límite de proporcionalidad del material.

La barra plana está sometida a una carga axial P=10000N, tiene 20 cm de largo, un espesor t=1 cm, Se desea calcular el factor de concentración de esfuerzos. El material que se escogió es un acero de bajo carbono AISI 1020

CASO (H/h=2)

–Simulación H/h=2, r=0.0025m

-Simulación H/h=2, r=0.005m

-Simulación H/h=2, r=0.010m

-Simulación H/h=2, r=0.015m

-Simulación H/h=2, r=0.020m

Gráfica del comportamiento de Kt con respecto r/h para una relación H/h=2

CASO (H/h=1.25)

Simulación H/h=1.25, r=0.00125m

Simulación H/h=1.25, r=0.00250m

Simulación H/h=1.25, r=0.00375m

Simulación H/h=1.25, r=0.00500m

Simulación H/h=1.25, r=0.00625m

Gráfica del comportamiento de Kt con respecto r/h para una relación H/h=1.25

Gráfica del comportamiento de Kt con respecto r/h para una relación H/h=2 y H/h=1.25

Conclusión

Los cambios en la geometría de una pieza ocasionados por "cuñeros", anillos de retención ó chaflanes, concentran los esfuerzos provocando falla en las piezas mecánicas. En la gráfica podemos observar que entre más grande sea el radio, los valores del esfuerzo máximo y el factor de concentración de esfuerzos se reducen. A la vez, encontramos que la aplicación de software como SOLID WORKS, facilitan la obtención del factor de concentración de esfuerzo.

Bibliografía

• Beer Ferdinand P., Mecánica de Materiales, Mc. Graw Hill

• Chandrupatla Tirupathi R., Introduction to finite element in Engineering

• Daryl L. Logan, A frist course in the Finite element method

• Mott Robert L. , Diseño de Elementos de Máquinas, Editorial Pearson

Autor:

MC. Raúl Acosta Landín

MC. Gildardo García Vela

Profesores del Instituto Tecnológico de Nuevo León

Adscritos al Depto. de Ingeniería Electromecánica