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Análisis de fatiga de ciclos bajos de una chapa perforada sometida a carga axial

Authors: Madariaga García, Peru;

Análisis de fatiga de ciclos bajos de una chapa perforada sometida a carga axial

Abstract

El presente Trabajo Fin de Grado, con fines únicamente docentes y no productivos, surge de la necesidad de poner en práctica los conceptos recogidos en el Tema 8 sobre la fatiga de ciclos bajos impartido en la asignatura de “Métodos de Análisis y Diseño para Fractura y Fatiga” del Máster en Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería de Bilbao. El estudio, recoge y aplica los conceptos sobre el cálculo de la vida útil de los componentes mecánicos sometidos a cargas de amplitudes bajas. Por ello, partiendo de una pieza que podría tener una aplicación real, como una simple chapa perforada de acero, se pretende realizar un estudio elastoplástico de dicha pieza cuando es sometida a carga axial durante varios ciclos de carga y descarga. Se le aplicará un bloque de tensión con el fin de exceder el límite de fluencia en ciertas zonas locales, debido a la concentración de tensiones. Esto, conllevará a la aparición de tensiones residuales en los momentos de descarga en dichas zonas. Finalmente, se estudiará la vida útil del componente, donde se calcularán los ciclos a los que será sometida la chapa y el daño acumulativo de cada uno de ellos. Pudiendo estimar así, la cantidad de bloques de tensión que podrá soportar la chapa hasta su respectiva ruptura. El trabajo se divide en dos análisis, en el primero, se modelizará una chapa “infinita” donde se comprobarán las ecuaciones de Kirsch, las cuales servirán, por un lado, para comprobar el estado de la malla en el software de EF y, por otro, para predecir el comportamiento de un material elástico lineal al borde de una abertura circular en un plano infinito. En el segundo, se modelizará una chapa con dimensiones conocidas y se estudiará su vida útil tras aplicarle una secuencia de cargas axiales. Ambos análisis se realizarán con distintos métodos mediante los cuales es posible simular el comportamiento del material. Primero, se simulará el comportamiento de la chapa con el método numérico de análisis mecánico más utilizado en la actualidad, como es el Método de Elementos Finitos. Esta simulación se llevará a cabo en el software ANSYS Workbench®. Posteriormente, se realizarán unos cálculos analíticos, basados en teorías de la elastoplasticidad, como la teoría de la plasticidad de Neuber y la ecuación de Ramberg y Osgood. Estos cálculos analíticos, se desarrollarán en un software de cálculo numérico como MATLAB®. A lo largo del trabajo, se describirán detalladamente tanto las teorías de la elastoplasticidad usadas para los cálculos analíticos como el método de los elementos finitos. También se llevará a cabo una introducción al propio entorno del programa ANSYS Workbench®. Finalmente, los resultados obtenidos con ambos métodos se contrastarán mediante representaciones gráficas que hagan los resultados más visibles.

Country
Spain
Keywords

método de elementos finitos, software ANSYS Workbench®, ecuaciones de Kirsch, ciclos bajos

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