Análisis estático de una pieza en Solidworks PDF

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Este documento presenta los resultados de los distintos análisis estáticos cuando a una pieza de trabajo previamente creada se le aplica una carga externa por tensión y otra por torsión respectivamente usando el programa SOLIDWORKS. Antes de hacer el análisis se hicieron unos ajustes requeridos para...

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Análisis estático de una pieza en Solidworks Nelson Escudero, Estudiante de Ing. Mecánica, Universidad del Atlántico, Barranquilla, Colombia , Resumen – Este documento presenta los resultados de los distintos análisis estáticos cuando a una pieza de trabajo previamente creada se le aplica una carga externa por tensión y otra por torsión respectivamente usando el programa SOLIDWORKS. Antes de hacer el análisis se hicieron unos ajustes requeridos para la obtención de datos lo más cercanos a la realidad, en donde el propósito era comparar el factor de seguridad hallado en forma teórica por medio del programa. Palabras Clave- Análisis, carga, tensión, torsión, concentrador de esfuerzo.

INTRODUCCIÓN A través de la ingeniería asistida por computadora (CAE), se puede modelar cualquier pieza o sistema con una precisión, esto evita la fabricación de prototipos y trabajar en un ambiente que asegura las condiciones reales de trabajo. El análisis estático de SOLIDWORKS utiliza el método de elemento finito, en donde el elemento lo encierra en una malla, la cual el programa analiza las distintas variables en las celdas de la malla, considerando que estas celdas son un pequeño elemento diferencial de la pieza de trabajo, dependiendo de qué tan fino sea el mallado y esté se ajuste a nuestra pieza los resultados que arroje el software serán lo más cercanos posible a la realidad.

Fig. 1 Pieza de trabajo.

Fig. 1 propiedades mecánicas del acero A-36.

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Al tener trazar la pieza siguiendo unas condiciones que se ajusten a las gráficas del libro de Shigley para poder usar la tabla de concentradores de esfuerzo tanto por tensión como por torsión, se aseguró que el diámetro mayor y el menor de nuestra pieza (Véase fig. 1) cumplieran con unas relaciones, inmediatamente se le selecciona un material a la pieza de trabajo para asi tener sus propiedades mecánicas (Véase fig. 1.1) después de ello se le realizaron unas fijaciones y se le aplicó primero la carga de tensión y luego la de torsión (Véase fig. 2) luego de esto se realizó un proceso riguroso en cuanto a la mallado de la pieza, para así asegurar un buen resultado en los 4 estudios por cada tipo de carga que se le aplicó a la pieza de trabajo (tensión y torsión). Seguidamente se dispone a realizar la simulación creando un nuevo estudio, en donde se obtienen las siguientes gráficas. (Véase fig. 3 a la 10) Fig. 2 Fijación y aplicación de cargas de la pieza.

Fig. 3 Análisis de desplazamiento estático para tensión.

Fig. 6 Análisis de factor de seguridad para tensión.

Fig. 4 Análisis de deformación unitaria para tensión.

Fig. 7 Análisis de desplazamiento estático para torsión.

Fig. 5 Análisis de Von Misses para tensión.

Fig. 8 Análisis de deformación unitaria para torsión.

σ=

→ σ=

F A

150000 N F = 2 A π ( 112.8 x 10−3 m ) 4

σ =15 Mpa

τ= Fig. 9 Análisis de Von Misses para torsión.

16(10000 N /m 2) 16 T → τ= π (112.8 x 10−3 m)3 π d3

τ =35.48 MPa Para finalmente calcular el factor de seguridad utilizamos las siguientes ecuaciones:

Fs=

Sy (Ks)(σ )

Sy ) 3 √ Fs= (Ks)( τ) (

Fig. 10 Análisis de factor de seguridad para torsión.

CÁLCULOS Luego de realizar los estudios necesarios para observar el comportamiento de la pieza y conociendo el valor obtenido para el factor de seguridad, se calcula el factor de seguridad siguiendo las formulas propuestas en la literatura. Teniendo en cuenta las tablas revisadas durante la clase [1], podemos obtener un valor teórico para el concentrador de esfuerzos para la configuración de una pieza como la utilizada.

Donde el esfuerzo elástico (Sy) lo tomamos de los datos del material escogido proporcionados por SOLIDWORKS (Véase fig. 1.1), mientras el concentrador de esfuerzo (Ks) fue obtenido en clases por medio de las tablas.

Fs=

(250 Mpa) Sy → Fs= (1.2)( 15 MPa) (Ks)(σ )

Fs=13.87

Sy 250 MPa ( ) ) 3 3 √ √ → Fs= Fs= (Ks)(τ) (0.14)(35.48 MPa) (

Con las siguientes ecuaciones se halla el esfuerzo y el torque máximo proporcionado a la pieza

F σ= A

τ=

Fs=29.05 Podemos comparar el valor teórico calculado del factor de seguridad con el valor obtenido mediante el software y observamos la similitud en ambos valores son similares.

Tc J

Reemplazando, la fuerza, el área donde se aplica la tensión, y el momento polar en sus respectivas ecuaciones, tenemos que:

Fig. 11 Factor de seguridad obtenido mediante el software en tensión.

Fig. 12 Factor de seguridad obtenido mediante el software en torsión.

CONCLUSIONES Con los anteriores resultados podemos concluir que debido a la proximidad de los valores obtenidos del factor de seguridad podemos decir que ambos métodos, tanto el software como el cálculo teórico, son confiables, la única diferencia entre ambos métodos es el esfuerzo mental utilizado en cada uno, podemos decir que mediante el uso de SOLIDWORKS, los ingenieros se ahorran muchos cálculos, obteniendo resultados muy parecidos a los reales. AGRADECIMIENTOS Agradecimiento al ingeniero Jhonatan Fabregas por su paciencia y esmero a la hora de dar su clase de laboratorio de Diseño mecánico I, la cual es bastante amena y agradable.

REFERENCIAS

[1] R. G. Budynas, J. K. Nisbett, “Diseño en ingeniería mecánica de Shigley”, 8va ed., McGraw-Hill, 2008....