SIMULACIÓN A LA FATIGA DE UN COMPONENTE DE ABS USANDO ANSYS WORKBENCH

Julio Alberto Anaya López, Raúl Lesso Arroyo, Ramón Rodríguez Castro

Departamento de Ingeniería MecánicaInstituto Tecnológico de Celaya

Octubre del 2005

Contenido.

Resumen.

Marco de referencia.

Definición del problema y objetivos.

Etapa I: Prueba de tensión en plásticos.

Resultados de las pruebas de tensión.

Etapa II: Prueba de fatiga en plásticos.

Resultados de las pruebas de fatiga.

Etapa III: Simulación del componente.

Conclusiones y recomendaciones.

RESUMEN.

Este trabajo muestra los resultados obtenidos en pruebas de tensión a la fatiga en un plástico denominado Acrylonitrile ButadieneStyrene(ABS). Tales pruebas se llevaron a cabo en una máquina de prueba dinámica. La aplicación de la carga fue axial, la relación de esfuerzo proporción fue cero y la frecuencia de las pruebas fue de 5 Hz. Los datos (curva S-N), obtenidos fueron utilizados para simular el comportamiento de un componente.

La última parte se trata del uso de un software del elemento finito para simular la actuación de fatiga de un componente real de ABS, los resultados experimentales obtenidos de prueba de tensión a la fatiga. Como resultado de la simulación del elemento finito se obtuvo la vida del componente, el nivel de esfuerzo máximo y su localización, la deformación máxima y el factor de seguridad a la fatiga.

• Otras aplicaciones importantes para el ABS están en los electrodomésticos, debido a su excelente apariencia superficial y a la facilidad de termoformado. Se utiliza en partes de refrigeradores, lavadoras, licuadoras, tostadores, ventiladores, anaqueles para trastes y utensilios de cocina.

Información disponible.

Desafortunadamente hay muy poca información disponible y específica sobre las propiedades dinámicas de los materiales plásticos.

Empresas importantes que se dedican a la comercialización de Polímeros, (información en Internet). Gráficas esfuerzo-deformación, gráficas para conocer otras propiedades como viscosidades y deformación por creep. Pero nada de propiedades a la fatiga.

La empresa Bayer en su división para polímeros proporcionainformación para todos los tipos de plásticos que maneja, es posible encontrar curvas de Wöhler (flexión rotante), pero solo para dos grados diferentes de ABS.

Base de datos CAMPUS de Basf Mexicana

Algunos grados ABS de GE*

*Fatigue and tribological properties of plastics and elastomers.

Grado transparente

R= 0.1

F= 5 HZ

Dirección de flujo

Grados retardadores de flama

R=0.1

F= 5 HZ

Dirección de flujo

•Marissen R., “The effect of material defects on the fatigue behaviour and the fracture strain of ABS”Delft University of Technology, 2001

•Vinogradov Aleksandra M., “Creep-Fatigue interaction in polymers”Montana State University 2002.

•Karl Critz David, “Computer aided fatigue life prediction for polymer”Massachussets Institute of Technology. 1997

“Testing elastomers for hyperelastic material models in finite element analysis”.By Kurt Miller, Axel products Inc. July 2000.

Trabajos realizados:

Definición del problema.

El proyecto consiste en la obtención de propiedades dinámicas del plástico ABS, sometido a diferentes condiciones de carga mediante pruebas experimentales y de simulación.

Las pruebas deberán ser realizadas a condiciones de temperatura ambiente. Las pruebas serán realizadas a únicamente a tensión

Los datos experimentales serán aplicados a la simulación de un componente, fabricado por la empresa MABE TyP.

Objetivos.

Establecer una metodología para la realización de las pruebas estáticas y de fatiga con el equipo del Laboratorio de Ingeniería Mecánica del Instituto.

Obtención de la curva S-N para el material ABS.

Aplicación de la curva S-N y las propiedades obtenidas en la prueba de tensión en un análisis de elemento finito de un componente de plástico.

Etapa I: Prueba de tensión en plásticos.La manera de obtener las propiedades a la tensión de los plásticos es muy similar a los metales.

Este trabajo está basado en la norma ASTM 638 – 02 a.

En un polímero la cedencia ocurre debido al desdoblamiento de las cadenas moleculares que lo forman, estas cadenas tienden a alinearse en dirección a la carga aplicada. En el punto de cedencia se forma un cuello el cual es seguido de una caída en el esfuerzo aplicado; el cuello se propaga a lo largo de la sección de garganta en un proceso conocido como endurecimiento por deformación hasta que el espécimen falla*.

*Dowling Norman E., “Mechanical behaviour of material, Engineering methodsfor deformation,fracture and fatigue”. Prentice Hall, USA, 1999.

Obtención y fabricación de las probetas

Realización de las pruebas de tensión

Tipo de probeta: Tipo 1 ASTM D 638-02a

Velocidad de carga: 5 mm/min.

Número de probetas: 10, 5 en dirección de flujo y 5 en contra del flujo.

Temperatura: Ambiente.

Media Desv. Est. Media Desv. Est.E (Mpa) 793.3778 32.87525 681.2945 15.30874

Sut (Mpa) 50.22698 2.81335 47.57176 3.425558Sy (Mpa) 44.94487 4.42592 45.173 4.07676

%ε 28.19818 10.17521 39.14587 22.22955

Dirección del flujo Contra del flujo

Las resistencias a la tensión y de cedencia son prácticamente iguales.

La diferencia es notable en el módulo elástico y en el porcentaje de reducción de área.

Se presenta endurecimiento por deformación, de acuerdo con las referencias.

Resultados (Propiedades físicas)

Etapa II: Prueba de fatiga en plásticos.

La respuesta a la fatiga de un polímero esta regida por la combinación de factores dentro de los cuales se puede mencionar:

Composición del polímero, peso molecular y distribución molecular.

Cambios estructurales y morfológicos inducidos por cargas mecánicas y el medio ambiente, como ruptura de enlaces, alineamiento molecular y cristalinización.

El tipo de deformación, como elástica, viscoelástica o viscoelástica nolineal.

Los modos de falla microscópicas, crazes o bandas de corte transversal.

El ablandamiento térmico.

Factores que afectan la vida a la fatiga de los polímeros

Cuando la carga cíclica involucra altas velocidades, el material es propenso a calentamiento y ablandamiento térmico. Por tal motivo aumentar la frecuencia de carga más allá de 10 Hz, resulta en una reducción de la vida a la fatiga del componente

El incremento de la temperatura del espécimen durante la prueba depende también de sus dimensiones, en especimenes delgados, la mayor parte del calor generado se pierde en el medio ambiente, por tal motivo, probetas gruesas son propensas al calentamiento excesivo y los resultados obtenidos serán una reducción en la vida del material.

Un medio ambiente químicamente agresivo es un factor importante en la reducción de la vida a la fatiga de algunos polímeros sólidos.

N

3

21Sa

Curva S-N típica de un polímero.

Para una gran variedad de polímeros, la pendiente característica en la región 2 es de14 MPa por década de número de ciclos*.

* Suresh Subra, “Fatigue of materials”. Cambridge University Press, 2003.

Máquina Instron 8511

Panel de control

Actuador

Panel frontal

Celda de carga

Parámetros de la prueba:

• Relación de esfuerzos : R= 0, Solo a tensión (hiverseno).

• Frecuencia: Frecuencias bajas, 5 Hz

• Número de probetas: 3 Probetas por cada punto, comenzando en 40, 30 , 20 y 10 MPa

2minmax σσσ +=m

2minmax σσσ −=a

2maxσσσ ≡= am

Resultados de las pruebas experimentalesNúmero Esfuerzo NúmeroProbeta Mpa ciclos

1 40 21752 40 1801

22 40 20854 30 105935 30 80336 30 88317 20 483079 20 58287

20 20 5453118 18 50251123 18 49396524 18 50823119 15 <10e610 10 <10e6

Análisis de los datos experimentales.

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

bxxRθ

exp)(⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−−=

b

xxxxR

0

0exp)(θ

0xx ≥

)(1)( xRxF −=

dxxdR

dxxdFxf )()()( −==

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

−=

− bb

xxx

xxx

xbxf

0

01

0

0

0

exp)(θθθ

Distribución de Weibull: 2 y 3 parámetros,

0x x

θ

b

= Valor característico o factor de escala.

= Parámetro o factor de forma geométrico.

= Valor garantizado de

Media:

Desviación Estándar:

Donde: Factor de forma o la pendiente de la recta

Factor de escala o la vida característica

Weibull Clásico Weibull Clásico40 Mpa 2003.43 2020.333 242.2505 195.257630 Mpa 9064.997 9152.333 1569.933 1309.93620 Mpa 53254.46 53708.33 5755.844 5040.65718 Mpa 500710.1 501569 8367.301 7579.5

Media Desv. Estándar

)11()(b

tE +Γ= θ

[ ])11()21( 222

bb +Γ−+Γ=θσ

:θb:

Curva S-N ABS

y = -6.0543Ln(x) + 85.723R2 = 0.9931

0

10

20

30

40

50

60

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Ln N

S M

PA

Pendiente 1Pendiente 2InicioLogarítmica (Pendiente 1)Logarítmica (Inicio)Logarítmica (Pendiente 2)

N S (MPa)1000 43.68

10000 29.67100000 15.66

Pendiente= 14.03 MPa.

Curva S-N ABS

y = -6.0843Ln(x) + 85.971R2 = 0.9979

0

10

20

30

40

50

60

100 1000 10000 100000 1000000 10000000

Ln N

S M

Pa

Pendiente 1Pendiente 2inicioLogarítmica (Pendiente 1)Logarítmica (inicio)Logarítmica (Pendiente 2)

Anaquel deslizable de ABS

Diseñado para soportar 6 Kg.

Ambiente Workbench Medio anaquel

CAD

CAE

Etapa III: Simulación por elemento finito de un Anaquel.

Propiedades del material

Propiedades mecánicas Propiedades a la fatiga

Control de mallado

•Solid 187

•10 nodos por elemento

•3 grados de libertad/nodo

•13,668 elementos y 26,053 nodos

Cargas y restricciones

Restricción de movimiento.

Carga aplicada.

Restricción de simetría.

Insertar la herramienta de fatiga y especificar resultados

Análisis estático:• Esfuerzo equivalente de Von Mises• Factor de seguridad• Deformación total

Análisis dinámico:•Número de ciclos del componente•Esfuerzo equivalente alternante•Factor de seguridad•Sensitivilidad a la fatiga•Parámetros del análisis: R=0•Teoría de falla: Soderberg

Resultados del análisis estático

Esfuerzo equivalente de Von Mises: 21.4 MPa

Resultados del análisis estático

Factor de seguridad: 2.01

Resultados del análisis dinámico

Esfuerzo equivalente alternante: 17.56 MPa

Resultados del análisis dinámico

Número de ciclos: 7.86e5

Resultados del análisis dinámico: Vida y F.S.

Análisis estático Análisis dinámicoEsf. Eqv. Von M.

(Mpa)F.S Esf. Eqv. Altern.

(Mpa)F.S. No. Ciclos

Máximo 21.408 15 17,556 15 7.86E+05

Mínimo 1.57E-02 2.01 9.79E-03 0.99 1.44E+07

Comparación de resultados Experimentales-Simulación.

Ecuación de la pendiente en la gráfica S-N del material ABS

Curva S-N ABS (Weibull)AcrilonitriloButadieno Estireno ABS

CYCOLAC MG47 GER = 05 Hz23 °C

Carga Axial

0

10

20

30

40

50

60

100 1000 10000 100000 1000000 10000000Ln N

S M

Pa

¾ La curva S-N obtenida muestra el comportamiento esperado con un cambio de pendiente en amplitudes de esfuerzo bajos, además se presenta un valor para la pendiente de 14 MPa por década de ciclos, el cual es característico de muchos plásticos. Lo anterior está en concordancia con las referencias consultadas para este trabajo.

¾ La diferencia entre los resultados obtenidos usando la distribución Weibull y la estadística clásica no es significativa, lo cual habla de que no existe una dispersión tan grande en los resultados y por lo tanto éstos son confiables.

¾ Los resultados en la simulación fueron satisfactorios, en primer lugar por que la localización de los esfuerzos máximos fue la esperada, se puede concluir que el componente es seguro si la carga aplicada es estática. Por otro lado, si la carga aplicada es cíclica el componente no es seguro si se aplica la carga máxima de 60 N.

¾ EL uso de herramientas CAE es una opción importante y confiable siempre y cuando se cumpla con el trabajo experimental previo, obtener datos para las propiedades de un material es una de las tareas más importantes previas a un análisis por el método del elemento finito.

¾ Se puede pensar en hacer más pruebas una vez conseguidas las probetas moldeadas y comparar los resultados, además es posible hacer pruebas y conocer el comportamiento del material más allá del millón de ciclos aumentando la frecuencia a 7, 8 o hasta 10 Hz.

¾ Por otro lado, es importante en trabajos futuros experimentar y comprobar la variación de los datos obtenidos cambiando la temperatura de trabajo, por ejemplo como se comporta el ABS a temperaturas más bajas o más altas de la temperatura ambiente.

¾ Un factor importante que hay que tomar en cuenta durante la realización de las pruebas de fatiga, es el componente de donde se extrajeron las probetas. Si no se tiene bien controlado el proceso de inyección de los componentes y las variables que en el intervienen, las propiedades pueden variar drásticamente de un componente a otro.

Conclusiones y Recomendaciones.