workshop maquinaria agrícola - cecma.com.ar
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Workshop
Maquinaria Agrícola
Herramientas de Diseño
24 de Octubre de 2018
Sebastián D’hers
Franco Scarone
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Herramientas de Diseño
Modelado Computacional
• Modelo Matemático –Mayormente Método de Elementos Finitos
• Propiedades Mecánicas – Modos de Falla
• Comportamiento Dúctil vs Frágil
• Resistencia a la Fisuración
• Estimación de Cargas
• Estáticas
• Dinámicas
• Estado de tensiones
• Tensiones residuales
• Predicción de Performance
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Teorías de Falla
y
2
y
y
?
Modo de Falla
• Fluencia
• Fisuración
• Colapso
Material
• Dúctil
• Frágil
• Cohesivo
Cargas
• Estáticas
• Dinámicas (Fatiga – Vibraciones)
• Impacto (Energía)
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Efectos del estado de tensiones
Tensiones tridimensionales
Tensión de Amplitud
Tensión Media
Factor de Seguridad
𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 = ∆𝜎𝑥 − ∆𝜎𝑦
2+ ∆𝜎𝑦 − ∆𝜎𝑧
2+ ∆𝜎𝑧 − ∆𝜎𝑥
2 + 6(∆𝜏𝑥𝑦2 + ∆𝜏𝑦𝑧
2 + ∆𝜏𝑧𝑎2
2
𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝜎𝑥 + 𝜎𝑦 + 𝜎𝑧
3
𝜂 = 𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑
1 −𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒
Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett
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Efectos del estado de tensiones
Tensiones tridimensionales
Tensión de Amplitud
Tensión Media
Factor de Seguridad
𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑 = ∆𝜎𝑥 − ∆𝜎𝑦
2+ ∆𝜎𝑦 − ∆𝜎𝑧
2+ ∆𝜎𝑧 − ∆𝜎𝑥
2 + 6(∆𝜏𝑥𝑦2 + ∆𝜏𝑦𝑧
2 + ∆𝜏𝑧𝑎2
2
𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 =𝜎𝑥 + 𝜎𝑦 + 𝜎𝑧
3
𝜂 = 𝜎𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑
1 −𝜎𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒
Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett
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Efectos de las propiedades de los materiales
Tensiones tridimensionales
Tensión límite
Tensión fatiga axial
Exponente b
Factor del acabado
• Shot peening – > K=1.1
𝜎𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡𝑒 = 𝜎𝑓𝑎𝑡𝑖𝑔𝑎_𝑎𝑥𝑖𝑎𝑙 2𝑁 𝑏𝐾
Shigley's Mechanical Engineering Design (McGraw-Hill Series in Mechanical Engineering), 2014 by Richard G Budynas and Keith J Nisbett
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Sensibilidad 5% - Propiedades Mecánicas
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Propiedades Mecánicas vs Composición Química
C max Mn max P max S max RT min E min A% Sfatiga Coef.Fatiga
1006 0,08 0,40 0,04 0,05 318 206 24 756 -0,13
LD-20 0,13 0,6 0,03 0,035 315 195 33
LG-36 0,19 1,2 0,030 0,035 410 255 25
1018 0,20 0,90 0,04 0,05 354 200 -- 782 -0,11
F22 0,21 0,38 0,03 0,035 310-460 215 26
F24 0,21 0,44 0,03 0,035 360-510 235 24
F30 0,21 0,52 0,03 0,035 450-600 295 22
F36 0,22 055 0,30 0,035 490-640 355 22
1020 0,23 0,60 0,04 0,05 392 186 21 850 -0,12
F26 0,25 0,45 0,03 0,035 400-550 250 23
1030 0,34 0,90 0,04 0,05 454 206 19 902 -0,12
1035 0,38 0,90 0,04 0,05 476 196 18 906 -0,11
4340 0,43 0,80 0,04 0,04 825 206 14 1232 -0,10
4142 0,45 1,10 0,04 0,04 1412 206 15 1820 -0,08
1045 0,50 0,09 0,04 0,05 671 216 15 1099 -0,11
8% de diferencia!
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Sensibilidad 10% - Material aproximado
800% de diferencia!
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Modelado de una llanta
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones Iniciales por Montaje
• Estimación por modelado del proceso productivo
• Medición experimental - ASTM E-837
Tensiones causadas por el neumático
Casos de Carga por Norma ISO 3006
• Rodadura – Rolling
• Curvas - Cornering
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Mallado - Grupos
Contacto de montaje
• Aro
• Soldadura
• Disco
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Mallado - Fijaciones
• Concentradores
de tensiones
• Precarga
• Variabilidad
• Disco
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Fatiga en Rodadura
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Fatiga en Curva
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones Iniciales por Montaje
Tensión Media Tensión de Amplitud
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones por Neumático
Tensión Media Tensión de Amplitud
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones por rodadura
Tensión Media Tensión de Amplitud
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones por curvas
Tensión Media Tensión de Amplitud
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Tensiones en bulones
Tensiones por rodadura
Vida Con shot peening Sin shot peening
Interna Superficial Interna Superficial
Fatiga en rodadura
3.50 4.06 3.15 3.66
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Modelado de una llanta a Fatiga
Tensiones por curvas – Tensiones Circuneferenciales
Vida Con shot peening Sin shot peening
Interna Superficial Interna Superficial
Fatiga en las curvas
7.67 8.51 7.64 9.62
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Tensiones en bulones
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Otros casos
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Modelado de un eje
Concentración de Tensiones
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Estructura Soldada
Elementos Cáscaras
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Uniones abulonadas
• Efecto rigidizante en la zona por compresión
• Hipótesis de no deslizamiento
• Tensiones inválidas en la zona de apriete
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Conclusiones
Vida a la fatiga de llantas
• Satisfactorio
• Tensiones de montaje altas
• Efectos locales en los bulones
• Acabado superficial clave para la iniciación del proceso de fisuración
• Efecto de las tensiones residuales – Validados experimentalmente
Balance entre la Realización de Ensayos y el Desarrollo de Modelos
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Comentarios generales
Todo software de análisis es útil si sabemos lo que hace y se usan:
• Propiedades Mecánicas precisas
• Condiciones de carga
Aspectos del rediseño con Aceros de mayor resistencia
• Resistencia a la fatiga – Implica conocer el ciclo de tensiones en cada punto
• Rigidez de la estructura – No relacionada con la resistencia
• Efectos de la soldadura – zona afectada por el calor
• Superposición de procesos – Conformado – Soldadura – Tratamiento
Térmico
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itbauniversidad
@itba
MÁS INFORMACIÓN > www.itba.edu.ar
Muchas Gracias por su atención
CeMat - Centro de Ingeniería en Materiales https://www.itba.edu.ar/id/centro-de-ingenieria-de-los-
materiales/
CMC – Centro de Mecánica Computacional
https://www.itba.edu.ar/id/centro-de-mecanica-computacional/
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MODELADO – EL PROBLEMA DE LA CONFIANZA
“El método de elementos finitos hace
a un buen ingeniero uno mejor y a un
mal ingeniero, peligroso”
Robert. D. Cook