universidad veracruzana

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
“MODELADO Y SIMULACION DEL
FENOMENO DEL FRETTING MEDIANTE
SOFTWARE DE INGENIERIA “
MONOGRAFIA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
JESUS ALBERTO HERNANDEZ VASQUEZ
DIRECTOR:
DR. ANDRES LOPEZ VELAZQUEZ
XALAPA, VER.
JULIO 2013
1
2
DEDICATORIAS
A mis padres por enseñarme el valor del trabajo y que hay que luchar
para lograr mis objetivos
A mis amigos que siempre estuvieron ahí para apoyarme y
aconsejarme.
A mis tíos maternos que son como mis segundos padres por
brindarme siempre su cariño apoyo y comprensión.
A mis hermanos que con pequeños detalles demostraron su cariño a
todo momento.
3
AGRADECIMIENTOS
A dios por darme la fortaleza y dedicación de estudiar y trabajar,
permitiéndome cumplir un sueño más de los muchos que tengo y que
a pesar de las dificultades que te presente la vida siempre con mucho
esfuerzo es posible supéralas.
A mis padres Jesús y Rosa por su apoyo incondicional a pesar de los
momentos difíciles, a mis hermanos Gisela, Cristian y Jonathan con
sus peculiares personalidades hemos pasado momentos increíbles, a
mis grandes amigos Pancho, Fito, Chuy, Michel, Kenneth por estar
siempre dándome ánimos en los momentos difíciles y disfrutando mis
alegrías. A mis tíos Arturo y Mercedes por todos sus consejos.
Y por ultimo pero no menos importante a mi director de trabajo
recepcional Dr. Andrés López Velásquez que siempre estuvo ahí
cuando lo solicite brindándome gran apoyo y consejo
4
INDICE
Introducción………………………………………………………………………………8
CAPITULO 1 FENÓMENO DE FRETTING
1.1. Antecedentes históricos………………………………………………………….12
1.2. Descripción del fenómeno……………………………………………………….12
1.3. Tensiones en el contacto………………………………………………………...16
1.4. Tipos de contacto………………………………………………………………….17
1.4.1. Contacto plano…………………………………………………………………...17
1.4.2. Contacto plano con esquinas redondeadas………………………………..19
1.4.3. Contacto cilíndrico……………………………………………………………….21
1.4.4. Contacto esférico…………………………………………………………………25
1.5 Tipos de Ensayo…………………………………………………………....……….28
1.5.1 Ensayo sobre configuraciones reales……………………………………….….28
1.5.2 Ensayo sobre geometrías sencillas……………………………………….....….29
1.6
Paliativos...........................................................................................................32
1.6.1 Modificaciones del diseño…………………………………………………….…32
1.6.2 Modificaciones de las superficies..................................................................35
CAPITULO 2 CONCEPTOS BÁSICOS DE SOFTWARE DE INGENIERÍA
2.1 ¿Qué es solidworks?.......................................................................................38
5
2.2 Características generales de SolidWorks.......................................................38
2.3 Módulos incluidos en SolidWorks..................................................................39
2.4 Simulación y movimiento................................................................................45
2.5 Herramientas de colaboración........................................................................52
2.6 Herramientas de productividad.......................................................................55
2.7
Gestión de proyectos...................................................................................59
2.8
Herramientas de Análisis y simulación avanzadas....................................59
2.9
Soluciones de diseño con SolidWorks......................................................61
2.10 Ámbitos de aplicación de SolidWorks.......................................................63
2.11 ¿Qué es Autodesk Inventor?.......................................................................65
2.12 Reseña histórica...........................................................................................65
2.13 Fundamentos de inventor............................................................................66
2.14 Reutilización de componentes y operaciones...........................................73
2.15 Navegador de modelado de piezas............................................................73
2.16 Tipos de archivos de inventor....................................................................74
CAPITULO 3 MODELADO Y SIMULACIÓN DEL FENÓMENO DE FRETTING
3.1 Definición de simulación...................................................................................77
3.2 Comparación entre simulación y solución analítica......................................77
3.3 Comparación entre simulación estática y dinámica.......................................78
3.4 Biela..................................................................................................................79
6
3.4.1 Partes de la biela...........................................................................................80
3.4.2. Tipos de biela en función de la forma de la cabeza....................................81
3.4.3. Materiales de construcción...........................................................................81
3.5 Estudio analítico para el análisis estático........................................................82
3.6 Proceso de simulación de la fatiga en biela.....................................................83
3.7 Simulación de fatiga de biela en Solidworks....................................................84
3.8 Simulación de fatiga de la biela en Autodesk inventor...................................112
CONCLUSIONES.................................................................................................128
RECOMENDACIONES.........................................................................................129
BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................130
7
INTRODUCCIÓN
Con el inicio de la revolución industrial, a principios del siglo XIX en donde el uso
de materiales férreos se incremento el problema de la fatiga comenzó a llamar la
atención de los ingenieros que trataban de crear diseños seguros y resistentes. La
fatiga es un fenómeno por el cual, en un componente metálico sometido a unas
cargas variables con el tiempo, de amplitud menor al límite de rotura del material,
se puede producir el fallo del componente tras un determinado número de
aplicaciones de las cargas. En resumen, una repetida aplicación de cargas puede
iniciar un mecanismo de fatiga en el material, dando lugar a la nucleación de una
microgrieta, su crecimiento y, por último, el fallo final de la estructura. (Muñoz
2007). La historia de la ingeniería ha estado marcada por numerosos fallos por
fatiga en muchos componentes mecánicos como las turbinas, vehículos,
estructuras soldadas, aeronaves y otros componentes rotatorios que operan bajo
cargas intensas, cíclicas y repetidas.
Dependiendo de las circunstancias en las que se encuentre el componente,
existen muchos tipos de fatiga: fatiga mecánica, fatiga térmica, fatiga a altas
temperaturas, fatiga por corrosión, fatiga por fretting, etc. El fenómeno de la fatiga
por fretting o fretting fatiga es un tipo de fatiga por contacto que puede aparecer en
las superficies de dos elementos en contacto, entre las que existe un
deslizamiento de pequeña amplitud. Este tipo de fatiga se caracteriza porque la
iniciación y primera parte del crecimiento de las grietas son provocadas, en gran
medida, por tensiones debidas al contacto entre dos elementos. De este modo, se
inducen unas tensiones locales en la zona del contacto que provocan un efecto
parecido al de un concentrador de tensiones. En la figura 1.1 se muestra
esquemáticamente la diferencia entre fatiga simple y fatiga por fretting.
8
Figura1.1: Diferencia entre fatiga simple y fatiga por fretting. Fuente: Tesis
doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno 2007.
En un problema de fatiga simple, el componente se encuentra sometido a una
tensión global variable, σ, debida a las fuerzas exteriores aplicadas. En el caso de
la fatiga por fretting, además de la tensión global, σ, aparecen unas tensiones
locales debidas a las fuerzas en el contacto. Estas fuerzas son: una fuerza normal,
N, que mantiene unidos a ambos sólidos, y suele tener un valor constante o con
una variación de pequeña amplitud, y una fuerza tangencial variable, Q, que
induce el deslizamiento entre los dos sólidos. Las tensiones debidas al contacto
dan lugar a un alto gradiente de tensiones en la zona cercana al mismo. Estas
altas tensiones cerca de la superficie provocan la prematura iniciación y un rápido
crecimiento de la grieta en la primera fase de su crecimiento. La consecuencia
inmediata es que la vida del componente se puede ver seriamente reducida. El
problema del fretting puede aparecer en cualquier tipo de maquina o estructura en
la que existan elementos en contacto, por lo que se trata de un problema muy
frecuente en ingeniera. La figura 1.2 muestra algunos ejemplos reales donde
aparece este fenómeno.
Figura 1.2: Ejemplos de fallos por fretting. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio
Muñoz Moreno 2007.
Las estructuras con uniones roblonadas o atornilladas son unos de los ejemplos
más típicos. En este tipo de uniones, el fallo por fretting puede aparecer en tres
zonas distintas: entre las placas, entre el agujero y el roblón o entre la cabeza del
roblón y la placa. Otro caso en el que pueden aparecer problemas de fretting es en
cualquier tipo de unión con ajuste a presión, como por ejemplo la unión eje-cubo o
la unión alabe-rotor en una turbina de gas o vapor. Una de las formas en las que
se manifiesta el fenómeno del fretting son las marcas que deja en las zonas
afectadas, además de un polvo característico residuo de material oxidado, por lo
9
que es fácil idénticar a posteriori un problema de fretting. Dicho residuo de oxido
es denominado en terminóloga inglesa debris y posee un color rojo-marrón en los
aceros y negro en los aluminios.
Una vertiente importante de la investigación del fretting es el estudio de paliativos
para eliminar o mitigar en la medida de lo posible su efecto negativo. En la
literatura se puede encontrar una amplia gama de paliativos, como el uso de
lubricantes, recubrimientos o la aplicación de shot-peening. Entre los paliativos
más utilizados y eficientes cabe destacar el uso de recubrimientos. La aplicación
de recubrimientos puede modificar tanto el comportamiento frente al desgaste y a
la fatiga simple como frente a la fatiga por fretting. Dada la importancia del
problema y el gran número de casos reales que se pueden ver afectados por el
problema del fretting, resulta esencial disponer de un método que permita predecir
en cada caso si se produce o no el fallo, y en caso de que se produzca, estime la
vida a fatiga del componente.
10
Capitulo 1 Fenómeno de
Fretting
 Antecedentes
Históricos.
 Descripción del
fenómeno.
 Tipos de
contacto.
 Tipos de ensayo.
 Paliativos
11
1.1 Antecedentes históricos
El fenómeno del fretting fue documentado por primera vez por Edén en 1911, que
observo que se formaba oxido de hierro en las mordazas de su máquina de fatiga
en contacto con una probeta de acero. No fue hasta 1927 cuando Tomlinson llevo
a cabo la primera investigación sobre fretting, diseñando dos maquinas que
producían pequeños movimientos rotacionales entre dos superficies en contacto.
Debido a que por la acción del fretting se producía oxido de hierro en la probeta,
originado por la reacción química con el oxigeno del aire, utilizo por primera vez el
término fretting corrosión para describir este fenómeno. En sus estudios,
Tomlinson se percato de que la corrosión era un factor secundario y que el daño
podría ser causado por movimientos de muy pequeña amplitud, jugando el
desplazamiento relativo entre las superficies un papel importante en el problema.
Hasta los años 40 únicamente se hablaba de corrosión por fretting, ligando así el
fenómeno del fretting a la corrosión. Posteriormente aparecieron dos líneas
distintas de investigación: fretting wear y fretting fatiga. El primero hace referencia
al desgaste de las superficies en contacto entre dos cuerpos sometidos a cargas
oscilantes. El segundo estudia la iniciación y propagación de grietas por fatiga de
un componente que, además de las tensiones de fatiga, se encuentra sometido a
unas tensiones debidas al microdeslizamiento en el contacto.
Durante varios años de investigación se concluyo que a medida que aumenta el
deslizamiento disminuye la resistencia a fatiga, aunque a partir de cierto momento
(que parece coincidir con el deslizamiento global) la resistencia a fatiga vuelve a
aumentar debido, probablemente, a que el gran desgaste producido hace
desaparecer las grietas iniciadas. También se percataron de que bajo condiciones
de deslizamiento parcial, aparecen unas zonas de microdeslizamiento en los
extremos de la zona de contacto, cuyo tamaño depende del valor de la fuerza
tangencial. Otra conclusión importante es que generalmente el fretting fatiga está
asociado con condiciones de deslizamiento parcial, mientras que el fretting wear
ocurre en condiciones de deslizamiento global.
1.2 Descripción del fenómeno
El problema del fretting puede ser definido como un deslizamiento relativo de
pequeña amplitud entre las superficies de dos componentes en contacto bajo
presión. El movimiento relativo entre ambas superficies puede ser el resultado de
12
vibraciones externas, o bien puede ser consecuencia de que uno de los
componentes en contacto este sujeto a tensiones cíclicas. Este
microdeslizamiento entre las superficies puede inducir daños superficiales, así
como altas tensiones variables, dando lugar a la prematura nucleación y posterior
crecimiento de grietas cerca de los bordes de la zona de contacto.
En cualquier problema de fretting existen dos características esenciales: primero,
hay una transmisión de fuerzas tangenciales entre los dos cuerpos en contacto,
que da lugar a unas tensiones tangenciales en el contacto, y segundo, debe existir
un deslizamiento relativo entre las superficies en contacto durante la variación
cíclica de las cargas aplicadas.
El deslizamiento relativo entre las superficies puede ser caracterizado por medio
de un lazo de fretting, en el que se representa la evolución de la carga tangencial,
Q (t), frente al desplazamiento relativo, (t). En función de las condiciones de
deslizamiento, se pueden distinguir dos casos distintos, ilustrados en la figura 1.3:
deslizamiento parcial y deslizamiento global.
El deslizamiento parcial, caracterizado por un lazo de fretting elíptico cerrado, está
asociado a un contacto compuesto por una zona de adhesión y una zona de
deslizamiento. Por el contrario, el deslizamiento global se caracteriza por un lazo
de fretting cuadrático y disipativo, y está relacionado con un deslizamiento total
entre las superficies de contacto.
Figura 1.3: Condiciones de deslizamiento. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio
Muñoz Moreno 2007.
A continuación se presentan mapas de fretting, que muestran que la evolución del
daño provocado por el fretting depende fuertemente del régimen de deslizamiento.
La figura 1.4 muestra los mapas de fretting.
13
Figura 1.4: Mapas de fretting, que combina el análisis del régimen de fretting con
la respuesta del material. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno 2007.
En la parte izquierda se muestra el mapa de fretting de las condiciones de
solicitación, en el que se analiza el régimen de deslizamiento. En esta grafica se
representa la carga normal, N, frente a la amplitud del desplazamiento relativo,
a partir de ella se pueden definir tres regímenes de deslizamiento. En el régimen
de deslizamiento parcial (RDP), asociado a pequeños valores de desplazamiento
relativo, las condiciones de deslizamiento parcial se mantienen durante todo el
proceso. El régimen de deslizamiento mixto (RDM) esta caracterizado porque
existe una transición entre condiciones de deslizamiento global y parcial. Por
último, en el régimen de deslizamiento global (RDG), asociado a grandes valores
de desplazamiento relativo, se mantienen en todo momento las condiciones de
deslizamiento global.
En la parte derecha de la figura 1.4 se muestra el mapa de fretting de respuesta
del material. En esta figura se relaciona el régimen de deslizamiento con la
evolución del daño sobre las superficies en contacto. Como se observa en la
grafica, en el régimen de deslizamiento parcial es muy probable que se produzca
la iniciación de grietas (cracking), mientras que en el régimen de deslizamiento
global se produce el desgaste del material (wear). En la zona intermedia,
correspondiente al régimen de deslizamiento mixto, se producen ambos
fenómenos: durante los primeros instantes, en los que se produce el deslizamiento
global, tiene lugar un importante desgaste de las superficies, mientras que al
alcanzar las condiciones de deslizamiento parcial, el fenómeno dominante es la
iniciación de grietas. Por otro lado, atendiendo al tipo de cargas involucradas en el
problema, dentro del estudio del fretting existen dos líneas de investigación bien
diferenciadas: Fretting wear y Fretting fatiga.
14
Fretting wear
En un problema de fretting wear actúan únicamente las cargas debidas al
contacto: la carga normal de compresión y la carga tangencial inducida por el
movimiento relativo entre las superficies. Bajo estas condiciones, las cargas de
fretting pueden inducir a la iniciación de grietas (cracking), o al desgaste de la
superficie (wear). El que se produzca un tipo de daño u otro depende, como se ha
visto en los mapas de fretting (figura 1.4), de la relación entre la carga normal, N, y
la amplitud del desplazamiento relativo, ±, así como del coeficiente de rozamiento.
Para el análisis de la nucleación de grietas, cracking, es necesario una correcta
definición de las condiciones de deslizamiento y del coeficiente de rozamiento.
Este análisis se corresponde con las condiciones de nucleación de grietas
incipientes, y no puede ser extrapolado a si la grieta se propaga o no. De hecho,
bajo condiciones de fretting wear, una vez iniciadas las grietas se propagan hasta
una cierta profundidad en la que se detienen, dando lugar a grietas no
propagantes, o bien se propagan de nuevo hacia la superficie, provocando el
desprendimiento de lascas de material.
En cuanto al análisis del desgaste, wear, existen una gran cantidad de modelos
que tratan de predecir la evolución del desgaste producido en función de
parámetros como la presión de contacto, la velocidad de deslizamiento o el
coeficiente de rozamiento. Otro aspecto estudiado en fretting wear es la
transformación del material bajo la superficie de contacto, apareciendo el termino
estructura tribológicamente transformada (TTS son sus siglas en ingles).
Analizando por capas el material bajo el contacto, se encuentra primero una fina
capa oxidada de residuo, luego aparece la TTS y a continuación una capa de
material plastificado y el material original inalterado. La TTS es un material muy
duro y frágil, con granos muy pequeños y con la misma composición que el
material base. Según observaciones experimentales, la capa de TTS se forma
muy prematuramente, aumentando su tamaño rápidamente hasta que se alcanza
un volumen estable, manteniéndose un equilibrio entre la cantidad de material que
desaparece por desgaste y la cantidad de TTS que se forma.
Fretting fatiga
En un caso de fatiga por fretting, además de las cargas locales debidas al
contacto, sobre uno de los elementos en contacto actúa una fuerza que da lugar a
unas tensiones globales en todo el elemento. A diferencia del fretting wear, debido
a las tensiones globales que actúan sobre el elemento, una vez que se ha iniciado
la grieta, esta tiene la capacidad de propagarse hasta producir el fallo final del
componente.
15
Bajo condiciones de fretting fatiga, al igual que en el caso de fretting wear, se
pueden producir dos tipos de daño, cracking o wear. El que se produzca uno u
otro dependerá de la relación entre la carga normal y la amplitud del
desplazamiento relativo, figura 1.4.
Bajo condiciones de fretting fatiga, el estudio se centra sobre todo en el cracking.
Existen numerosos modelos que tratan de predecir la vida a fatiga bajo
condiciones de fretting. Estos modelos suponen que la vida a fatigase divide en
dos fases, iniciación y propagación, cada una dominada por un mecanismo
distinto. Basándose en uno de estos mecanismos o en una combinación de
ambos, tratan de predecir la vida a fatiga.
1.3. Tensiones en el contacto
Entre los factores más importantes involucrados en un problema de fretting
destacan las tensiones en la zona de contacto, por lo que es esencial su correcto
calculo. A continuación se hará una revisión de los distintos métodos que existen
para calcular dichas tensiones.
En los casos en los que las geometrías sean sencillas y el comportamiento
elástico-lineal, las tensiones se pueden calcular analíticamente suponiendo
semiespacios infinitos. Por lo tanto, el cálculo seria valido siempre y cuando la
zona de contacto sea pequeña comparada con el espesor de la probeta y el
elemento de contacto. En el caso de que no se cumplan estas condiciones, habría
que calcular numéricamente las tensiones usando el método de los elementos
finitos (MEF).
Cuando el contacto es conforme, aparecen singularidades que complican
enormemente el cálculo de las tensiones. Para estos casos se suele realizar un
cálculo numérico mediante el método de los elementos finitos. Sin embargo,
siempre que sea posible, es preferible disponer de una solución analítica de las
tensiones. Existe solución analítica para diferentes geometrías: punzón plano, con
esquinas redondeadas, cuña, punzones asimétricos rectos y redondeados, ajuste
a presión, etc.
16
1.4. Tipos de contacto
En el estudio experimental existen dos tipos de ensayo: los que se realizan sobre
configuraciones reales y los que se llevan a cabo sobre probetas con geometrías
sencillas. Estos últimos, a pesar de estar más lejos de la realidad, son de gran
utilidad, ya que tienen solución analítica de las tensiones, facilitando así el estudio
de los distintos parámetros involucrados en el problema (cargas, deslizamiento
relativo entre las superficies, etc.,).
A continuación se presentaran los tipos de contacto más frecuentemente utilizados
en los ensayos de fretting fatiga. Generalmente se consideran los tres tipos de
carga: axial, P, normal, N, y tangencial, Q. En el caso de un ensayo de fretting
wear, sin carga axial sobre la probeta, bastaría hacer P = 0.
1.4.1. Contacto plano
La ventaja de esta geometría es la facilidad para fabricar la probeta y para montar
el ensayo con puente de fretting. En la figura 1.5 se presenta un esquema de un
ensayo de fretting fatiga con este tipo de geometría.
Figura 1.5: Contacto plano. a: semiancho de la zona de contacto. Fuente: Tesis
doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno 2007.
17
El contacto se produce entre un punzón rígido plano de ancho 2a, contra una
probeta plana. En primer lugar, se aplica una carga normal constante N que
mantiene en contacto el punzón contra la probeta y, posteriormente, se aplican las
cargas variables P y Q. Normalmente estas cargas se aplican en fase. Debido a
que las superficies en contacto son conformes, el ancho del contacto es igual al
ancho del punzón, es decir, 2a. Considerando un comportamiento elástico, la
presión normal debida a una carga N por unidad de espesor en un punzón rígido
de ancho 2a, en ausencia de fricción, viene dada por:
Ec. 1.1
Como se observa en la ecuación, esta distribución de tensiones tiende a infinito al
aproximarse al borde del contacto, es decir, cuando x=§a. Este infinito teórico
desaparece en la realidad, debido a que el material se acomoda plásticamente,
por lo que habrá que modelarlo considerando un comportamiento elastoplastico.
Otra opción es tomar la solución elástica, siendo consciente de que se comete un
error en los bordes del contacto, cuyo valor dependerá del tamaño de la zona
plástica. Otro inconveniente del contacto plano es que, debido a la fuerza de
rozamiento que se opone al deslizamiento, se genera un momento en el elemento
de contacto, provocando una tendencia al giro de dicho elemento alrededor del eje
y, como se muestra en la figura 1.6.
Figura 1.6: Tendencia al giro en el contacto plano. Fuente: Tesis doctoral Dr.
Sergio Muñoz Moreno 2007.
Como resultado de este momento, se obtiene una distribución de tensiones
asimétrica. La desviación con respecto a la solución simétrica dependerá del valor
de la carga tangencial en el contacto y de la rigidez de la estructura soporte del
elemento de contacto, pudiéndose estimar el error cometido de forma sencilla.
18
Por último, un problema a la hora de realizar un ensayo con este tipo de geometría
es la necesidad de alinear correctamente las caras que entran en contacto, con el
fin de evitar que se produzca una distribución asimétrica de tensiones.
1.4.2 Contacto plano con esquinas redondeadas
Con objeto de evitar la singularidad de las tensiones producidas en el contacto
plano, se suele utilizar el contacto entre un punzón plano con esquinas
redondeadas y un plano. Esta geometría se encuentra más próxima a la realidad
puesto que en la práctica no existen aristas vivas, sino que los sólidos siempre
presentan aristas redondeadas. La Figura 1.7 muestra un esquema de un ensayo
de fretting fatiga con esta geometría. El contacto se produce entre un punzón
plano con esquinas redondeadas de radio R, contra una probeta plana. En el
ensayo intervienen los tres tipos de carga: una carga normal de valor constante, N,
y unas cargas variables Q y P, que normalmente están aplicadas en fase.
Figura 1.7: Contacto plano con esquinas redondeados. a: semiancho de la base
plana; R: radio de esquinas. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno
2007.
La expresión analítica de la presión normal en el contacto debido a una carga
normal N por unidad de espesor viene dada por:
Ec. 1.2
19
Ec. 1.3
donde
Ec. 1.4
En estas ecuaciones, R es el radio de la esquina redondeada, a es el semiancho
de la base plana, b es el semiancho de la zona de contacto y E* es el modulo de
Young equivalente para el contacto de materiales similares.
El caso extremo en el que R = 0 se corresponde con el caso del punzón plano. En
este caso, la relación a=b = 1 y la tensión en el borde llega hasta infinito. Si se
redondea la esquina con un radio pequeño, el valor a=b seria menor que la unidad
pero muy próximo a ella. Esta situación es muy parecida a la anterior, pero las
tensiones en el borde del contacto, a pesar de ser muy altas, tienen un valor finito.
Por último, cuando el radio de la esquina es muy grande en comparación con la
zona de contacto, el contacto deja de parecerse a un punzón plano: la relación a/b
es claramente menor que la unidad y las tensiones en el borde del contacto
adoptan unos valores mucho menores.
Si además de la carga normal, se aplica una carga tangencial Q, se producirá un
pequeño deslizamiento en los extremos del contacto, en la zona de esquinas
redondeadas, permaneciendo el resto de la zona de contacto adherida. Si se
aumenta la carga tangencial, la zona de deslizamiento aumenta hacia el interior
del contacto, hasta que llega a los límites de la zona plana. En este momento, un
incremento de la carga tangencial provoca el deslizamiento total. Si la probeta se
encuentra sometida además a una carga axial P, la zona de adhesión dejara de
estar centrada, produciéndose una cierta excentricidad.
En función de la relación entre la carga tangencial Q y la carga axial P, existen dos
posibles casos. En primer lugar, si la carga axial es pequeña en relación a la
tangencial, el deslizamiento se producirá en el mismo sentido en las dos zonas de
deslizamiento. Sin embargo, si la carga axial es lo suficientemente grande en
comparación con la tangencial, el deslizamiento se producirá en sentido contrario
20
en ambas zonas de deslizamiento. A este fenómeno se le denomina deslizamiento
1reverso.
Por último, en este tipo de contacto, al igual que en el contacto plano, también
existe el problema del momento generado en el elemento de contacto, mostrado
en la ¯gura 1.6, que implica una asimetría de las tensiones. Además, también es
necesaria una correcta alineación de las caras planas que entran en contacto,
para evitar los concentradores de tensión y la distribución asimétrica de tensiones.
1.4.3. Contacto cilíndrico
En la figura 1.8 se muestra un ensayo de fretting fatiga usando esta geometría, en
el que el contacto se produce entre un elemento de contacto cilíndrico de radio R y
una probeta plana.
Figura 1.8: Contacto cilíndrico. a: semiancho de la zona de contacto; c:
semiancho de la zona de adhesión; e: excentricidad. Fuente: Tesis doctoral Dr.
Sergio Muñoz Moreno 2007.
Las cargas que intervienen en el ensayo son las siguientes: una carga normal de
valor constante, N, y unas cargas variables Q y P, normalmente aplicadas en fase.
La gran ventaja del contacto cilíndrico es que no presenta singularidades.
Además, es uno de los más utilizados en los ensayos, debido a que posee una
geometría sencilla para la que existe solución analítica de las tensiones en el
contacto. Esto permite el estudio sistemático del problema del fretting, así como de
los distintos parámetros involucrados en el. Por el contrario, tiene la desventaja de
que existen pocos casos reales de fatiga por fretting en los que se utilice esta
21
geometría. A continuación se presentan las expresiones de las tensiones normales
y tangenciales en la superficie de contacto.
La presión normal debida a una carga N por unidad de espesor viene dada por:
Ec. 1.5
Tal como se muestra en la figura 1.8. Las expresiones de esos parámetros son
Ec. 1.6
Ec. 1.7
donde E* es el modulo de Young equivalente (ecuación 1.4) y R es el radio del
cilindro.
Si además de la carga normal, se aplica la carga tangencial Q, aparecen dos
regiones bien diferenciadas en la zona de contacto, figura 1.8: una zona central de
adhesión en |x| < c, donde ambas superficies se mantienen adheridas, y dos
zonas simétricas de deslizamiento en c≤|x| < a, donde se produce un
deslizamiento entre las superficies. El tamaño de la zona de adhesión viene dado
por.
Ec. 1.8
Como se aprecia en dicha expresión, al aumentar la carga tangencial, Q,
disminuye el tamaño de la zona de adhesión, c. El caso limite se alcanza cuando
Q = µN, momento en el que el tamaño de la zona de adhesión toma un valor nulo
(c = 0), produciéndose el deslizamiento total entre las superficies.
Si además de las cargas Q y N, existe carga axial P, la zona de adhesión se
desplaza, produciéndose una excentricidad e, figura 1.8. La solución a este
problema con la zona de adhesión desplazada se obtuvo suponiendo que no
22
Ec. 1.9
había fuerza axial. De esta forma, considerando deformación plana, se obtiene la
tensión tangencial en la superficie en la dirección de aplicación de la carga. En la
zona de deslizamiento tiene la siguiente expresión.
Ec. 1.9
Mientras que en la zona de adhesión es
Ec. 1.10
la excentricidad e de la zona de adhesión, viene dada por la expresión
Ec. 1.11
donde σ es la tensión axial en la probeta debida a la carga P
Al igual que en la geometría anterior, en función de la relación entre la carga
tangencial Q y la carga axial P, existen dos posibles casos: uno en el que los
deslizamientos en ambas zonas de contacto se producen en el mismo sentido, y
otro en el que los deslizamientos se producen en sentidos opuestos. La condición
necesaria para que el deslizamiento se produzca en el mismo sentido es que toda
la zona de adhesión este en el interior de la zona de contacto, es decir, e + c · a.
Sustituyendo en esta expresión las ecuaciones (1.8) y (1.11), se obtiene:
Ec. 1.12
Si se cumple esta condición, todas las ecuaciones anteriores son validas. En caso
contrario, aparecerá un deslizamiento reverso y el problema no tendrá solución
analítica, debiéndose resolver mediante ecuaciones integrales.
Otra de las ventajas del contacto cilíndrico es que es muy adecuado para estudiar
el efecto de escala. Haciendo uso de las ecuaciones (1.6) y (1.7) se obtiene que:
23
Ec. 1.13
A partir de estas expresiones se deduce que, variando en la misma proporción la
carga normal, N, y el radio del cilindro, R, se consigue aumentar en dicha
proporción el tamaño del contacto, a, manteniendo constante la magnitud del
campo tensional, p0.
A pesar de todas las ventajas mencionadas, el contacto cilíndrico presenta un
serio inconveniente a la hora de analizar la iniciación de grietas, tanto teórica
como experimentalmente. En los modelos utilizados, este tipo de contacto se trata
como un problema bidimensional, en el que se supone que la grieta atraviesa toda
la probeta y tiene una longitud constante a lo largo de todo el contacto. Sin
embargo, la grieta no se inicia simultáneamente en todos los puntos, sino que lo
hace en un punto concreto y comienza a crecer con una forma semieliptica.
También es posible que se inicien varias grietas a lo largo del contacto y se unan
en su crecimiento. En cuanto al estudio experimental, también es difícil abordar el
problema de la iniciación: debido a que la grieta no tiene un punto preferente para
su iniciación, podrá iniciarse en cualquier sección x-z a lo largo del contacto
(Figura 1.8), por lo que será muy difícil detectar experimentalmente grietas
incipientes.
Por último, en este tipo de contacto no aparece el efecto del giro del elemento de
contacto, mostrado en la figura 1.6. En este caso, el giro del elemento de contacto
no provoca una asimetría en la distribución de tensiones en el contacto, sino que
solamente implica un ligero desplazamiento de la zona de contacto. Sin embargo,
sigue existiendo el problema del alineamiento de los sólidos en contacto, ya que si
no se alinean correctamente la generatriz del cilindro con la probeta plana, se
producirá un contacto incompleto con una distribución de tensiones desconocida.
24
1.4.4 Contacto esférico
En un ensayo de fretting fatiga con esta geometría, el contacto se produce entre
un elemento de contacto esférico de radio R y una probeta plana, figura 1.9.
Figura 1.9: Contacto esférico. a: radio de la zona de contacto; c: radio de la zona
de adhesión; e: excentricidad. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno
2007.
En la figura se observa que la probeta se encuentra sometida a una carga normal
constante, N, y unas cargas variables Q y P. Este tipo de contacto, al igual que el
contacto cilíndrico, no presenta singularidades en la distribución de tensiones bajo
el contacto y posee solución analítica de las mismas, por lo que también es
utilizado para estudio sistemático del problema del fretting. Igualmente, la
desventaja de esta geometría es que existen pocos casos reales de fatiga por
fretting en los que se utilice.
A diferencia de los otros tipos de contacto, este tiene un carácter tridimensional,
por lo que añade algo de complejidad a la solución. En este caso, las expresiones
de las tensiones normales y tangenciales en la superficie de contacto son bastante
parecidas a las del contacto cilíndrico. La presión normal debida a una carga N,
por
unidad
de
espesor
es:
Ec. 1.14
donde
. En esta expresion, p0 es la maxima tension normal y a es el
radio de la zona de contacto. Tal como se muestra en la figura 1.9. Las
expresiones de esos paramteros son:
Ec. 1.15
25
Ec. 1.16
donde E* es el modulo de Young equivalente (ecuación 1.4) y R es el radio de la
esfera.
Si además de la carga normal, se aplica la carga tangencial Q, aparecen dos
regiones circulares en la zona de contacto, figura 1.9: la zona central de adhesión
en |r| < c, y zona de deslizamiento en c ≤ |r| < a. El radio de la zona de adhesión,
c, viene dado por:
Ec. 1.17
La zona de adhesión se encuentra centrada siempre que no exista carga axial P
sobre la probeta. En caso contrario, se producirá una excentricidad, e, en dicha
zona de adhesión, figura 1.9. Como resultado se obtiene la tensión tangencial en
la superficie en la dirección de aplicación de la carga. En la zona de deslizamiento
es:
Ec. 1.18
Mientras que en la zona de adhesión es
Ec. 1.19
donde
La excentricidad e de la zona de adhesion, según se suponga deformacion o
tension plana, sera
26
Deformación plana
Tensión plana
Ec. 1.20
Ec. 1.21
donde σ es la tensión axial en la probeta debida a la carga P.
Según estudios recientes, la expresión de la excentricidad, suponiendo tensión
plana, está más acorde con los resultados obtenidos con elementos finitos. Al
igual que en el caso cilíndrico, la condición necesaria para que no se produzca el
deslizamiento reverso será que e + c ≤ a. Suponiendo tensión plana, esta
condición se traduce en la siguiente expresión:
Ec. 1.22
Si no se cumple esta condición, aparecerá un deslizamiento reverso y el problema
no tendrá solución analítica, debiéndose utilizar algún método numérico para
resolverlo.
Al igual que en el caso cilíndrico, este tipo de contacto también es apropiado para
estudiar el efecto de escala, aunque presenta más restricciones. Siguiendo el
mismo razonamiento que en el caso cilíndrico, a partir de las ecuaciones (1.15) y
(1.16) se obtiene:
Ec. 1.23
Lo cual indica que variando n veces el radio de la esfera y n2 veces la carga
normal, se consigue aumentar n veces la extensión del contacto, a, manteniendo
constante la magnitud del campo tensional, p0. La restricción que presenta este
contacto es que el rango de valores de las cargas aplicadas es mucho mayor que
en el caso cilíndrico, ya que estas no varían proporcionalmente, sino de forma
cuadrática.
Para el estudio de la iniciación de grietas en condiciones de fretting, el contacto
esférico es el más ventajoso, ya que la iniciación se produce en una pequeña zona
27
bien definida en las proximidades del eje de simetría. Por consiguiente, detectar
experimentalmente grietas incipientes será mucho más fácil que en el contacto
cilíndrico.
Por último, desde el punto de vista experimental, existen dos ventajas esenciales
del contacto esférico respecto a los demás. La primera es que no presenta el
problema del alineamiento existente en los otros tipos de contacto, debido a que el
contacto se produce en un solo punto. La segunda ventaja es que el rango de
fuerzas normales que se necesita aplicar para conseguir un determinado p0 es
bastante menor que en el caso cilíndrico. Esto se debe a que en el caso esférico el
contacto se produce en un área mucho menor que en el cilíndrico, πa2 frente a
2ab, siendo a << b.
1.5 Tipos de ensayo.
El estudio experimental del fretting analiza los resultados tanto de ensayos
realizados en el laboratorio como de los fallos ocurridos en componentes reales.
Con ello se pretende estudiar las causas que provocan el problema, así como el
efecto de cada uno de los parámetros involucrados (cargas, vida a fatiga,
desgaste producido, lugar de iniciación de grietas, condiciones ambientales, etc.).
En definitiva, se pretende encontrar la respuesta experimental de una probeta o un
componente real sometidos a un ensayo. A continuación se analizaran los tipos
de ensayo más utilizados en el estudio del fretting, ya sean sobre componentes
reales o sobre probetas.
1.5.1 Ensayos sobre configuraciones reales.
Este tipo de ensayos permite conocer el comportamiento del componente ante
distintos tipos de solicitación. Los objetivos de estos ensayos pueden ser dos:
completar la información del componente en la etapa de diseño o intentar dar una
explicación al fallo o mal funcionamiento del mismo durante su vida en servicio. En
cualquiera de los casos, el ensayo intenta simular lo más fielmente posible las
condiciones de trabajo del componente en la realidad. Ejemplos típicos son los
ensayos sobre alabes de turbina, transmisiones entre ejes, cogidas de cables,
amortiguadores, etc.
28
Los mayores inconvenientes de este tipo de ensayo son su complejidad, su alto
coste económico y que únicamente permite conocer el comportamiento para la
geometría estudiada. En muchos casos no permite extrapolar los resultados
obtenidos de unas condiciones a otras.
En todos estos casos reales, el estudio de las tensiones es complejo, por lo que se
necesita usar herramientas numéricas. Sin embargo, en algunos casos se puede
asimilar el contacto real del componente a geometrías sencillas con solución
analítica. Este es el caso del contacto entre un alabe de una turbina con el eje,
que se puede aproximar por el contacto de una superficie plana con esquinas
redondeadas contra una superficie plana, Figura 1.10.
1.5.2 Ensayos sobre configuraciones sencillas.
Otro tipo de ensayos son los realizados sobre probetas con geometrías sencillas.
En este tipo de ensayo, el campo de tensiones es mucho más sencillo, e incluso
en algunos casos dispone de solución analítica, lo que facilita enormemente su
estudio. Por este motivo, son utilizados para estudiar la influencia de los distintos
parámetros involucrados en el problema, como los tipos de carga, el coeficiente de
rozamiento, la amplitud del deslizamiento relativo, etc. Una vez realizados estos
estudios, se pueden extrapolar los resultados a componentes reales.
29
Figura 1.10: Similitud entre el contacto de una alabe con su eje (a) y el del punzón
con esquinas redondeadas. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno
2007.
Clasificación de los ensayos en función de las cargas aplicadas: Fretting wear y
Fretting fatiga.
Ensayos de fretting wear
En un ensayo de fretting wear actúan únicamente las cargas debidas al contacto:
la carga normal de compresión, N, y la carga tangencial inducida por el
movimiento relativo, Q. En el primer montaje, Figura 1.11-a, la probeta se
encuentra forzada al contacto por una fuerza normal, N, y sometida a un
desplazamiento relativo cíclico, ξ (t), impuesto desde el exterior. Como
consecuencia del contacto y del desplazamiento relativo, se induce una fuerza
tangencial cíclica, Q (t).
Figura 1.11: Tipos de ensayo de Fretting wear: a) Fretting wear; b) Fretting wear
con probeta tensionada. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno 2007.
Además del estudio del proceso de desgaste, esta configuración esta
especialmente diseñada para el análisis del mecanismo de iniciación de grietas.
La mayor ventaja es que se puede caracterizar la iniciación de grietas inducida
únicamente por las cargas de contacto. La influencia de los parámetros de carga
(carga normal, desplazamiento relativo, coeficiente de rozamiento, etc.) es más
fácil de medir con esta configuración.
En el segundo montaje, figura 1.11-b, además de las cargas de contacto, la
probeta se encuentra sometida a una carga exterior, P, de valor constante. Menos
utilizada que la anterior, con esta configuración se puede evaluar la influencia de
una tensión estática sobre la iniciación y propagación de grietas. La introducción
30
de tensiones de tracción favorece la iniciación y aumenta la profundidad final de la
grieta.
Ensayo de fretting fatiga
En un ensayo de fretting fatiga, además de las cargas locales debidas al contacto,
existe una tensión global variable, σ, que contribuye a la iniciación y crecimiento
de grietas por fatiga. En la figura 1.12 se muestran algunos montajes utilizados
para fretting fatiga. Estos montajes tienen la ventaja de que permiten un sencillo
control del nivel de la tensión global sobre la probeta, así como el uso de distintas
geometrías de las superficies de contacto.
Figura 1.12: Tipos de ensayo de Fretting Fatiga. Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio
Muñoz Moreno 2007.
En la figura 1.12-a, después de aplicar la carga normal de contacto, N, se aplica
sobre la probeta, por medio de un actuador, una carga axial cíclica, P (t). Debido al
contacto y a la deformación axial de la probeta, se genera una carga tangencial
cíclica, Q (t), en el contacto. En este montaje se pueden controlar de forma
independiente los tres tipos de carga: por medio de un actuador se controla la
carga axial sobre la probeta, la carga normal se aplica directamente de forma
sencilla y variando la flexibilidad del soporte de los elementos de contacto, se
controla la carga tangencial.
El segundo montaje, figura 1.12-b, mediante dos actuadores servohidraulicas
controlados independientemente, se puede aplicar carga axial a la probeta, P (t),
al mismo tiempo que cualquier movimiento cíclico a los elementos de contacto, ξ
(t). Esto permite controlar de forma independiente el movimiento relativo de los
31
elementos de contacto respecto de la probeta, algo que en el montaje anterior no
era posible. De este modo, se pueden aplicar la carga axial y las tangenciales
fuera de fase o a distinta frecuencia, lo que permite analizar el efecto de las
diferencias de fase o frecuencia en un problema fretting, también es posible
mantener la carga axial constante mientras se aplica unas cargas tangenciales
cíclicas.
El último montaje, figura 1.12-c, es el que utiliza el puente de fretting. Este tipo de
montaje ha sido utilizado con elementos de contacto planos y cilíndricos.
1.6 Paliativos
Un área importante en la investigación del fretting es el estudio de los paliativos
que permiten mejorar el comportamiento frente al fretting. Para poder ser capaces
de seleccionar el paliativo apropiado en cada situación es imprescindible entender
los mecanismos del fretting y cómo influyen los principales parámetros en el
proceso de daño por fretting. Podemos dividir las acciones para disminuir el daño
por fretting en dos grandes grupos: las basadas en modificaciones del diseño y las
basadas en modificaciones de las propiedades de las superficies de contacto.
1.6.1. Modificaciones del diseño
En cuanto a las modificaciones del diseño, la primera opción es reducir las
concentraciones de tensiones en las proximidades del contacto. Por ejemplo para
reducir las tensiones en un ajuste a presión de un eje con un cubo, se puede
aumentar el diámetro en la zona de ajuste, este aumento debe realizarse con un
radio de acuerdo suficiente para evitar concentraciones de tensiones adicionales.
32
1.6.2. Modificaciones en las superficies.
Existen varias soluciones para disminuir el efecto perjudicial del fretting, usando
como paliativo la modificación de las superficies de contacto, procedimiento que
permite mejorar el comportamiento del componente en tres aspectos distintos.
a) Reducción de la carga de contacto:
Podemos considerar dos métodos para reducir las cargas debidas al
contacto. El primero consiste en reducir el coeficiente de rozamiento
mediante la aplicación de recubrimientos de baja fricción. Esto provoca una
disminución de las cargas tangenciales entre las superficies y, por
consiguiente, una disminución del riesgo de iniciación de grietas.
El segundo método consiste en introducir una película intermedia flexible
que absorba parte de la deformación de la interfase y proteja las
superficies.
b) Aumento de la resistencia a fatiga por fretting:
El paliativo más común para impedir la iniciación de grietas por fretting
consiste en la introducción de tensiones residuales. Entre los numerosos
procesos para conseguir este beneficioso estado de compresión superficial
destacan dos: el tratamiento de shot peening y la aplicación de tratamientos
termoquímicos.
c) Aumento de la resistencia frente al desgaste:
Al analizar el problema del fretting en condiciones de deslizamiento global
se confirma que el desgaste es un proceso activado por la energía disipada.
En este sentido, se han desarrollado varios métodos para cuantificar el
desgaste producido a partir de la energía disipada.
Para aumentar la resistencia debida al desgaste, destaca el uso de
lubricantes o de recubrimientos que disminuyan la fricción entre las
superficies, provocando una menor energía disipada y que la velocidad de
los mecanismos de desgate sea más lenta.
A continuación se presenta algunos paliativos más utilizados para paliar los
efectos de fretting.
Lubricantes.
Un método clásico para reducir la fricción en incluir lubricantes, ya sean aceites o
grasas, en los alrededores de la zona de contacto. Los lubricantes responden de
forma distinta en función de la amplitud del desplazamiento producido entre las
superficies de contacto. La figura 1.13 compara la evolución de la fuerza
33
tangencial de un contacto seco y uno similar lubricado, en función de la amplitud
del deslizamiento aplicado.
Figura 1.13: Comparación del comportamiento ante la fricción entre un contacto
lubricado y otro sin lubricar. D.P: deslizamiento parcial; D.G: deslizamiento global.
Fuente: Tesis doctoral Dr. Sergio Muñoz Moreno 2007.
Se observa que , bajo condiciones de deslizamiento parcial, ambas evoluciones
son idénticas, sin embargo en condiciones de deslizamiento global, se observa un
comportamiento constante de alta fricción para el contacto seco, mientas que
para el contacto lubricado, se produce una gran reducción de la fricción seguida
de un comportamiento estable de baja fricción.
El uso de lubricantes esta especialmente recomendado contra el desgaste en
condiciones de deslizamiento global. Sin embargo bajo condiciones de
deslizamiento parcial los lubricantes son ineficientes e incluso perjudícales pues
favorece la iniciación de grietas, debido a que no disminuyen el coeficiente de
rozamiento y pueden penetrar en las grietas impidiendo su cierre en la fase de
compresión.
34
El otro tipo de lubricante son las grasas, con las que se obtiene un resultado
similar aunque tiene el problema de que se deterioran con el número de ciclos
aplicados.
Podemos decir entonces que los lubricantes son empleados para reducir el
desgaste en aplicaciones de bajo número de ciclos, debido a que tras un cierto
número de ciclos, el deslizamiento relativo tiende a expulsar y eliminar la capa de
lubricante. En cualquier caso, los elementos en contacto deben relubricarse a
intervalos regulares.
Recubrimientos de baja fricción
Este tipo de recubrimientos, también denominados lubricantes sólidos, al contrario
de los lubricantes, está especialmente indicado para condiciones de deslizamiento
parcial. Bajo estas condiciones, el recubrimiento produce una gran reducción del
coeficiente de rozamiento y, con ello, una reducción de las tenciones en la zona
contacto, por lo que reduce enormemente el riesgo de iniciación de grietas.
Los más utilizados son los recubrimientos aplicados mediante algún tipo de
deposición (sprays, pulverización catódica, etc), como el bisulfuro de molibdeno
(MoS2) u otro tipo de polímeros.
Otro tipo de recubrimiento son los electroquímicos como: el plomo, zinc, latón,
plata, cobre, níquel y anodizados realizados sobre aleaciones de aluminio que
producen incrementos en la resistencia a fatiga por fretting pero la poca
durabilidad de los mismos es su principal limitante.
El problema de cualquier tipo de recubrimiento es que tiene un determinado
número de ciclos de duración, tras el cual el coeficiente de rozamiento
experimenta un brusco incremento, debido a que, como consecuencia del
desgaste del recubrimiento, el contacto alcanza el substrato, produciéndose la
interacción metal-metal y aumentado drásticamente la fricción. La duración de un
recubrimiento está íntimamente relacionada con el proceso de desgaste, que
depende de las condiciones de deslizamiento y de la disipación de energía en la
interfase. Al contrario que los lubricantes, la resistencia de un recubrimiento
disminuye al aumentar la amplitud del deslizamiento, por lo que son utilizados en
condiciones de bajos deslizamientos.
Películas intermedias.
Funcionan básicamente reduciendo las cargas de contacto, sin disminuir el
coeficiente de rozamiento, consiste en la aplicación de una película intermedia de
material flexible en la interfase del contacto. Si la película tiene el espesor y
flexibilidad adecuada, puede eliminarse la concentración de tensiones producida
35
por el contacto y al mismo tiempo se elimina el deslizamiento relativo.
Normalmente solo son aplicables para pequeños movimientos relativos, el
aumento de la flexibilidad es casi nulo en algunos casos y la durabilidad de la capa
es limitada. Pero pueden ser muy efectivas en casos como las uniones
atornilladas.
Shot peening
Este tratamiento consiste en generar tensiones residuales de compresión a partir
de la deformación plástica de la superficie. Esta deformación plástica da lugar a un
aplastamiento de los granos cercanos a la superficie y un aumento de la densidad
de dislocaciones, produciéndose un incremento del número de barras que debe
atravesar la grieta para propagarse. Cada tratamiento es optimizado para
conseguir bajo la superficie el campo de tensiones de compresión necesario
según la aplicación. Este campo de tensiones depende del tratamiento, suele
alcanzar profundidades de hasta 200 µm.
El shot peening influye negativamente en la iniciación de grietas, ya que la propia
deformación superficial del tratamiento introduce un gran número de pequeñas
grietas que pueden actuar como punto de iniciación. Sin embargo, el posterior
crecimiento se ve dificultado por el campo de tensiones residuales de compresión.
Tratamientos termoquímicos
Son tratamientos superficiales que llevan asociados un cambio de la composición
del metal. Generalmente implican la difusión de carbono o nitrógeno a través de la
superficie, aunque a veces se utiliza también cromo, boro, aluminio, o sílice como
elemento a difundir. Las tensiones residuales de compresión desarrolladas por
estos tratamientos mejoran normalmente la resistencia a fatiga simple y mientras
no produzca un cambio significativo en el coeficiente de rozamiento también
mejorara la resistencia a fatiga por fretting.
Los tratamientos termoquímicos más utilizados son el cementado, el nitrurado y
combinación de estos. Estos tratamientos aumentan considerablemente la dureza
superficial y crean un estado de tensiones residuales de compresión en la
superficie.
36
Capitulo 2 Conceptos básicos
de software de ingeniería
 ¿Qué es
SolidWorks?
 ¿Qué es
Autodesk
Inventor?
37
2.1 ¿Qué es solidworks?
Solidworks es un programa de diseño mecánico en 3D que utiliza un entorno
gráfico basado en Microsoft Windows, intuitivo y fácil de manejar. Su filosofía de
trabajo permite plasmar sus ideas de forma rápida sin necesidad de realizar
operaciones complejas y lentas.
Las principales características que hace de SolidWorks una herramienta versátil y
precisa es su capacidad de ser asociativo, variacional y paramétrico de forma
bidireccional con todas sus aplicaciones. Además utiliza el Gestor de diseño
(FeatureManager) que facilita enormemente la modificación rápida de operaciones
tridimensionales y de croquis de operación sin tener que rehacer los diseños ya
plasmados en el resto de sus documentos asociados.
Junto con las herramientas de diseño de Pieza, Ensamblajes y Dibujo, SolidWorks
incluye Herramientas de Productividad, de Gestión de Proyectos, de Presentación
y de Análisis y Simulación que lo hacen uno de los estándares de diseño
mecánico más competitivo del mercado.
2.2 Características generales de SolidWorks
SolidWorks es una solución de diseño tridimensional completa que integra un gran
número de funciones avanzadas para facilitar el modelado de piezas, crear
grandes ensamblajes, generar planos y otras funcionalidades que le permiten
validar, gestionar y comunicar proyectos de forma rápida, precisa y fiable.
SolidWorks se caracteriza por su entorno intuitivo y por disponer de herramientas
de diseño fáciles de utilizar. Todo integrado en un único programa de diseño con
más de 45 aplicaciones complementarias para facilitar el desarrollo de sus
proyectos.
La característica que hace que SolidWorks sea una herramienta competitiva, ágil y
versátil es su capacidad de ser paramétrico, variacional y asociativo, además de
usar las Funciones Geométricas Inteligentes y emplear un Gestor de Diseño
(FeatureManager) que permite visualizar, editar, eliminar y actualizar cualquier
operación realizada en una pieza de forma bidireccional entre todos los
documentos asociados.
La definición de parámetros clave, la asociatividad, las funciones geométricas
inteligentes y el gestor de diseño, son las principales características de
SolidWorks.
38
2.2.1 Definición de parámetros clave
Los parámetros clave son las dimensiones (cotas) y las relaciones geométricas
que definen un modelo tridimensional. SolidWorks asocia a cada una de las cotas
de un croquis así como a las operaciones tridimensionales un nombre que permite
modificarla en cualquier momento y su actualización en el resto de documentos
asociados.
2.2.2 Asociatividad
SolidWorks contiene tres módulos: Pieza, Ensamblaje y Dibujo. La creación de un
documento en cada uno de ellos genera un fichero con distinta extensión. Los
documentos, aunque no pueda observarse, están asociados y vinculados entre
ellos.
Figura 2.1: Módulos existentes en SolidWorks. Fuente: SolidWorks® Inc.
Para realizar un conjunto o ensamblaje debe
lo conforman y guardar como ficheros de
nombre). El módulo de ensamblaje permite
asignar relaciones geométricas de posición
ensamblaje. Finalmente, puede obtener los
ensamblaje de forma automática.
39
diseñar cada una de las piezas que
pieza distintos (cada uno con un
insertar cada una de las piezas y
para definir tridimensionalmente el
planos de las piezas o del propio
Cuando se dice que SolidWorks es asociativo quiere decir que todos los
documentos (Pieza, Ensamblaje o Plano) están vinculados y que la modificación
de un fichero de pieza modifica el ensamblaje y los planos asociados de forma
automática, sin la participación del usuario. Los ficheros se actualizan aunque se
encuentren cerrados.
Nota: Es importante tener los documentos de un ensamblaje juntos en una misma
carpeta. Para abrir un ensamblaje SolidWorks necesita los ficheros de las piezas
de que se compone. Si los ficheros no se encuentran en la misma carpeta debe
buscarlos de forma manual.
Figura 2.2: Módulos Existentes en SolidWorks. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.2.3 Funciones Geométricas Inteligentes
La creación de Taladros, Chaflanes, Redondeos, Vaciados o la creación de
Nervios, entre otras operaciones, son creadas de forma rápida, ágil e intuitiva. En
muchas operaciones el proceso de definición esta guiado y puede previsualizar la
operación antes de su aceptación definitiva.
40
Figura 2.3: Función Geométrica inteligente de Taladro. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.2.4 Gestor de diseño
También es conocido como árbol de operaciones o FeatureManager. En él se
incluyen de forma histórica todas las operaciones que han sido necesarias
efectuar para conformar la pieza durante su diseño. Las operaciones recientes se
encuentran al final del árbol mientras que las más antiguas son las primeras en
aparecer.
El Gestor de Diseño permite visualizar/ocultar operaciones, suprimirlas o
eliminarlas, cambiar el color y, lo que es más importante, modificar sus parámetros
de definición. Puede establecer nuevas relaciones de posición geométrica o
modificar la dimensión de una cota de croquis u operación.
Figura 2.4: Gestor de Diseño. Fuente: SolidWorks® Inc.
41
Así, por ejemplo, si efectúa un taladro avellanado M12 a 10 mm de los lados de
una placa puede modificar el tipo de taladro, su distancia a las caras y la
profundidad del mismo en cualquier momento con sólo editar su operación desde
el Gestor de Diseño.
2.3 Módulos de SolidWorks
SolidWorks contiene tres módulos: Pieza, Ensamblaje y Dibujo. En cada uno de
ellos se disponen de múltiples herramientas de Productividad, Comunicación y
Análisis-simulación.
2.3.1 Pieza
El Módulo de Pieza constituye un entorno de trabajo dónde puede diseñar
modelos mediante el empleo de herramientas de diseño de operaciones ágiles e
intuitivas. Su facilidad de uso se debe al empleo de un entorno basado en
Microsoft Windows y en el uso de funciones clásicas como arrastrar y colocar,
cortar y pegar o marcar y hacer clic con el ratón.
El conjunto de funciones e iconos permiten crear modelos tridimensionales (3D)
partiendo de geometrías de croquis (2D) y obtener sólidos, superficies, estructuras
metálicas, piezas de chapa, piezas multicuerpo, etc.
Los modelos creados se gestionan mediante el Gestor de Diseño dónde se
incluyen todas las operaciones 3D y 2D utilizadas en la obtención de la pieza.
Puede modificar operaciones sin necesidad de eliminar y volverlas a crear.
El Módulo de Pieza esta totalmente integrado con el resto de módulos y
funcionalidades de forma que cualquier cambio en su modelo 3D se actualiza en el
resto de ficheros asociados (Ensamblajes, Dibujo, etc.) de forma bidireccional.
42
Figura 2.5: Gestor de Diseño. Creación y modificación de operaciones. Fuente:
SolidWorks® Inc.
2.3.2 Ensamblaje
En Módulo de Ensamblaje está formado por un entorno de trabajo preparado para
crear conjuntos o ensamblajes mediante la inserción de los modelos 3D creados
en el Módulo de Pieza. Los ensamblajes se definen por el establecimiento de
Relaciones Geométricas entre las piezas integrantes.
La creación de ensamblajes permite analizar las posibles interferencias o choques
entre los componentes móviles insertados así como simular el conjunto mediante
motores lineales, rotativos, resortes y gravedad y evaluar la correcta cinemática
del conjunto.
43
Figura 2.6: Modulo de Ensamblaje de SolidWorks. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.3.3 Plano o dibujo
Es el tercer módulo integrado en SolidWorks que permite crear planos con las
vistas de los modelos o ensamblajes de forma automática y en muy poco tiempo.
La obtención de las vistas, alzado, planta y perfil requiere únicamente pulsar sobre
un icono o arrastrar la pieza 3D desde su ventana hasta la ventana del dibujo.
Figura 2.7: Barras de Herramientas del modulo plano o dibujo. Fuente:
SolidWorks® Inc.
44
El Módulo de Dibujo permite obtener proyecciones ortogonales (Vistas Estándar),
secciones y cortes, perspectivas, acotación, Lista de materiales, Vistas
Explosionadas, entre otras muchas funciones. Los documentos de dibujo están
totalmente asociados a las piezas y ensamblajes de forma que cualquier cambio
en ellas se actualizan en tiempo real en sus planos, sin tener que modificarlos de
forma manual.
Figura 2.8: Hoja de dibujo de SolidWorks. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4 Simulación y movimiento
Es una herramienta intuitiva de simulación física incluida en SolidWorks® que
permite agregar distintos movimientos a los componentes que forman su
ensamblaje para evaluar como la forma, las dimensiones y las relaciones
geométricas establecidas entre ellos definen la cinemática de su conjunto. Es una
45
ayuda imprescindible para asegurar la ausencia de interferencias o choques entre
los elementos de un ensamblaje.
Figura 2.9: Simulación y movimiento con motor rotativo. Fuente: SolidWorks® Inc.
Puede agregar motores lineales, rotativos, gravedad y resortes, animar su
conjunto y grabar la animación en formato de video AVI. Además, la simulación del
movimiento obtenida le ayudará en la definición de las cargas y condiciones de
contorno cuando emplee la herramienta CosmosXpress para evaluar el
comportamiento mecánico de su producto.
2.4.1 Análisis de interferencia
Esta formado por herramientas incluidas en el Módulo de Ensamblaje cuyo objeto
es detectar posibles interferencias en conjuntos o ensamblajes. De entre las
principales herramientas destacan aquellas que determinan el volumen real de la
interferencia entre dos o más componentes, los taladros de ajuste forzado y las
interferencias entre cierres roscados, entre otras.
46
Figura 2.10: Análisis de interferencias. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4.2 Del 2D al 3D
Constituye un conjunto de herramientas que le ayudará a convertir sus antiguos o
modernos dibujos bidimensionales a una pieza en 3D mediante la definición del
croquis y su posterior modelado tridimensional. Útil para convertir proyectos que
actualmente se tienen en planos 2D y que desea parametrizar a 3D. Admiten
ficheros DWG.
SolidWorks incluye DWGEditor, aplicación que permite modificar, crear y mantener
documentos DWG en un entorno muy parecido a AutoCAD.
Figura 2.11: Del 2D al 3D. Conversión de planos 2D de AutoCAD® a 3D en
SolidWorks®. Fuente: SolidWorks® Inc.
47
2.4.3 Superficies
Constituye un conjunto de herramientas que permiten crear superficies complejas
en el modelado de piezas mediante operaciones como Recubrimientos o Barridos
con Curvas Guía, operaciones de Relleno, entre otras.
Figura 2.12: Superficies y creación de familias de piezas con Tablas de Diseño.
Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4.4 Tablas de diseño (configuraciones)
Herramienta que permite obtener gran número de variaciones de un diseño de
pieza o ensamblaje (Familia de piezas) en un único documento mediante la
variación de las dimensiones, relaciones geométricas u otros parámetros.
SolidWorks permite crear una familia de piezas con diferentes configuraciones
mediante la creación de una hoja de cálculo en Microsoft Excel y su vinculación a
SolidWorks.
2.4.5 Moldes
El Módulo de moldes contiene un conjunto de herramientas que permiten obtener
la cavidad de un molde de inyección de plásticos (macho-hembra) a partir de una
pieza en 3D. Se incluyen funciones como el Análisis del Ángulo de salida, creación
48
de la Línea de partición y la Creación automática de la cavidad, entre otras
funciones.
Figura 2.13. Herramientas de moldes. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4.6 CosmosXpress
Herramienta simplificada de análisis basada en el método de los elementos finitos
(FEM) que permite conocer el comportamiento mecánico (tensiones y
deformaciones) sufridas por una pieza al ser cargada con fuerzas o presiones
después de haber indicado las restricciones de movimiento en alguna de sus
caras.
Figura 2.14: Evaluación del comportamiento mecánico de una pieza. Fuente:
SolidWorks® Inc.
49
2.4.7 MoldFlowXpress
Herramienta de validación simplificada de análisis por elementos finitos basada en
MoldFlow. Simula el proceso de inyección de un termoplástico en la cavidad de un
molde. Permite seleccionar el tipo de material, la ubicación de la entrada, la
temperatura del frente de flujo y la temperatura del molde.
Figura 2.15. Simulación del proceso de inyección. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4.8 SmartMates (Tecnología Inteligente)
Las herramientas SmartMates permiten ahorrar tiempos de diseño por permitir
crear relaciones de posición de forma automática en los ensamblajes.
2.4.9 Chapa metálica
Permite diseñar piezas de Chapa Metálica de forma automática y desdoblarlas
para conocer su geometría desarrollada o plana. Esta formado por un conjunto de
herramientas de fácil aplicación como: incluir Dobleces, Insertar pliegues,
Remarcar contornos, introducir Dobladillos, etc.
50
Figura 2.16: Chapa metálica. Desdoblado de chapa. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.4.10 Traductor IDF
Puede crear modelos de circuitos impresos y sus componentes por la importación
de archivos IDF (.emn, .brd y .idb). Los modelos obtenidos forman una sola pieza
con la placa y operaciones de extrusión que definen cada uno de los
componentes.
2.4.11 Traductores CAD
Integrado en cada uno de los módulos. Permite traducir y reconocer más de 20
ficheros CAD distintos: CGR (CATIA® graphics), HCG (CATIA® highly
compressed graphics), Pro/ENGINEER®, IPT (Autodesk Inventor®), Mechanical
Desktop®, Unigraphics®, PAR (Solid Edge™), CADKEY®, IGES, STEP,
Parasolid®, SAT (ACIS®), VDA-FS, VRML, STL, DWG, DXF™, TIFF, JPG, entre
otros.
51
2.4.12 Lista de materiales
Permite insertar una Tabla de materiales y una Distribución de Globos en su dibujo
para identificar cada una de las piezas, sus cantidades y las propiedades. La
inserción automática de Globos en un dibujo asigna una numeración a cada pieza
y la relaciona con la tabla de materiales.
Figura 2.17: Plano con Lista de materiales. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.5 Herramientas de Colaboración
Las herramientas de colaboración las forman el eDrawings®, PhotoWorks®,
SolidWorks Animator, SolidWorks Viewer y el 3D Instant Website. Todas estas
aplicaciones permiten compartir y comunicar la información de diseño con terceros
a través de Internet.
52
2.5.1 eDrawing
Visualizador de ficheros de SolidWorks que permite comunicar diseños en 2D y 3D
sin tener que tener SolidWorks instalado. Con la versión profesional puede marcar,
tomar medidas, visualizar animaciones, ver vistas explosionadas, entre otras
funciones. Además puede visualizar ficheros 3D de AutoCAD, Inventor,
Pro/Engineer, Catia V5, Unigraphics y Solid Edge.
2.5.2 PhotoWorks
Es una aplicación útil en la creación de imágenes fotorrealísticas y de alta calidad.
Permite mostrar el aspecto final de su diseño antes de tenerlo fabricado y elimina
la fabricación de prototipos visuales. Dispone de una extensa Biblioteca de
materiales, Texturas e Iluminación que simulan entornos prácticamente reales.
Figura 2.18: Icono de eDrawing. Imagen fotorrealista de una maquina. Fuente:
SolidWorks® Inc.
53
2.5.3: SolidWorks Animator
Permite crear videos en formato AVI con las animaciones del producto diseñado.
Puede crear animaciones de explosionados, colapsados, rotación de su diseño o
animaciones en las que se vea cómo actúan cada uno de los elementos que
conforman el conjunto durante su funcionamiento. Las animaciones creadas
pueden ser reproducidas por el cliente sin necesidad de tener instalado
SolidWorks.
2.5.4: SolidWorks Viewer
Visualizador de Piezas, Ensamblajes y Dibujos incluido en SolidWorks.
2.5.5 3D Instant Website
Permite comunicar a sus clientes sus productos y nuevos diseños mediante la
creación de una página Web interactiva en 3D con formato XML y XSL. La
creación de la página Web se realiza de forma fácil y automática desde
SolidWorks. Permite visualizar el contenido de forma interactiva y en 3D con
herramientas como Rotar, Aumentar vista, entre otras.
54
2.6 Herramientas de Productividad
Las herramientas de productividad permiten reducir el tiempo de diseño e incluyen
soluciones como: DWGEditor, SolidWorks Toolbox, Solid Utilities, SolidWorks
Design Checker, FeatureWorks, SolidWorks Task Schedule, SolidWorks Routing,
Scan to 3D y Rhino to SolidWorks Add-in, entre otras.
2.6.1 DWGEditor
Es una aplicación incluida en SolidWorks que permite crear y editar dibujos de
AutoCAD con extensión DWG y DXF. Es compatible con las versiones 2.5 hasta la
más moderna (AutoCAD 2008) y su entorno es muy parecido al de AutoCAD.
2.6.2 SolidWorks Toolbox
Es una biblioteca de piezas estándar paramétricas que emplea la tecnología
SmartPart y que está formada por componentes mecánicos como rodamientos,
tornillos, tuercas, engranajes, levas, pernos, entre otros. La aplicación incluye
otras como una Calculadora de vigas capaz de determinar el esfuerzo y la
deflexión o una Calculadora de rodamientos, útil en la determinación de la
capacidad y vida de un rodamiento, entre otras aplicaciones.
55
Figura 2.19: Elementos normalizados creados con Toolbox. Fuente: SolidWorks®
Inc.
2.6.3 Solid Utilities
Es una aplicación que permite conocer las diferencias entre dos versiones de la
misma pieza además de suprimir o modificar las operaciones efectuadas en una
de ellas.
2.6.4 SolidWorks Design Checker
Es una herramienta muy útil en la confección de planos que le indicará los
elementos que no cumplen con los estándares definidos. Es una aplicación que
puede ayudar a revisar los planos de forma automática antes de enviarlos a un
cliente.
56
2.6.5 FeatureWorks
Permite reconocer la geometría 3D de modelos importados en formatos diferentes
a los nativos de SolidWorks y generar el árbol de operaciones de forma
automática. Su empleo ayuda a mejorar la capacidad de edición y la modificación
de las geometrías importadas.
2.6.6 Scan to 3D
Permite importar una nube de puntos escaneados para convertirlos en superficies
o sólidos editables en SolidWorks.
2.6.7 SolidWorks Task Schedule
Aplicación que permite ejecutar aquellas tareas que consumen demasiado tiempo
cuando no se está presente frente al ordenador. De esta forma puede programar
que se realicen de forma automática cálculos o la impresión por lotes sin estar
presente.
2.6.8 SolidWorks Routing
Aplicación para la creación de tubos, cañerías, cables eléctricos o colectores de
cable de forma automática y precisa .Útil en el diseño de máquinas, instalaciones
o cualquier elemento que emplee enrutamientos. Convierte las rutas 2D en 3D de
57
forma automática y ofrece la lista de materiales creados así como información
sobre sus conexiones.
Figura 2.20: Scan to 3D y SolidWorks Routing. Fuente: SolidWorks® Inc.
2.6.9 Rhino to SolidWorks Add-in
Herramienta que facilita la comunicación y colaboración entre Rhinoceros 3D y
SolidWorks. Permite abrir ficheros .3dm de Rhinoceros 3D sin necesidad de
convertirlos a formatos estándar como IGES o parasólidos.
Figura 2.21: Comunicación entre Rhinoceros 3D y SolidWorks. Fuente:
SolidWorks® Inc.
58
2.7 Gestión de proyectos
SolidWorks contiene un conjunto de soluciones que permiten gestionar proyectos
mediante la administración de archivos CAD y la gestión de información de
productos (PDM). Su empleo facilita el control de las revisiones efectuadas en los
proyectos y la trazabilidad de la información.
2.7.1 SolidWorks Explorer
Es un administrador de archivos CAD intuitivo basado en Windows Explorer.
Permite localizar Piezas, Ensamblajes, Dibujos u otros ficheros CAD generados en
el equipo del usuario, en la Biblioteca de Diseño de Internet o en la Web de 3D
ContentCentral.
2.7.2 PDMworks Workgroup
Es una herramienta que permite gestionar la información de los proyectos cuando
se trabaja de forma individual o colectiva.
2.8 Herramientas de Análisis y simulación avanzadas
Forman un conjunto de soluciones integradas en SolidWorks que emplean el
Método de los Elementos Finitos para analizar y simular el comportamiento
59
mecánico
(COSMOSWorks),
el
comportamiento
cinemático
y
dinámico
(COSMOSMotion) y el comportamiento de fluidos (COSMOSFlowWorks).
2.8.1 COSMOSWorks® COSMOSWorks
Es la aplicación completa que permite estudiar el comportamiento mecánico de
sus modelos 3D de forma más precisa y teniendo en cuenta otros aspectos que no
son evaluados por COSMOSXpress.
Figura 2.22: Barra de herramientas de COSMOSWorks. Fuente: SolidWorks® Inc.
Dispone de herramientas para el análisis de frecuencia, análisis de pandeo,
análisis térmico, análisis de optimización, análisis no lineal, análisis de prueba de
caída, análisis de fatiga y análisis de respuesta dinámica.
2.8.2 COSMOSMotion
Aplicación que permite estudiar las condiciones de funcionamiento de un
ensamblaje por la simulación del movimiento de sus partes integrantes. Combina
el movimiento basado en las condiciones físicas con las restricciones geométricas
y contiene una gran variedad de herramientas de visualización de resultados:
60
aceleración, vector de fuerza, colisiones, etc. Es una herramienta adecuada para
crear prototipos virtuales y validar el funcionamiento del mecanismo diseñado.
Fuente: Solidworks, 2013
Figura 2.23. Barra de herramientas de COSMOSMotion.
2.8.3 COSMOSFlowWorks
Herramienta de dinámica de fluidos que permite simular transferencia de calor,
flujos compresibles, subsónicos y supersónicos, mezcla de gases, cavitación,
entre otras.
La aplicación está totalmente integrada en SolidWorks ofreciendo un entorno de
trabajo y unos cuadros de diálogo intuitivos y familiares. Funciona mediante un
asistente que permite configurar el análisis y resolver el problema de forma rápida
y sencilla.
2.9 Soluciones de diseño con SolidWorks
SolidWorks se comercializa en tres versiones: SolidWorks Office Premium,
SolidWorks Office Professional y SolidWorks. La versión más completa es la
Premium que incluye todas las herramientas disponibles para el diseño,
validación, gestión y comunicación de proyectos. Las otras dos versiones
contienen menos herramientas y cada una de ellas es aplicable en función de sus
necesidades de uso.
61
SolidWorks Office Premium es la solución más completa de las tres. No sólo
permite diseñar piezas, ensamblajes y realizar los planos de sus diseños sino que
además ofrece todas las herramientas de Verificación, Simulación, Gestión,
Validación y Comunicación del diseño.
SolidWorks Office Professional. Incluye el programa CAD (pieza, ensamblaje y
dibujo) y las mismas aplicaciones que la versión Premium excepto SolidWorks
Routing, ScanTo 3D y las herramientas avanzadas de validación COSMOS.
SolidWorks. Solución simple que contiene el programa de CAD en 3D SolidWorks
y las herramientas sencillas de simulación COSMOSXpress y MoldFlowXpress.
Además incluye el DWGeditor para crear, gestionar y modificar documentos
realizados en AutoCAD.
Tabla 2.1. Versiones y características del software SolidWorks. Fuente:
SolidWorks® Inc.
SolidWorks
SolidWorks
SolidWorks
Office
Office
Profesional
Premium
Software de CAD en 3D SolidWorks
●
●
●
DWGeditor
●
●
●
COSMOSXpress
●
●
●
MoldFlowXpress
●
●
●
eDrawing Professional
●
●
SolidWorks Utilities
●
●
SolidWorks Animator
●
●
Toolbox
●
●
FeatureWorks
●
●
PhotoWorks
●
●
Programador de tareas de SolidWorks
●
●
3D Instant Website
●
●
62
SolidWorks Design Checker
●
●
PDMWorks Workgroup
●
●
SolidWorks Routing
COSMOSWorks Designer
COSMOSMotion
●
Scan to 3D
●
2.10 Ámbitos de aplicación de SolidWorks
Actualmente la herramienta de diseño mecánico SolidWorks® se emplea en
sectores tan diversos como el Aeroespacial, Automoción, Defensa, Educación y
Universidades, Ingeniería civil, Ingeniería industrial, Ingeniería marina, Ingeniería
mecánica Investigación y desarrollo y en Simulación, entre otros campos.
63
Figura 2.25: Ejemplos de aplicación. Fuente: SolidWorks® Inc.
64
2.11 ¿Qué es Autodesk inventor?
El software de Autodesk Invento es un sistema de diseño mecánico en entorno
3D, construido con tecnología adaptativa y sólida capacidad de modelado.
Proporciona todas las herramientas necesarias para ejecutar proyectos de diseño,
desde el primer boceto hasta el dibujo final, ya trabaje sólo o en colaboración con
un equipo de diseño.
Inventor proporciona un entorno de diseño 3D intuitivo para crear piezas y
ensamblajes. Los ingenieros pueden centrarse en el funcionamiento de un diseño
para controlar la creación
automática de componentes inteligentes, como
estructuras de acero, maquinaria giratoria, conductos de tubos y tuberías, cables
eléctricos y arneses de conductores.
Los módulos de simulación del movimiento y análisis de tensión, totalmente
integrados en Inventor, son fáciles de usar. Permiten a los ingenieros optimizar y
validar el prototipo digital.
La generación de la documentación de fabricación a partir de un prototipo digital
3D validado reduce los errores y las órdenes de cambios de ingeniería asociadas
antes de la fabricación. Inventor permite crear con rapidez y precisión dibujos
preparados para la producción directamente a partir del modelo 3D.
2.12 Reseña histórica
Autodesk Inventor es un paquete de modelado paramétrico de sólidos en 3D
producido por la empresa de software Autodesk. Compite con otros software de
CAD como Solidworks, Pro/ENGINEER, CATIA, e IDEAS.
65
Entró en el mercado en 1999, muchos años después que los antes mencionados y
se agregó a las Series de Diseño Mecánico de Autodesk como una respuesta de
la empresa a la creciente migración de su base de clientes de Diseño Mecánico en
2D hacia la competencia, permitiendo que los ordenadores personales ordinarios,
puedan construir y probar montajes de modelos extensos y complejos.
2.13 Fundamentos de inventor
Inventor tiene los siguientes seis atributos cruciales:
a) Términos comunes de modelos
b) Operación base
c) Operaciones paramétricas
d) Asociativo
e) Relaciones
f) Administración de ensamblajes
a) Términos comunes de modelos
• Origen. Representa el origen de coordenadas (x=0, y=0, z=0) y aparece en la
carpeta origin (origen) en el navegador. Es importante tenerlo en cuenta sobre
todo cuando la pieza diseñada forma parte de un ensamblaje o desee importarse a
un programa de CAM.
66
• Plano. Se tienen tres planos (Plano XY, Plano XZ y Plano YZ) de forma
redefinida en la carpeta origin (origen) en el navegador. Son útiles para generar
boceto 2D. Pueden crearse planos cuando tengan que realizarse operaciones
especiales.
• Eje. Se representa mediante líneas de trazo continuo de color amarillo. Es
utilizado para crear simetrías 2D (bocetos), para crear operaciones de revolución
sólida y también para la creación de matrices polares tanto en 2D como en 3D. •
Cara. Representa el plano de una pieza dibujada en Inventor.
• Arista. Es la intersección entre dos caras de una pieza formando una línea.
• Vértice. Punto definido por la intersección de dos o más aristas o por tres caras.
Figura 2.26: Términos comunes de modelos. Fuente Flores 2013
67
b) Modelando la operación base
Inventor es un programa de modelado de operación base, lo cual quiere decir que
una pieza evoluciona creando operaciones uno por uno hasta que la pieza esté
completa. Cada operación es individualmente reconocida por el sistema. Un
modelo de pieza que consiste en varias operaciones individuales se muestra en la
figura 2.27.
Figura 2.27: Las operaciones extrusión pueden agregar o substraer material del
modelo. Fuente Flores 2013.
Operaciones de boceto
Una operación de boceto se crea esbozando su forma o perfil. Una operación de
boceto puede ser de cualquier forma y tamaño. Para crear una operación de
boceto, usted debe esbozar una sección transversal 2D en la superficie de
colocación, luego agregar las dimensiones para definir y ubicar la geometría de
boceto con respecto al modelo, como se muestra en la figura 2.28.
68
Figura 2.28: Esbozo de perfil de pieza. Fuente Flores 2013.
Seleccione y coloque la operación
Seleccionar y colocar una operación es una forma por el cual es una operación
predefinida. Por ejemplo, la sección transversal de una operación de agujero es un
círculo. Para crear una selección y colocar la operación, usted debe definir la
ubicación de la operación y definir las referencias requeridas para ubicar la
operación con respecto a la geometría existente.
c) Operaciones paramétricas
Las operaciones que se crean utilizando Inventor son paramétricas. Esto significa
que todas las restricciones dimensionales que usted crea para definir la forma de
una operación son consideradas como parámetros; la distancia y el ángulo pueden
cambiarse cuando quiera y la operación se actualizará automáticamente. Si varía
el valor dimensional que posiciona la operación cavidad como se muestra en la
figura 2.29. La posición de la operación por consiguiente se actualiza para reflejar
este cambio del diseño.
69
Figura 2.29: Operaciones paramétricas. Fuente Flores 2013.
d) Asociativo
Inventor es totalmente asociativo, lo cual quiere decir que funciona en un entorno
coexistente de ingeniería. Usted puede trabajar con el mismo modelo en los
nodos diferentes (Por ejemplo, Pieza, Ensamblaje, Dibujo), y en todos los modos
son totalmente asociativos. Por consiguiente, los cambios hechos a un modelo en
cualquiera de los modos se reproducen para todos los otros modos. La
asociatividad bidireccional garantiza que todos los elementos de un modelo estén
relacionados o conectados. Por ejemplo, modelos de ensamblajes, dibujos,
detalles y listas de materiales tienen que asociarse en ambas direcciones.
Igualmente, la funcionalidad del diseño paramétrico es fundamental para
aprovechar las ventajas en 3D. Al crear un modelo, un paquete de 3D debe
almacenar todas las operaciones y dimensiones como parámetros de diseño. Esto
permite que los diseñadores hagan cambios muy rápidos en el diseño con sólo
modificar el valor de un parámetro. El modelo actualiza automáticamente el nuevo
70
valor y todas las demás operaciones y dimensiones del modelo que se vean
afectadas por la actualización del cambio. Un cambio hecho en cualquier parte se
refleja en todos los modos, como se muestra en la figura 2.30.
Figura 2.30: Asociatividad entre los módulos. Fuente Flores 2013.
e) Relaciones
En Inventor las relaciones son ecuaciones matemáticas definidas por el usuario
que se utilizan para capturar y controlar la intención del diseño. La habilidad de
71
utilizar las relaciones en un modelo es sumamente importante en hacer un modelo
robusto. Una relación es creada escribiendo una ecuación utilizando dimensiones
o parámetros del modelo. Por ejemplo, la siguiente relación puede utilizarse para
ubicar un agujero centrado en un bloque (como se muestra en la figura 2.31)
Figura 2.31: Relación para ubicar el agujero centrado. Fuente Flores 2013.
f) Administración de Ensamblajes
Los modelos construidos en el modo Pieza pueden ser utilizados como
componentes en un ensamblaje. Los ensamblajes son creados por componentes
restringidos con respecto uno a otro, en vez de restringirlos relativo a una posición
global. La adición de restricciones crea las relaciones de operación entre los
componentes y construye ensamblajes inteligentes. Similar a las operaciones en el
modo pieza, la restricciones en el modo Ensamblaje les es asignado un único
número de identificación interno (por ejemplo, d1, d15, d34). El número de
identificación interno puede utilizarse para establecer relaciones entre los
componentes en el ensamblaje.
72
2.14 Reutilización de componentes y operaciones
Ahorre tiempo con el acceso instantáneo al contenido de maquinaria de uso
frecuente. Autodesk Inventor le brinda una biblioteca con más de 500.000
componentes que representan contenido habitual, como tuercas, pernos o
tornillos. También aporta potentes herramientas, como:
• Funcionalidad i-drop: Una forma sencilla de incorporar las piezas que los
fabricantes publican en la web sin más que arrastrarlas desde el navegador hasta
la ventana de interfaz.
• IParts: Bibliotecas asociadas a tablas que contienen grupos de componentes (por
ejemplo, una pieza iPart de una rueda de automóvil puede tener agujeros para 4,
5, 6 u 8 tornillos según el vehículo en el que se monte).
• iFeatures: Una interfaz interactiva para aplicar operaciones avanzadas como
puertos de conexión, celosías de chapa y puertos hidráulicos que se pueden
arrastrar directamente al diseño.
2.15 Navegador de modelado de piezas
El navegador muestra todas las operaciones que se usan para crear una pieza.
Las operaciones se enumeran en el orden en que se crearon. Además el
navegador muestra la carpeta ORIGEN en la parte superior de la lista que
contiene los planos: x, y, z, los ejes, y los centros predeterminados.
73
Figura 2.32: Navegador de modelado de piezas. Fuente Rebolledo 2010.
2.16 Tipos de archivos de inventor
Para maximizar la performance, Autodesk Inventor usa diferentes tipos de
archivos. Los modelos 3D de los ensambles son guardados en un tipo de archivo
diferente que los modelos 3D de las piezas. Los dibujos 2D pueden ser guardados
ya sea en los archivos del tipo IDW que son exclusivos de Autodesk Inventor o en
74
archivos DWG nativos de AutoCAD y son aceptados como un estándar de la
industria. Se incluyen 7 tipos de archivos compatibles con Autodesk Inventor.
Cada archivo es identificable por su icono y su extensión.
Figura 2.32: Tipos de archivos y sus respectivas extensiones. Fuente Rebolledo
2013.
75
Modelado y simulado del
fenómeno de fretting
● Definición de
simulación
●Biela
● Estudio
analítico
● Simulación en
SolidWorks
● Simulación en
Autodesk
Inventor
76
1. Definición de simulación
Simular, es reproducir artificialmente un fenómeno o las relaciones entrada-salida
de un sistema. Esto ocurre siempre cuando la operación de un sistema o la
experimentación en él son imposibles, costosas, peligrosas o poco prácticas,
como en el entrenamiento de personal de operación, pilotos de aviones, etc.
La simulación se utiliza en la etapa de diseño para auxiliar en el logro o
mejoramiento de un proceso o diseño o bien a un sistema ya existente para
explorar algunas modificaciones.
Se recomienda la aplicación de la simulación a sistemas ya existentes cuando
existe algún problema de operación o bien cuando se requiere llevar a cabo una
mejora en el comportamiento. El efecto que sobre el sistema ocurre cuando se
cambia alguno de sus componentes se puede examinar antes de que ocurra el
cambio físico en la planta para asegurar que el problema de operación se
soluciona o bien para determinar el medio más económico para lograr la mejora
deseada.
2. Comparación solución analítica y simulación
Una vez que se ha construido un modelo matemático, este debe ser analizado
para saber la manera como debe ser utilizado para que dé respuesta a las
preguntas de interés, acerca del sistema que supuestamente representa.
Si el modelo es lo suficientemente sencillo, es posible trabajar con cantidades y
relaciones que tiendan a la exactitud, obteniéndose entonces una solución exacta.
Sin embargo, aún las soluciones analíticas pueden ser extraordinariamente
complejas, requiriéndose de un considerable tiempo de cómputo.
Pero cuando el modelo es demasiado complejo, el modelo matemático asociado
es de las mismas características, por lo tanto la opción de utilizar una solución
analítica se desvanece, dando paso al estudio del sistema mediante simulación.
77
3. Comparación de simulación estática y dinámica.
Un modelo de simulación estática, se entiende como la representación de un
sistema para un instante (en el tiempo) en particular o bien para representar un
sistema en el que el tiempo no es importante, como es el caso del análisis de
tensión en autodesk inventor; en cambio un modelo de simulación dinámica
representa a un sistema en el que el tiempo es una variable de interés, por lo
tanto:
El Análisis de tensión es un complemento para los entornos de ensamblaje, pieza
y chapa.

El análisis estático proporciona los medios para simular la tensión, el
esfuerzo y la deformación.

El análisis modal proporciona los medios para encontrar las frecuencias
naturales de vibración y las formas de modo de los diseños mecánicos.
Puede visualizar los efectos en trazados de volumen 3D, crear informes para
cualquier resultado y llevar a cabo estudios paramétricos para perfeccionar el
diseño.
La simulación dinámica por otra parte, es un complemento solo para el entorno de
ensamblaje y con el podemos:

Predecir el rendimiento dinámico de un ensamble en movimiento con
distintas condiciones de entorno.

Calcular las tensiones máximas en prototipos antes de construirlos.
Ventajas y desventajas del uso de la simulación
Aunque la técnica de simulación generalmente se ve como un método de último
recurso, recientes avances en la metodología de simulación y la gran
disponibilidad de software que actualmente existe en el mercado, han hecho que
la técnica de simulación sea una de las herramientas más ampliamente usadas en
el análisis de sistemas. A continuación se presentan las siguientes ventajas:
• A través de un estudio de simulación, se puede estudiar el efecto de
cambios internos y externos del sistema, al hacer alteraciones en el modelo del
78
sistema y observando los efectos de esas alteraciones en el comportamiento
del sistema.
• Una observación detallada del sistema que se está simulando puede
conducir a un mejor entendimiento del sistema y por consiguiente a sugerir
estrategias que mejoren la operación y eficiencia del sistema.
• La técnica de simulación puede ser utilizada como un instrumento
pedagógico para enseñar a estudiantes habilidades básicas en análisis
estadísticos, análisis teórico, etc.
Introducción al análisis
La realización del análisis de una pieza o un ensamble en la fase de diseño
puede ayudar a sacar al mercado un mejor producto en menos tiempo, Con
software de diseño podemos:
Determinar si la pieza es los suficientemente fuerte para resistir vibraciones
cíclicas su daño a fatiga y su vida a fatiga.
Determinar si la pieza se puede rediseñar de manera más rentable y seguir
funcionando satisfactoriamente
Seleccionar el mejor material antes de construirlo.
Para este caso específico seleccionamos el análisis de una biela, aplicando un
estudio estático y simulación a fatiga para predecir su vida y daño a fatiga.
4. Biela
Se denomina biela a un elemento mecánico (barra rígida) diseñada para
establecer uniones articuladas en los extremos que sometido a esfuerzos de
tracción o compresión, transmite el movimiento articulando a otras partes de la
máquina.
Actualmente las bielas son un elemento básico en los motores de combustión
interna y en los compresores alternativos. Se diseñan con una forma específica
para conectarse entre las dos piezas, el pistón y el cigüeñal.
Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I, o +.
Desde el punto de vista tecnológico, una de las principales aplicaciones de
la biela consiste en convertir un movimiento giratorio continuo en a uno lineal
alternativo, o viceversa. La amplitud del movimiento lineal alternativo depende de
la excentricidad del operador al que esté unido. Este operador suele estar
asociado siempre a una manivela (o también a una excéntrica o a un cigüeñal).
79
Figura 3.1 Esquema de funcionamiento de la biela. Fuente Wikipedia.
4.1. Partes de la biela
Se pueden distinguir tres partes en una biela.

La parte trasera de biela en el eje del pistón, es la parte con el agujero de
menor diámetro, y en la que se introduce el casquillo a presión, en el que
luego se inserta el bulón, un cilindro o tubo metálico que une la biela con
el pistón.

El cuerpo de la biela es la parte central, está sometido a esfuerzos de
tracción-compresión en su eje longitudinal, y suele estar aligerado,
presentando por lo general una sección en forma de doble T, y en algunos
casos de cruz.

La cabeza es la parte con el agujero de mayor diámetro, y se suele
componer de dos mitades, una solidaria al cuerpo y una segunda postiza
denominada sombrerete, que se une a la primera mediante pernos.

Entre estas dos mitades se aloja un casquillo, cojinete o rodamiento, que es
el que abraza a la correspondiente muñequilla ó muñón en el cigüeñal.
80
Figura 3.2 Partes de la biela. Fuente Wikipedia.
4.2. Tipos de biela en función de la forma de su cabeza
En función de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete,
se pueden distinguir:

Biela enteriza: Es aquella cuya cabeza de biela no es desmontable, no
existe el sombrerete. En esos casos el conjunto cigüeñal-bielas es
indesmontable, o bien es desmontable porque el cigüeñal se desmonta en
las muñequillas.

Biela aligerada: Si el ángulo que forma el plano que divide las dos mitades
de la cabeza de biela, no forma un ángulo recto con el plano medio de la
biela, que pasa por los ejes de pie y cabeza, sino que forma un ángulo,
entonces se dice que la biela es aligerada.
4.3. Materiales de construcción.
Por lo general, las bielas de los motores alternativos de combustión interna se
realizan en acero templado mediante forja, aunque hay motores de competición
con bielas de titanio o aluminio, realizadas por operaciones de arranque de
material.
81
Figura 3.3 Fotografía de una biela real. Fuente Wikipedia.
5. Estudio analítico para el análisis estático
Una vez dibujada la pieza, se someterá a la condiciones de trabajo a las que se
enfrentara mientas el motor está trabajando.
Cálculos preliminares
Antes de comenzar a resolver el análisis, debemos tomar en cuenta las
consideraciones de trabajo a las que se somete el motor.
Sabemos que un motor con una cilindrada como la del diseño al que aplicaremos
usualmente una potencia de 44.7 Kw (60 hp) a 9000 rpm, con lo cual podemos
obtener el par máximo de la siguiente manera:
Ec. 3.1
Una vez obtenido el torque se procede a determinar las cargas F 1 que sería en
el peor de los casos, es decir, si llegara a realizar una preignicion, ya que la
carga seria axial.
Ec. 3.2
Además se calculo la carga F2 cuando el pistón se encuentra a la mitad de la
carrera.
82
Ec. 3.3
Haciendo el análisis del mecanismo para dicha posición obtenemos un ángulo
entre la biela y el cigüeñal de 75.52º, por lo tanto.
Ec. 3.4
Ec. 3.5
6. Procedimiento de Simulación de fatiga en biela.
Para el desarrollo de la simulación de este ejemplo de la biela se utilizaran dos
software de aplicación de SolidWorks y Autodesk Inventor.
Con estos dos software aplicaremos estudios estáticos, y simulación de vida y
daño a fatiga describiendo el proceso paso a paso.
83
7. Simulación de fatiga de la biela en Solidworks
7.1 Abrimos el software Solidworks. Vamos al menú inicio, todos los programas,
solidworks 2012. Nos abrirá la siguiente ventana donde tenemos que escoger que
tipo de proyecto haremos. (Pieza, Ensamble, Dibujo).
Figura 3.4 Cuadro de dialogo para seleccionar el tipo de proyecto que
deseamos comenzar. Fuente propia.
84
7.2 Dibujamos el croquis mostrado a continuación.
Figura 3.5 Croquis en 2D de la biela. Fuente propia
85
7.3 Una vez terminado, procedemos a extruir el croquis en dos direcciones (7 mm
a cada lado). Seleccionando los contornos mostrados en la imagen.
Figura 3.6 Cara seleccionada para extruir. Fuente propia.
7.4 Después de extruir nos quedara de este modo.
Figura 3.7 Figura extruida. Fuente propia.
86
7.5 Cambiamos la vista de la pieza a la cara frontal como se muestra en la
siguiente figura e insertamos un croquis y dibujamos la siguiente figura sobre la
cara seleccionada.
Figura 3.8 Coquizado sobre la cara frontal. Fuente propia.
87
7.6 Agregamos un redondeo con 5 mm de radio a las 4 esquinas del rectángulo.
Figura 3.9 Aplicación de redondeo. Fuente propia.
7.7 Sin cerrar el croquis seleccionamos la opción “Extruir-Corte” con una
profundidad de 5mm.
Figura 3.10 Vista isométrica del corte. Fuente propia.
88
7.8 Nos da como resultado la siguiente figura.
Figura 3.11 Vista después de extruir el corte. Fuente propia.
7.9 Insertamos un croquis en la cara frontal y realizamos el siguiente dibujo,
insertando un círculo, convirtiendo entidades de la pieza y dándole una relación de
tangencia al círculo externo con los arcos tres puntos.
Figura 3.12 Dibujo para la extrusión de la parte baja de la biela.
89
7.10 Seleccionamos los contornos mostrados en la imagen y procedemos a extruir
a 5 mm.
Figura 3.13 Selección de la parte que vamos a extruir.
7.11 Nos da como resultado.
Figura 3.14 Vista isométrica de la biela con la parte inferior ya extruida. Fuente
propia.
90
7.13 Realizamos la misma acción para el círculo superior, tomando en cuenta que
los dos círculos que se dibujan sobre este son concéntricos y que el de mayor
diámetro debe ser coradial con el radio de la parte superior de la pieza como se
muestra en la imagen, una vez dibujado el croquis procedemos a extruir 5 mm.
Figura 3.15 Extrusión de la parte superior. Fuente propia.
7.14 Agregamos un redondeo de 4 mm a las aristas mostradas en la imagen.
Figura 3.16 Aplicación de redondeo. Fuente propia.
91
7.15 Agregamos un redondeo de 2 mm a las aristas mostradas en la imagen.
Figura 3.17 Aplicación de redondeo. Fuente propia.
7.16 Procedemos a aplicar simetría de operaciones con respecto al plano alzado y
seleccionando todas las operaciones anteriormente realizadas con lo cual
obtenemos el siguiente resultado.
Figura 3.18 Aplicación de simetría. Fuente propia.
92
7.18 Por último insertamos un croquis en cualquiera de las dos caras inferiores
dibujamos un circulo con las acotaciones como se muestra en la imagen y
aplicamos simetría de croquis con respecto a la línea constructiva.
Figura 3.19 Coquizado parte inferior para extruir corte de orificios. Fuente
propia
7.19 Sin cerrar el croquis, seleccionamos Extruir corte por todo como se muestra
en la imagen.
Figura 3.20 Vista isometría del corte. Fuente propia.
93
7.20 Una vez terminada la biela debe verse así.
Para realizar el análisis
de fatiga, se debe tener
sucesos anteriores de los
cuales partir para que se
ejecute el estudio de
fatiga.
Figura 3.21 Pieza terminada. Fuente propia.
94
Análisis estático
7.21 Hacemos clic en simulación, en el menú principal de Solidworks en la parte
superior de la pantalla. Damos clic en asesor de estudios y elegimos nuevo
estudio.
Figura 3.22 Barra de herramientas principal de solidworks. Fuente propia.
7.22 En nombre escribimos algún título con el cual identificaremos el estudio que
procedemos a realizar “Análisis de F 2”. En tipo seleccione Estático y aceptamos.
Figura 3.23 Ventana de tipo de estudio. Fuente propia.
95
Asignación de materiales.
7.23 En el árbol de Solidworks Simulation manager, haga clic con el botón derecho
del ratón en la carpeta Biela (Nombre de la pieza) y haga clic en Aplicar/Editar
material.
Figura 3.24 Aplicación de material. Fuente propia.
96
7.24 Aparece el cuadro de dialogo material, donde escogemos de la lista el
material con el que queremos que se realice el estudio. En nuestro caso
utilizaremos el material de Aleación de aluminio 2024-0 con sus respectivas
propiedades mecánicas y físicas que se muestran al lado derecho del recuadro.
Hacemos clic en aplicar y cerrar.
Figura 3.25 Venta de propiedades de material. Fuente propia.
7.26 El material se asigna a la pieza y aparece una marca de verificación al lado
del icono de la pieza. Observe que el nombre del material asignado aparece al
lado de la pieza.
Figura 3.26 Material ya asignado en el árbol de operaciones. Fuente propia.
97
Aplicación de restricciones
7.28 Clic derecho en sujeciones y seleccionamos geometría fija.
Figura 3.27 Selección de Geometría fija. Fuente propia.
7.29 Se habilita un cuadro de dialogo, donde seleccionamos la pestaña tipo, más
abajo en Estándar seleccionamos geometría fija.
Figura 3.28 Selección de tipo de sujeción. Fuente propia.
98
7.30 Además seleccionamos las áreas donde hacen contacto los pernos y donde
se desea que mantenga la restricción y aceptamos.
Figura 3.29 Selección de caras a las que se aplicara geometría fija. Fuente propia.
7.31 Añadimos una sujeción seleccionando la opción Bisagra fija y seleccionando
el área en que la biela hace contacto con el cigüeñal.
Figura 3.30 Aplicación de restricciones de pasador. Fuente propia.
99
Aplicación de cargas
7.32 En el árbol de SolidWorks Simulation Manager, haga clic con el botón
derecho del ratón en la carpeta de cargas externas y seleccione fuerza.
Figura 3.31 Selección y aplicación de fuerzas. Fuente propia.
100
7.33 Aparece el Property Manager Fuerza/Torsión y para aplicar la F2y se
seleccionara la cara que hace contacto con el pistón, en seguida se activa la
opción Dirección Seleccionada y en Feautre Manager se selecciona el Plano
Planta. Por último se escribe el valor de la fuerza (1140.33 N) y si es necesario, se
activa la casilla invertir selección para que la fuerza quede hacia abajo. (Como
muestran las flechas moradas en el área de aplicación de la carga).
Figura 3.32 Selección de lugar donde se aplicara el componente de la fuerza en el
eje “y”. Fuente propia.
101
7.34 Para agregar la carga F2x (294.48) se repiten los pasos anteriores, pero con
las variaciones indicadas en la siguiente imagen.
Figura 3.33 Selección de lugar donde se aplicara el componente de la fuerza
sobre el eje “x”. Fuente propia.
102
Mayado del modelo y ejecución de resultados
7.35 En el árbol de estudio de simulación haga clic con el botón derecho del ratón
en el icono malla y seleccione crear malla y damos clic en aceptar. Y se
comenzara a ejecutar un mallado, inmediatamente después se ejecuta el
solucionador de resultados.
Figura 3.34 Aplicación de mallado. Fuente propia.
7.36 Expanda opciones seleccione (Ejecute (Solucione) el análisis).
Figura 3.35 Se cargan los estudios y se activa el solucionador. Fuente propia.
103
7.37 Terminan de cargarse la barra y se ejecutan los resultados.
Figura 3.36 Muestra de resultados. Fuente propia.
7.38 Una vez completada se muestran en el Feature Manager los resultados
obtenidos, los cuales se pueden observar haciendo doble clic sobre ellos.
En esta imagen se muestran los resultados obtenidos por default al realizar un
estudio estático, a continuación se muestran las imágenes de los resultados
obtenidos en cada uno.
Figura 3.37 Exploración de resultados. Fuente propia.
104
7.39 Para obtener los factores de seguridad en la pieza se selecciona la opción
Factor de seguridad en el submenú Nuevo trazado del menú Resultados en el
administrador de comandos.
Figura 3.38 Obtención del factor de seguridad. Fuente propia.
7.40 Nos da el siguiente resultado.
Figura 3.39 Muestra de resultados. Fuente propia.
105
Análisis de fatiga
7.41 Para realizar un análisis de Fatiga en SolidWorks primeramente es necesario
haber realizado un análisis estático, el cual se usara como “suceso” o “evento” al
realizar el análisis. Procederemos a realizar dicho análisis a la biela.
Creamos un nuevo estudio. Damos clic en Asesor de estudio y elegimos Nuevo
estudio. Ponemos un nombre al estudio si así lo queremos y en tipo
seleccionamos fatiga y aceptamos.
Figura 3.40 Selección del estudio de fatiga. Fuente propia.
106
7.42 SolidWorks Simulation crea un árbol de estudios de simulación, situado bajo
el arbol de diseño de Feature Manager. Y para agregar un suceso damos clic
derecho en la carpeta Carga y se selecciona Agregar suceso como se muestra en
la imagen.
Figura 3.41 Suceso agregado. Fuente propia.
7.43 A continuación, se muestra el siguiente menú en el Feature Manager:
Para este ejemplo, se establecen 1000 ciclos para comprobar el daño y los ciclos
de vida restantes después de mil ciclos de uso de la biela.
En tipo de carga seleccionamos con base en 0 ya que la carga va desde 1140 a
compresión hasta 0. Aceptamos y tenemos cargado el suceso en la carpeta
Cargas.
Ahora le damos el material para realizar el estudio. En el siguiente menú en el
Feature Manager, clic derecho en Biela (Nombre de la pieza), seleccionamos
Aplicar/Editar datos de Fatiga.
107
Figura 3.42 Selección de editar/aplicar datos de fatiga. Fuente propia.
7.44 A continuación se muestra el siguiente menú, en el cual se seleccionan las
características deseadas. Aplicamos y cerramos.
Figura 3.43 Selección de valores para el estudio de fatiga. Fuente propia.
108
7.45 Una vez agregado el suceso y la curva S/N del material, presionamos el
botón Ejecutar en el administrador de comandos, se ejecuta un cuadro de dialogo
del solucionador de resultados.
Figura 3.44 Solucionador en proceso. Fuente propia.
109
7.46 Solidworks realiza los cálculos necesarios para mostrar el daño y la vida
después del número de ciclos a las cargas indicadas. Lo cual genera los
siguientes resultados.
Figura 3.45 Análisis de daño a fatiga. Fuente propia
110
Figura 3.46 Análisis de vida a fatiga.
Como podemos ver, para dichas cargas y numero de ciclos, el daño por fatiga es
mínimo y como lo muestra la segunda figura, la vida de la pieza seria de un millón
de ciclos más.
111
7. Simulación de fatiga de la biela en Autodesk inventor
8.1 Abrimos el software de Autodesk Inventor, seleccionamos el sistema métrico o
ingles de medidas, (En este caso será el métrico), y seleccionamos pieza
estándar.ipt
Figura 3.47
8.2 Dibujamos el siguiente sketch. Con las medidas especificadas.
Figura 3.48
112
8.3 Procedemos a extruir el croquis en dos direcciones (7 mm a cada lado)
seleccionando los contornos mostrados en la imagen.
Figura 3.49
8.4 Cambiamos la vista de la pieza a frontal y sobre esa cara insertamos un
croquis y dibujamos lo siguiente.
Figura 3.51
113
8.5 Agregamos un redondeo de 5mm de radio en cada una de las esquinas del
rectángulo, y procedemos a extruir un corte de 5mm de profundidad.
Figura 3.50
8.6 Posteriormente insertamos un croquis y realizamos el siguiente dibujo en la
cara frontal para realizar una extrusión de 5 mm.
Figura 3.52
114
8.7 Nos da como resultado.
Figura 3.53
8.8 Realizar la misma operación para el circulo superior también se extruira 5mm.
Figura 3.54
115
8.9 Agregamos un redondeo de 4mm a las aristas marcadas en la imagen.
Figura 3.55
8.10 Aplicamos un segundo redondeo a las aristas mostradas en la imagen.
Figura 3.56
116
8.11 Aplicamos simetría de operaciones con respecto al plano “XY” y
seleccionamos las operaciones mencionadas en los puntos anteriores (extrusión
3, extrusión 4, empalme 1, empalme 2).
Figura 3.57
8.12 Obtenemos el siguiente resultado.
Figura 3.58
117
8.13 Por ultimo insertamos un croquis en el plano inferíos y dibujamos lo
siguiente.
Figura 3.59
8.14Seleccionamos extruir corte por todo como se muestra en la imagen.
Figura 3.60
118
8.15 Una vez terminada la biela tiene este aspecto.
Figura 3.61
119
Procedemos a realizar el análisis de fatiga utilizando los mismos datos utilizados
en SolidWorks.
8.16 Seleccionamos crear simulación en el menú principal.
Figura 3.62
8.17 Se despliega una ventana donde inicialmente realizaremos un análisis
estático y posteriormente el de fatiga.
Figura 3.63
120
8.17 En el árbol de Análisis estático. Asignamos material a la pieza.
Figura 3.64
8.18 Se abre una ventana donde escogemos el tipo de material con que queremos
realizar el estudio. Para este caso escogeremos el Aluminio 6061-AHC con sus
respectivas propiedades físicas y mecánicas mostradas en dicha ventana.
Figura 3.65
121
8.19 Aceptamos y cerramos. Veremos que se asigna el material seleccionado.
Figura 3.66
Aplicamos restricciones
8.20 Damos clic derecho en restricciones y seleccionamos restricción fija.
Figura 3.67
122
8.21 Seleccionamos las caras a las que aplicaremos esta restricción.
Figura 3.68
8.22 Hacemos el mismo paso anterior para aplicar la restricción de pasador en el
área mostrada.
Figura 3.69
123
Aplicación de cargas.
8.23 Seleccionamos cargas y en la ventana que aparece ingresamos los datos
que requerimos.
Figura 3.70
8.24 Seleccionamos vista de malla si queremos visualizar la pieza en este modo.
Figura 3.71
124
8.25 Procedemos a simular y obtener los resultados deseados.
Figura 3.72
8.26 Termina de cargarse y la barra y se ejecutan los resultados.
Figura 3.73
125
Podemos acceder a los otros estudios dando clic en el árbol de estudios.
8.27 Procedemos a realizar el análisis de fatiga seleccionando análisis de fatiga
del cuadro de dialogo siguiente.
Figura 3.74
8.28 Los datos de análisis anterior se cargan para este estudio y procedemos a
simular.
Figura 3.74
126
8.29 Nos da los siguientes resultados.
Figura 3.75
8.30 Para la vida a fatiga
Figura 3.76
Así finalizamos el estudio de fatiga en Autodesk Inventor.
127
Conclusiones
En este trabajo concluimos que el fretting fatiga es una de las principales causas
de falla de piezas de maquinas que están sometidas a cargas cíclicas de amplitud
variable y que fallan con tensiones menores a las que pueden soportar.
Utilizando solidworks o autodesk inventor nos da resultados muy similares y el
funcionamiento y manejo de ambo es muy parecido así que lo mas recomendable
es especializase en solo uno para poder explotar todas sus funciones ya que para
ambos son muy bastas.
En ambos caso el daño a fatiga fue mínimo y la vida mínima de de la pieza seria
de muchos más ciclos.
128
Recomendaciones
En ambos software se debe hacer un análisis estático antes de hacer el análisis
de fatiga.
Los parámetros deben estar correctamente definidos par que el estudio sea
correcto.
Es necesario, pero no indispensable, tener un poco de conocimiento acerca de
diseño mecánico para poder utilizar estos tipos software y así poder aprovechar
todas sus funciones.
129
Bibliografía
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Xalapa, Ver.
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componentes a componentes recubiertos. Tesis. Escuela técnica superior de
ingenieros. Sevilla.
M. Tur, E. Giner, A. Roda, J. Fuenmayor 2003. Análisis de la interacción GrietaContacto en ensayos de fretting fatiga. Valencia.
Navarro Pintado 2007, Fatiga por fretting en metales: Modelos de predicción.
Artículo de 8ocongreso iberoamericano de Ingeniería Mecánica. Valencia
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revista-
Relación de páginas web consultadas.
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http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_biela.htm
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