Ansys Mechanical: Estudios de fatiga basada en frecuencia usando Análisis Armónico
Muchos componentes y sistemas que nos rodean están sujetos a cargas cíclicas. Estas fluctuaciones o cargas armónicas pueden hacer que se formen micro fisuras y se unan para causar fallas por fatiga. En tales casos, la falla catastrófica puede ocurrir sin previo aviso. Incluso a un nivel de tensión mucho más bajo que el requerido para causar la fluencia de los componentes. Para aumentar la confiabilidad de los productos, es muy importante estudiar la vida de fatiga de los componentes.
En este blog discutiremos cómo podemos usar la herramienta de fatiga del Ansys Mechanical para determinar la vida a fatiga y el daño causado por cargas armónicas empleando como ejemplo un sistema de cargas cíclicas en un soporte estructural sometido a vibración.
En términos generales, en Ansys Mechanical el análisis de fatiga se puede realizar utilizando varios métodos. Incluidos los métodos de Vida por Esfuerzos (Stress-Life) y el de Vida por Deformación (Strain-Life). Los métodos de fatiga mediante análisis armónicos se basan en el método de vida por esfuerzos. Aunque el Ansys Mechanical tiene diferentes métodos y enfoques para estudios a fatiga, en este artículo solo se hará enfoque en aquellos producidos por fatiga armónica.
El método de vida por esfuerzo, también conocido como Método S-N, supone que el daño es causado por tensiones fluctuantes, también conocidas como Esfuerzos Alternantes. Este método es adecuado para aplicaciones de baja tensión y alto ciclo ya que no consideran efectos de la plasticidad. Así, en el caso de materiales dúctiles, la falla por fatiga se produciría normalmente cuando se someten a más de 100.000 ciclos. La vida de fatiga de un material se caracteriza por el rango de esfuerzo alternante y las curvas de vida a tensión S-N. Esta curva S-N, no es más que un gráfico del rango de esfuerzo o tensión alterna (S) frente a los ciclos totales hasta la falla (N), y es usualmente obtenida a través de pruebas experimentales.
Los análisis de fatiga dentro del Ansys Mechanical se realizan con apoyo de un módulo incorporado llamado “Fatigue Tool”. En este habrá diferentes comandos y modelos de ajuste asociados al calculo normal de estudios de fatiga. Es importante entender que los resultados de fatiga deben hacerse por comparación de un estado de esfuerzos calculados a partir de la simulación, usualmente se utiliza el Esfuerzo Equivalente von Misses de un análisis estático estructural contra aquel definido de forma experimental en la curva S-N. Sin embargo, para el estudio de análisis armónicos, este no es el caso.
El análisis armónico se realiza en el dominio de la frecuencia, pero generalmente es muy común medir la vida en el dominio del tiempo. Por lo que se necesitan dos parámetros para realizar una conversión adecuada entre dichos dominios: la duración de la exposición y la frecuencia de ocurrencia de cada escenario de carga. Ambos parámetros pueden ser incorporados en Ansys Mechanical para efectos de realizar la conversión dentro de la herramienta de fatiga, e incluso se tiene la ventaja que puede hacerse el estudio deseado para una frecuencia particular, o más completo aún como un barrido para un rango de frecuencias.
Usualmente, los resultados de vida a fatiga se reportan en número de ciclos máximos que la pieza puede soportar, pero cuando se trata de fatiga armónica se reportan en segundos. Esto porque puede resultar confuso interpretar resultados expresados en ciclos de vida resultante y hacer su correlativo con la frecuencia de la ocurrencia del estado de carga (que se expresa en ciclos/segundo). A frecuencias altas ocurrirán más ciclos en un segundo, mientras que frecuencias bajas, por consecuencia aportarán menos; por consecuencia, la cantidad de ciclos de ocurrencia afectará proporcionalmente la vida a fatiga del elemento.
De modo tal, los gráficos de daño por fatiga armónica son gráficos de contorno en ciclos por segundo (Hz) que muestran la vida útil de diseño dividida por la vida útil disponible. Daños superiores a 1 indican que la pieza fallará durante la exposición dada.
Considerando que la vida a fatiga infinita en las curvas S-N usualmente se reporta para rangos máximos entre 106 y 108 ciclos, es importante tener en cuenta que valores de carga en sistemas de alta frecuencia pueden tener una incidencia importante cuando se realizan comparaciones por debajo del esfuerzo de vida infinita si la curva no se define adecuadamente para grandes rangos.
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