Cálculo del factor de Concentración de esfuerzos, utilizando SOLIDWORKS

La concentración de esfuerzos es ocasionada por
los cambios abruptos en la geometría del material, que
puede ser por filetes y orificios generalmente. Otras formas de
concentrar los esfuerzos puede ser la discontinuidad en el
material (inclusiones), los esfuerzos residuales, las soldaduras,
el trabajo en frio. Es importante estudiar la
concentración de esfuerzos porque un incremento
traerá como resultado una falla en el material. Los
métodos para calcular la concentración de esfuerzos
son;

• el método analítico usando la
  Teoría de la elasticidad,

• el método Numérico usando el
  método de elemento finito y

• experimentalmente usando muy pequeñas galgas
  extenciométricas y por fotoelasticidad.

A continuación estudiaremos el método de
cómo obtener la gráfica que nos servirán
para describir cómo se comporta el factor de
concentración de esfuerzos Kt en una placa con
filetes, con una sujeción en un extremo y una carga axial
en el otro extremo. Los resultados obtenidos son independientes
del tamaño del elemento y del material utilizado; solo
depende de las razones de los parámetros involucrados, es
decir, de las razones r/h y H/h. El esfuerzo máximo
smax es obtenido mediante el método de elemento
finito utilizando el software SOLID WORKS. Para calcular el
esfuerzo promedio sprom=P/A utilizamos la carga
axial P entre área en la sección
crítica. Para obtener el factor de concentración de
esfuerzo Kt dividimos el smax entre el
sprom. Deberá de considerarse que este
procedimiento es válido solo cuando el smax no
exceda el límite de proporcionalidad del
material.

La barra plana está sometida a una carga axial
P=10000N, tiene 20 cm de largo, un espesor t=1 cm, Se desea
calcular el factor de concentración de esfuerzos. El
material que se escogió es un acero de bajo carbono
AISI 1020

CASO (H/h=2)

–Simulación H/h=2, r=0.0025m

-Simulación H/h=2, r=0.005m

-Simulación H/h=2, r=0.010m

-Simulación H/h=2, r=0.015m

-Simulación H/h=2,
r=0.020m

Gráfica del comportamiento de Kt con
respecto r/h para una relación
H/h=2

CASO (H/h=1.25)

Simulación H/h=1.25, r=0.00125m

Simulación H/h=1.25, r=0.00250m

Simulación H/h=1.25, r=0.00375m

Simulación H/h=1.25, r=0.00500m

Simulación H/h=1.25, r=0.00625m

Gráfica del comportamiento de Kt con
respecto r/h para una relación
H/h=1.25

Gráfica del comportamiento de Kt con
respecto r/h para una relación H/h=2 y
H/h=1.25

Conclusión

Los cambios en la geometría de una
pieza ocasionados por "cuñeros", anillos de
retención ó chaflanes, concentran los esfuerzos
provocando falla en las piezas mecánicas. En la
gráfica podemos observar que entre más grande sea
el radio, los valores del esfuerzo máximo y el factor de
concentración de esfuerzos se reducen. A la vez,
encontramos que la aplicación de software como SOLID
WORKS, facilitan la obtención del factor de
concentración de esfuerzo.

Bibliografía

• Beer Ferdinand P., Mecánica de
  Materiales, Mc. Graw Hill

• Chandrupatla Tirupathi R., Introduction to finite
  element in Engineering

• Daryl L. Logan, A frist course in the Finite element
  method

• Mott Robert L. , Diseño de
  Elementos de Máquinas, Editorial Pearson

Autor:

MC. Raúl Acosta
Landín

MC. Gildardo García
Vela

Profesores del Instituto Tecnológico
de Nuevo León

Adscritos al Depto. de Ingeniería
Electromecánica