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Diseño a Cargas de Impacto. Do you know as mechanical engineering students: which is the most severe of dynamic loads? when a dynamic load can be considered.

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Presentación del tema: "Diseño a Cargas de Impacto. Do you know as mechanical engineering students: which is the most severe of dynamic loads? when a dynamic load can be considered."— Transcripción de la presentación:

1 Diseño a Cargas de Impacto

2 Do you know as mechanical engineering students: which is the most severe of dynamic loads? when a dynamic load can be considered static, dynamics or impact load? What methods allow to design with impact loads? As to resolve impact design cases? ….. Rhetorical questions

3 Objetivo Estudiar el tipo de carga dinámica más severa, impacto, el diseño teórico y el empírico, a partir de los fundamentos teóricos del impacto. Con los fundamentos teóricos se desarrollan modelos que nos permitan mejorar el desempeño de sistemas sujetos a este tipo de cargas, visualizando la incidencia de cada variable, mientras que con los empíricos se visualiza el efecto global, no se puede optimizar Diseño al impacto

4 Introducción Definición de Impacto, Características, tipos Capacidad de absorción de energía de Impacto en los materiales Modelación teórica del impacto axial Modelación teórica del impacto flexional Modelación teórica del Impacto Torsional Factores empíricos para diseñar a impacto Ejemplos de simulaciones con herramientas CAE Estructura del Módulo

5 Antecedentes En los apartados anteriores se estudió el diseño a carga estática, el diseño para estabilidad y el diseño a fatiga. En esta parte se estudiará como analizar y diseñar componentes sometidos a cargas de impacto, en los cuáles más importante que tener resistencia estática es tener capacidad de absorción de energía. Justificación Debido a que el Ingeniero Mecánico es el profesional comprometido con el diseño, operación y mantenimiento de máquinas y sist. Mcos., los cuales implican movimiento y la acción de cargas dinámicas como las de impacto, es vitalmente importante para él, adquirir los fundamentos para poder diseñar máquinas que puedan trabajar fiablemente bajo la acción de estas cargas Introducción

6 Ejemplos de sistemas sometidos a impacto Dentro de los sistemas mecánicos son muchos los ejemplos de los que trabajan a impacto: Mecanismo de cigüeñal, biela pistón de un motor de combustión que cada dos vueltas experimenta una onda de choque como resultado de la combustión Martillos neumáticos Sistemas de hincado de pilotes por gravedad Parachoques y otras partes de automóviles Punzonadoras, estampadoras, etc. Chasis y Parachoques de un Automotor Otros con impacto no explícito (dC/dt alto) Introducción

7 Fundamentos

8 Definición Se considera que una carga es de impacto cuando su tiempo de aplicación y/o variación es menor a 1/2 del período natural de vibración del sistema a diseñar. Si es mayor que 3 T n, entonces es estática; mientras entre estos dos valores (Z. Gris) Definición y características de las cargas de impacto

9 Dificultades e incertidumbres en impacto Poco o ningún conocimiento de las velocidades de aplicación de las cargas y dificultades para la evaluación de su magnitud especialmente si son el resultado de colisiones. Definición y características de las cargas de impacto

10 En los sistemas mcos. son más comunes las cargas dinámicas que las estáticas, estando dentro de ellas las de impacto. Las Cargas de Impacto se clasifican así: TIPOS. De menor a mayor severidad Cargas que se mueven rápidamente y de magnitud constante (sistemas de guiado lineal en robótica, puentes, etc.) Cargas repentinas o súbitas (motores de combustión interna, punzonadoras, etc.) (dC/dt alto) Cargas de choque. Implican colisión y absorción de energía cinética (Piloteadoras, remachadoras neumáticas, forjadoras de gravedad, etc.) Características

11 Capacidad a Impacto de Mats

12 Características de los materiales para trabajo a impacto Algunos elementos especialmente los sometidos a impacto como los sistemas de suspensión de los automóviles requieren materiales con capacidad de absorción de energía más que con resistencia estática. Esta capacidad de absorción de energía está relacionada con la capacidad de absorber cargas y deformarse, es importante por tanto una gran área bajo la curva vs. Resiliencia. Es la capacidad que tiene un material por unidad de volumen de absorber energía dentro del rango elástico. Tenacidad. Capacidad por unidad de vol. que tiene un material de absorber energía tanto en el rango elástico como en el plástico. Capacidad de Absorción de Energía de Impacto en los materiales

13 Capacidad energética de un Material RmRm TmTm Statically loaded components must be designed to carry loads. Parts subjected to impact must be designed to absorb energy.

14 Modelación Teórica del Impacto

15 Dificultades Dadas las dificultades enunciadas en cuanto a la determinación exacta del comportamiento de las cargas en el tiempo y qué porción de la energía asociadas a ellas absorbe el elemento; es necesario el uso de factores empíricos de impacto determinados experimentalmente en conjunto con las propiedades del material para realizar el diseño. Limitaciones del uso de factores empíricos Aún en el caso de ser una buena práctica, el uso de estos factores empíricos a partir de tablas, ocultan para el diseñador la incidencia de las diferentes variables que determinan el comportamiento al impacto, presentándose limitaciones para la realización de optimizaciones. (Ejemplo pala minera) Uso de los modelos teóricos Complementan el uso de los factores empíricos facilitando la optimización, ya que nos permiten visualizar la incidencia aproximada de las diferentes variables Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto

16 Ejemplo de los factores empíricos Las partes del sistema de suspensión están sometidas a impacto y para su diseño los fabricantes de automóviles utilizan factores empíricos que cuadriplican las cargas estáticas para prevenir las fallas debidas a las mismas (K iR =4). Hipótesis (conservadoras) En el modelado se considerará como apreciable la masa e infinitamente rígido el sistema impactante, se considerará como totalmente elástico el sistema impactado y se despreciarán los efectos disipativos Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto

17 Impacto Axial. Piloteadoras, Remachadoras neumáticas Impacto Flexional. Bastidores o Chasises de automóviles Impacto Torsional. Taladros, esmeriles Tipos de carga de Impacto según los esfuerzos que generan

18 Figure 7.1 (p. 267) Three levels of impact loading produced upon instantaneous release of mass m. Fundamentals of Machine Component Design, 4/E by Robert C. Juvinall and Kurt M. Marshek Copyright © 2006 by John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. The dashpot in figure 7.1a results in a gradual application of the load. If the load is applied slowly enough, it can be considered static. This is determined by comparing the time required for applying the load with the natural period of vibration of the undamped mass on a spring.

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20 Modelo simplificado para cargas de valor constante y aplicación gradual Modelo simplificado-cargas de aplicación súbita Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto

21 Modelos simplificados para cargas de Impacto Se determinarán factores teóricos de impacto para los diferentes tipos de cargas de impacto Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto

22 Modelación Impacto Axial

23 Impacto Axial En primer lugar se pretende determinar el factor teórico a partir de modelos energéticos para la más severa de las cargas de impacto Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto III H i Consecuencias de las Hipótesis Si m sist <

24 Impacto Axial Consecuencias de las hipótesis Si los factores disipativos son despreciables, la energía absorbida por el sistema a diseñar será superior así como los esfuerzos equivalentes frente a los reales. En general las hipótesis consideradas, nos llevan a expresiones teóricas para los esfuerzos medios que en la práctica son más conservadoras que los valores medios reales; no obstante, no ocurre lo mismo para los esfuerzos locales reales que son superiores a los teóricos, es importante reconocer esta limitación que no minimiza la importancia de los análisis teóricos para la optimización de los diseños. Modelado simple para los diferentes tipos de cargas de Impacto

25 Desarrollo de los modelos Modelado simple para Impacto axial Objetivo: Obtener el Ki por modelos energéticos

26 Desarrollo de los modelos Para impacto horizontal se incluirá V i Modelado simple para Impacto axial

27 Desarrollo de los modelos Capacidad de un elemento de soportar impacto axial (Esfuerzo equivalente, energía total, etc.). Modelado simple para Impacto axial Se puede reducir la carga percibida por el sistema ante una cantidad de energía a absorber, bajando rigidez

28 Efecto del concentrador (impacto) Estudiar las ecuaciones de energía asociada a deformación Flexional

29 El efecto del concentrador sobre el factor de seguridad en relación con la capacidad unitaria de absorber energía es inversamente proporcional al cuadrado del concentrador Efecto de los concentradores de Esfuerzo bajo impacto Es importante minimizar los concentradores ante cargas de impacto Radios generosos

30 Estudiar modelos para impacto flexional y Torsional de Juvinall y de Timoshenko Trabajo

31 Caso de Impacto Flexional

32 El sistema mostrado consiste en una viga simplemente apoyada sobre resortes deformables y sobre ella actúa una carga de choque directo generada por la caída de una masa de 100 lb.; analice y compare los resultados obtenidos entre apoyos rígidos y deformables Impacto Flexional H M=100 lb Pino blanco E=10 6 lb/in 2 Su=6 Klb/in 2 ri fli 1 5/8 3 5/8 K (R)= 50 lb/in 60 Falla no Falla?

33 Razonamiento: Considerando que el sistema está dentro del rango elástico el sistema tiene un comportamiento lineal tal como el del resorte De manera que por analogía con el modelo axial se puede determinar el factor de impacto con y sin resortes, si se desprecia trabajo inicial de deformación realizado por el peso de la viga Impacto Flexional

34 Por lo tanto, los resortes y la viga se comportan como muelles en serie Ec. stFL =(P est L 3 )/(4EI)= P est * ((L 3 )/(4EI))=P/K Flex La deformación flexional en el centro de una viga simple apoyada, es similar a un modelo de resorte

35 El stFL para una simple apoyada viga con carga centrada es: stFL =(P est L 3 )/(4EI)=0.07 dado que L, E e I son constantes, el comportamiento de la deflexión es lineal con la carga; por ello se puede emplear la misma expresión stRL =(P est L)/(AE)=0,5, entonces stT(R) =0.57 En cambio sin resortes stT(SR) =0.07 De manera que el coeficiente de impacto con resortes es Ki (R) =7.56 Y la deformación total con impacto es: iT(R) =Ki (R) * stT(R) =7.56*0.57=4.31 Impacto Flexional

36 De manera que el coeficiente de impacto sin resortes es Ki (sR) =18,54 El esfuerzo sobre la viga en impacto con resortes es: i(R) =(P i(R) L/4)C/(I); I=6.46 pulg 4 entonces i =3181,7 lb/in 2 no fallaría Ahora el esfuerzo sin resortes sería i(sR) =(P i(SR) L/4)C/(I)=7804 lb/in 2, fallaría > Su=6 Klb/in 2

37 Impacto Flexional Mientras que el esfuerzo estático es: est =(Pest*L/4)/I= lb/in 2 La diferencia entre con resortes y sin resortes es casi de un 2,56 veces; mientras que en relación con el esfuerzo estático con resortes la relación sería 2,61 y sin resortes es Este problema ilustra y justifica el uso de las suspensiones en los automotores.

38 Modelación del Impacto Torsional

39 Analogía entre el Impacto Torsional y el Axial LinealTorsional : deflexión en m ó pulg. : deflexión angular en radianes F st : fuerza estática en N ó lbT: par de torsión (m-N ó pulg. lb) m: masa en kg ó lb s 2 /pulgJ: inercia polar en kg-m 2 ó lb.s 2 /pulg.pulg 2 V: velocidad de impacto ms -1 ó pie/s : velocidad angular rad/s

40 Caso de Impacto Torsional

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44 En este sistema la energía aportada para mantener en estado estable y esmerilar es baja comparada con U Kdisc

45 Factores Empíricos de Impacto

46 Factores Empíricos Factor de Impacto Tomado: Zimmerman

47 Diseño estático y a fatiga con impacto

48 Casos de Modelación de Impacto Herramientas CAE

49 Proyectil - aeronave

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51 Movie of Stresses

52 Close-up Comparison Entrance Side 5.6 In. Max.

53 Close-up Comparison Exit Side 6.0 In. Max.

54 Estudio Análisis de falla tolva

55 Impacto en chasises

56 Balance de energía

57 Energía por deformación

58 V 2 · dx 2·G ·S L f c · U = F 2 · dx 2 · S ·E L + M 2 ·dx 2·E·Iz L + T 2 · dx 2·G ·Ip L f T · +


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