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Análisis del factor de intensidad de tensiones en un eje con una fisura de frente recto

De
169 pages

Uno de los parámetros que estudia la Mecánica de Fractura Lineal Elástica (LEFM) es el Factor de Intensidad de Tensiones K (FIT) en el frente de fisura, y de cómo éste se puede aplicar como parámetro de fractura ya tiene una relación directa con la vida útil de elementos trabajando a fatiga. En este proyecto, basándonos en los conocimientos adquiridos, se va a proceder a analizar numéricamente la evolución del FIT en un eje fisurado de frente recto dependiendo de uno de los parámetros característicos de las fisuras, la profundidad "a", así como comparar de qué modo afecta el tipo de contacto que se define en las superficies de contacto cuando la fisura se encuentra cerrada. Debido a la tipología del problema, el Factor de Intensidad de Tensiones que se va a analizar es KI (Factor de Intensidad de Tensiones de modo I, fractura a tracción). El desarrollo del proyecto se realiza con el código comercial de Método de Elementos Finitos, utilizando el programa ABAQUS, que nos permite calcular el FIT de una manera rápida y observar una correlación con los resultados que se esperan obtener. _______________________________________________________________________________________________________________
One of the parameters that studies the linear elastic fracture Mechanics (LEFM) is the stress intensity factor K (FIT) in the crack front, and how it can be applied as parameters of fracture and has a direct relationship with the lifetime of working elements fatigue. In this project, basing on the knowledge acquired, it will proceed to analyze numerically the evolution of the FIT in a cleft of straight front axle depending on one of the characteristic parameters of the fissures, the depth "a", so as to compare way affects the type of contact as defined in the contact surfaces when the crack is closed. Due to the typology of the problem, the stress intensity factor to be analyzed is KI (Stress Intensity Factor of mode I, tensile fracture). The project development is performed with the commercial code Finite Element Method, using the ABAQUS program, which allows us to calculate the FIT of a fast and observe a correlation with the results to be obtained.
Ingeniería Técnica en Mecánica
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Departamento de Ingeniería Mecánica





PROYECTO FIN DE CARRERA





ANÁLISIS DEL FACTOR DE
INTENSIDAD DE
TENSIONES EN UN EJE CON
UNA FISURA DE FRENTE
RECTO






Titulación: Ingeniería Técnica Industrial Especialidad Mecánica
Autora: Mercedes Novella Pastor
Tutora: Mª Lourdes Rubio Ruiz de Aguirre
Cotutora: Patricia Rubio Herrero


Leganés, Junio de 2012


Título: Análisis del Factor de Intensidad de Tensiones en un eje con
una fisura de frente recto.
Autor:
Director:





EL TRIBUNAL



Presidente:


Vocal:


Secretario:




Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el día __ de _______
de 20__ en Leganés, en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad Carlos III de
Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIÓN de






VOCAL







SECRETARIO PRESIDENTE











Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto



Agradecimientos
Mi más sincero agradecimiento a todas aquellas personas que me han
acompañado a través de este largo camino de aprendizaje.
A mis tutoras María Lourdes y Patricia por haberme dado la oportunidad de
finalizar mi formación en el Departamento.
A mis padres, Saturnino y Mercedes que siempre confiaron en mí a la hora de
llevar a cabo un propósito tan difícil como es el trabajar y estudiar estando
independizada. Gracias a ellos aprendí el valor de la perseverancia, la lucha y el
esfuerzo para conseguir lo que cada uno se propone.
A mi hermano Luis Alberto, que me ha acompañado en parte de este recorrido,
sobre todo en la última etapa en la que nos pasábamos días y días estudiando y que para
relajarnos nos echábamos partidas de Risk interminables. Gracias a él mis últimos años
fueron más llevaderos.
A mis eternos Carmen y Javi, con los que compartí mis dos primeros años
universitarios desde que nos conocimos en un banco junto a la cafetería de Aeronáutica,
y que por motivos de la vida cada uno siguió una carrera universitaria diferente (Plan A
o Plan B), pero que no fue motivo suficiente para no seguir unidos. Pasaran muchos
años más juntos “reinventándonos”.
A Beatriz, que tanto me ha facilitado en mi carrera profesional ayudándome a
compaginar trabajo y estudios, y que tanto me ha aguantado en mi vida personal,
aceptando mis defectos y reconociendo mis virtudes, así como escuchando horas y
horas los entresijos de una carrera desconocida para ella, lamentos de sextas
convocatorias y demás preocupaciones referentes a estos años de estudios. Siempre ha
estado en los peores momentos, teniendo las palabras adecuadas en las charlas de
desánimo y desesperación.

Agradecimientos Página I
Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto

A Gabbana por estar esperándome siempre que abro la puerta de casa,
mirándome con sus ojos azules.
A esas tres estrellas que brillan en el cielo y que desde allí me han dado fuerza y
coraje para seguir y conseguir mi propósito. Decirles que jamás les recuerdo porque
nunca les olvido.








Dedicado a Dolce.





Agradecimientos Página II
Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto



Resumen
Uno de los parámetros que estudia la Mecánica de Fractura Lineal Elástica
(LEFM) es el Factor de Intensidad de Tensiones K (FIT) en el frente de fisura, y de
cómo éste se puede aplicar como parámetro de fractura ya tiene una relación directa con
la vida útil de elementos trabajando a fatiga.
En este proyecto, basándonos en los conocimientos adquiridos, se va a proceder
a analizar numéricamente la evolución del FIT en un eje fisurado de frente recto
dependiendo de uno de los parámetros característicos de las fisuras, la profundidad "a",
así como comparar de qué modo afecta el tipo de contacto que se define en las
superficies de contacto cuando la fisura se encuentra cerrada. Debido a la tipología del
problema, el Factor de Intensidad de Tensiones que se va a analizar es K (Factor de I
Intensidad de Tensiones de modo I, fractura a tracción).
El desarrollo del proyecto se realiza con el código comercial de Método de
Elementos Finitos, utilizando el programa ABAQUS, que nos permite calcular el FIT de
una manera rápida y observar una correlación con los resultados que se esperan obtener.

Palabras claves: Eje fisurado, Factor de Intensidad de Tensiones, Métodos Numéricos.


Resumen Página III
Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto



Abstract
One of the parameters that studies the linear elastic fracture Mechanics (LEFM)
is the stress intensity factor K (FIT) in the crack front, and how it can be applied as
parameters of fracture and has a direct relationship with the lifetime of working
elements fatigue.
In this project, basing on the knowledge acquired, it will proceed to analyze
numerically the evolution of the FIT in a cleft of straight front axle depending on one of
the characteristic parameters of the fissures, the depth "a", so as to compare way affects
the type of contact as defined in the contact surfaces when the crack is closed. Due to
the typology of the problem, the stress intensity factor to be analyzed is K (Stress I
Intensity Factor of mode I, tensile fracture).
The project development is performed with the commercial code Finite Element
Method, using the ABAQUS program, which allows us to calculate the FIT of a fast and
observe a correlation with the results to be obtained.

Keywords: Shaft cracked, Stress Intensity Factor, Numerical Methods.



Abstract Página IV
Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto



Índice general
Capítulo 1 Introducción, antecedentes y objetivos…………………………………...1
1.1 Antecedentes históricos..…………………………………………………………….1
1.2 Estudio de ejes fisurados…………………………………………………………….4
1.2.1 Conceptos básicos de MFEL…………...……………………..………………5
1.2.2 Caracterización del crecimiento de fisura………...…………………………..6
1.3 Objetivos…………………………………………………………………………..…8
1.4 Organización del documento…………………………………………………….…..9
Capítulo 2 Análisis numérico…...........................................................................11
2.1 Método de Elementos Finitos………………………………………………………11
2.2 Introducción a ABAQUS…………………………………………………………...12
2.3 Modelo de eje fisurado………………………………………………………..……14
2.3.1 Geometría del modelo…………………………………………………….…14
2.3.2 Propiedades del material.………………………………………………….…16
2.3.3 Apoyos………….……………………………………………………………16
2.3.4 Cargas que actúan……..…………………………………………………..…16
2.3.5 Parámetros de fisura….………………………...……………………………17
2.3.6 Contactos……………………………………………………………….……20
2.3.6.1 Definición de los contactos en el ámbito de ABAQUS……..…………20
Índice general Página V
Análisis del FIT en un eje con una fisura de frente recto

2.3.6.2 Contacto tipo “Frictioness”……………………………….…………….21
2.3.6.3 Contacto tipo “Penalty”……………………………….……..…………21
2.3.6.4 Contacto tipo “Rough”……………………………….…………………22
Capítulo 3 Análisis y resultados…………………………….………………….…….23
3.1 Fisuras para α < 0.5………………………………….………………..…..………27
3.1.1 Cálculos para la situación de fisura abierta……………………………...…27
3.1.1.1 Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.1………………27
3.1.1.2 Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.25……………29
3.1.1.3 Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.5….………….31
3.1.2 Cálculos para la situación de fisura cerrada ………..………....………….…33
3.1.2.1 Mod1.Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.1………33
Modelo de contacto “Fricctionless”………………...………………….………33
Modelo de contacto “Penalty”……………………………………………….…34
Modelo de contacto “Rough”………………………………………………..…35
Extensión del modelo para α = 0.25……………………………………………36
Extensión del modelo para α = 0.5………………………………………..……39
3.1.2.2 Mod2.Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.25……...42
Modelo de contacto “Fricctionless”……………………………………….……42
Modelo de contacto “Penalty”…………………………………………….……43
Modelo de contacto “Rough”…………………………………………………..43
Extensión del modelo para α = 0.1……………………………………………..45
Extensión del modelo para α = 0.5……………………………………………..48
3.1.2.3 Mod3.Cálculos para la longitud característica de fisura α = 0.5…....….50
Modelo de contacto “Fricctionless”…………………………………………….51
Índice general Página VI