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ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL DE ZARAGOZA PROYECTO FIN DE CARRERA “ANÁLISIS DE UNIONES SOLDADAS DE COMPONENTES DE SEMIRREMOLQUE PARA LA PREDICCIÓN DE FALLO FRENTE A FATIGA” ESPECIALIDAD: MECÁNICA ALUMNO: LUIS MÁÑEZ DIRECTORES DR. MARCO CARRERA ALEGRE DR. JAVIER ABAD BLASCO INDICE 1. OBJETIVOS Y ALCANCE _____________________________________________pág.6 2. MARCO DEL PROYECTO_____________________________________________pág.7 3. PLAN DE TRABAJO Y METODOLOGIA_________________________________pág.8 4. MATERIAL Y METODOS TEORICO-EXPERIMENTALES__________________pág.9 4.1. EL MEF, DESARROLLO DE MODELOS TEORICOS___________________pág.9 4.1.1. TEORIA. EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS____________pág.9 4.1.2. DESARROLLO DE MODELOS_________________________________pág.17 4.1.3. MODELOS MEF REALIZADOS_________________________________pág.18 4.1.3.1. RESULTADOS NUMERICOS DE TENSION V.M.__________pág.20 4.2. METODOS EXPERIMENTALES____________________________________pág.23 4.2.1. ANALISIS DE DUREZA._______________________________________pág.23 4.2.1.1. INTRODUCCION TEORICA.___________________________pág.23 4.2.1.1.1. ENSAYOS DE DUREZA ________________________pag.23 4.2.1.1.2. ZAT__________________________________________pág.33 4.2.2. ANALISIS DE FATIGA________________________________________pág35 4.2.2.1. INTRODUCCION TEORICA____________________________pág.35 4.2.2.2. ENSAYOS DE FATIGA________________________________pág.39 4.2.3. ANÁLISIS MODAL___________________________________________pág.45 4.2.3.1. INTRODUCCION TEORICA____________________________pág.45 4.2.3.2. PROCEDIMIENTO GENERAL DEL ENSAYO MODAL EXPERIMENTAL________________________________________pág.50 5. ENSAYO DE DUREZA________________________________________________pág.57 5.1. INTRODUCCION_________________________________________________pág.57 5.2. PROCESO DE ENSAYO___________________________________________pág.57 5.3. EQUIPO_________________________________________________________pág.62 5.4. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO_______________pág.64 5.5. COMPARATIVA DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES_______________pág.69 6. ANALISIS MODAL___________________________________________________pág.71 6.1. INTRODUCCIÓN_________________________________________________pág.71 6.1.1. PROCESO DE ENSAYO________________________________________pág.74 6.1.2. EQUIPO_____________________________________________________pág.76 6.2. MODELOS TEORICOS____________________________________________pág.79 6.3. RESULTADOS NUMERICOS MEF__________________________________pág.81 6.4. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO_______________pág.83 6.5. COMPARATIVA DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES_______________pág.84 7. ESTUDIO FRENTE A FATIGA__________________________________________pág.89 7.1. INTRODUCCION_________________________________________________pág.89 7.2. RESULTADOS NUMÉRICOS_______________________________________pág.93 7.3. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO______________pág.104 7.4. CONCLUSIONES_______________________________________________ pág.104 8. CONCLUSIONES FINALES___________________________________________pág.106 9. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA_______________________________________pág.108 10. ANEXOS 10.1. ANEXO 4.1.2 DESARROLLO DE MODELOS NUMERICOS 10.2. ANEXO 4.1.5 MODELOS MEF Agradecimientos: Quiero agradecer sinceramente el apoyo y la ayuda recibidos de los miembros del Grupo VEHIVIAL: Marco Carrera, Javier Abad, Luis Tello, David Valladares y Hugo Malón sin los cuales no habría sido posible finalizar con éxito este proyecto Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 6 1. OBJETIVOS Y ALCANCE El objetivo principal del presente proyecto se centra en el análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolques para conocer su comportamiento frente a solicitaciones de fatiga, inducidas en condiciones de operación habitual de este tipo de vehículos. A partir de una serie de herramientas de análisis teóricas y experimentales, descritas y detalladas en posteriores apartados de la memoria, será posible obtener el comportamiento de uniones típicas realizadas por soldadura, en definitiva, estimar el número de ciclos (vida útil) soportados por las estructuras analizadas y, por lo tanto, la vida a fatiga de una estructura como es el caso de un semirremolque. Una de las causas de fallo más comunes y complejas de analizar en una estructura soldada, como es el caso de un semirremolque, consiste en la estimación de la vida útil de la misma, la cual se ve limitada, en la mayoría de las ocasiones, por la acción de solicitaciones dinámicas de fatiga. Por otra parte, el fallo se producirá por lo general en aquellas zonas más débiles de la estructura, siendo la zona de unión soldada la más crítica en este sentido, por lo que en el proyecto se realiza un análisis de modelos de unión realizados por soldadura. Los modelos analizados tendrán en cuenta la soldadura completa, es decir, el modelo de comportamiento tanto del cordón así como el de las zonas afectadas térmicamente por soldadura (comúnmente denominadas como ZAT´s). Con esto, y derivados del objetivo principal comentado anteriormente, se contemplan los siguientes objetivos secundarios:  Planteamiento del problema y desarrollo de modelos teóricos (basados en el Método de los Elementos Finitos, en adelante, MEF) y experimentales (probetas) para su posterior estudio y análisis.  Caracterización de uniones realizadas mediante soldadura. Las propiedades tanto de los cordones de soldadura como de las ZAT´s deben ser estimadas, en este caso, mediante la aplicación de métodos experimentales (ensayos de dureza) para su posterior incorporación en los modelos teóricos desarrollados.  Caracterización dinámica de las estructuras objeto de estudio. En este caso, se aplicarán diferentes técnicas numérico-experimentales (MEF y ensayos en laboratorio) con objeto de estimar el comportamiento modal (modos y frecuencias naturales) de las estructuras consideradas.  Análisis de uniones frente a fatiga. Las estructuras objeto de estudio serán analizadas, tanto numérica (aplicación del MEF) como experimentalmente (ensayos de fatiga en banco universal de ensayos), con objeto de estimar la vida útil de la unión frente a este tipo de solicitaciones. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 7 2. MARCO DEL PROYECTO El proyecto ha sido desarrollado en el seno del grupo de Nuevas Tecnologías en Vehículos y Seguridad Vial (VEHIVIAL), el cual desarrolla fundamentalmente su actividad en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza. De entre las diferentes líneas de trabajo del grupo se encuentra la de análisis y optimización de estructuras de vehículos pesados, fundamentalmente de aplicación a estructuras de semirremolques de diferentes tipologías. De entre los diferentes proyectos de I+D en los cuales participa VEHIVIAL se encuentra el proyecto “Optimización del diseño de autobuses y semiremolques integrando técnicas de ensayo virtual (OPTIVIRTEST)”, enmarcado dentro del Plan Nacional I+D+i (referencia TRA2009-14513-C02-01), desarrollado por el grupo Vehivial en colaboración con el INSIA (Instituto del Automóvil, Madrid) y la Universidad de Oviedo. Este proyecto fin de carrera ha sido propuesto y desarrollado en el marco del proyecto OPTIVIRTEST como parte de algunas de sus tareas y actividades pendientes de ejecutar. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 8 3. PLAN DE TRABAJO Y METODOLOGÍA El plan de trabajo que se siguió en la realización de este proyecto empezó desarrollando los modelos numéricos MEF en tres fases: preproceso, cálculo y postproceso. En paralelo al desarrollo de los modelos numéricos se desarrollaron ensayos experimentales en laboratorio. Una vez obtenidos los resultados numéricos y los experimentales, se contrastaban para validar los modelos numéricos, en el caso de que existieran defectos en los citados modelos se revisaban y corregían hasta validarlos. Por último se sacaban las conclusiones pertinentes sobre los resultados obtenidos. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 9 4. MATERIAL Y MÉTODOS TEORICO EXPERIMENTALES 4.1 EL MEF, DESARROLLO DE MODELOS TEORICOS 4.1.1 TEORIA, EL METODO DE LOS ELEMENTOS FINITOS Introducción. El Método de los Elementos Finitos (M.E.F.) es un método numérico para la resolución de sistemas de ecuaciones diferenciales. Su desarrollo desde los años cincuenta hasta la actualidad ha sido constante y actualmente puede considerarse como el método numérico más extendido en la mayoría de los ámbitos de la ingeniería. Son muchas las facetas de la ingeniería en las que se precisa determinar la distribución de tensiones y deformaciones en un continuo elástico. Los casos particulares de dichos problemas pueden variar desde problemas bidimensionales de tensión o deformación plana, sólidos de revolución y flexión de placas y láminas, hasta el análisis más general de sólidos tridimensionales. El M.E.F. consiste en su formulación física en la división del dominio espacial, ya sea uni, bi o tridimensional en una serie de subdominios de geometría simple, a los cuales se le denomina elementos. Estos elementos se encuentran formados por una serie de puntos que definen su geometría y se denominan nodos. En el interior de cada elemento se interpola una función de desplazamientos que se formula en función de los valores de desplazamientos que existen en los nodos. La forma de trabajo de estos elementos consiste en aplicar las ecuaciones de compatibilidad y comportamiento y obtener una relación entre la fuerza aplicada sobre los elementos y los desplazamientos de los nodos. Esta relación se expresa mediante la matriz elemental, la cual depende del número de nodos, situación de estos, material utilizado, geometría de los elementos y tipo de problema. Dependiendo del tipo de formulación del problema se determina si el problema es lineal (elasticidad lineal) o si es no lineal (grandes desplazamientos o deformaciones, comportamiento del material complejo). A continuación se expresa el proceso de cálculo con el MEF: Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 16 restricción, y otro listado de los nodos en los que deben aplicarse las cargas con el correspondiente valor de las mismas.  Una vez obtenido y comprobado el fichero anterior, se realizará el proceso de cálculo en sí del modelo. En este caso, va a utilizarse el módulo de cálculo mediante elementos finitos Abaqus descrito a continuación. Abaqus. Es el bloque en donde se da lugar el cálculo, realizando éste por medio de la aplicación del método de los elementos finitos a partir de la introducción e interpretación de los datos de la geometría, mallado, cargas, apoyos, contactos y material utilizados. Este bloque no necesita ninguna interacción con el usuario y la manera de ejecutarlo es decirle por medio de un comando qué fichero queremos calcular. Una vez que se le ha ordenado la ejecución, el programa revisa el fichero obtenido del pre – proceso para obtener algún posible fallo de estructura de datos y si no hay errores da paso a la etapa de cálculo. Abaqus posee dos tipos de cálculo diferenciados, que son los siguientes:  Abaqus/Standard. Corresponde con el método general de cálculo estático del programa. Es el más ampliamente utilizado en el cálculo de geometrías y permite calcular el comportamiento mecánico en cuanto a tensiones y deformaciones de cualquier estructura que le sea introducida y en cualquier dirección. En este módulo de cálculo se obtienen los resultados aplicando la teoría del Método de los Elementos Finitos mediante integración implícita, lo que implica mayor gasto computacional pero también mayor precisión.  Abaqus/Explicit. Corresponde con el otro módulo de cálculo convencional de ABAQUS y está desarrollado con una estructura completamente vectorizada para su utilización en supercomputadores. El análisis dinámico con Explicit está basado en la implementación de una regla de integración explícita junto con el uso de matrices masa diagonales o agrupadas. Permite el cálculo de cualquier estructura sometida a cargas dinámica en el tiempo. Abaqus Viewer. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 17 Este bloque es el encargado de presentar la información obtenida durante el cálculo. Los módulos de cálculo, en este caso ABAQUS, escriben los resultados del cálculo en unos fichero de texto los cuales recogen toda la información por nodo y elemento pudiendo saber de esta manera los desplazamientos de los nodos, mapas de tensiones o deformaciones, deformada de la estructura, etc. Como el usuario no puede manejar de forma efectiva todo este volumen de datos es en este momento cuando intervienen los post – procesadores. Éstos representan de una forma gráfica todos los resultados obtenidos en el cálculo, pudiendo así obtener los resultados pedidos mediante una gradación de tonalidades y colores, y realizar, a su vez, vistas desde cualquier ángulo posible. 4.1.2 DESARROLLO DE MODELOS NUMÉRICOS Se ha utilizado el programa “MD 2.1 Patran” para hacer el modelado de las probetas, los pasos que se han seguido son los siguientes (Ver anexo 4.1.2) : Paso 1.MODELO DE PREPROCESO MSC PATRAN Geometría Mallado Creación de los grupos Unificación de los nodos Materiales Propiedades de la malla: tipo Solid y tipo Shell Apoyos y Cargas Paso 2.MODULO DE PROCESO O CÁLCULO ABAQUS 6.11-2 Análisis: con Patran y Abaqus Análisis con cargas Análisis modal Compilación Modificación para el cálculo con cargas Modificación para el análisis modal Paso 3.MODULO DE POSTPROCESO ABAQUS VIEWER Visualización de resultados con Abaqus Viewer Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 18 4.1.3 MODELOS MEF REALIZADOS Se han realizado 8 modelos numéricos (Figura 4.1.5a)para contrastar los resultados y elegir posteriormente el más preciso comparándolos con los resultados experimentales del laboratorio. Varia el tipo de mallado de las placas y del cordón, se utilizarán elementos tipo Shell y Solid. (Ver Anexo 4.1.3). Se han calculado la resistencia de cada modelo para una carga de 3.2kN (Figura 4.1.5b) y otra de 4.4kN (Figura 4.1.5c). La tensión Von Mises se muestra a continuación en la Figura 4.1.5d Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 19 Figura ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.4.1.3.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 20 4.1.3.1 RESULTADOS NUMERICOS DE TENSIÓN VON MISES RESULTADOS 3.2KN Figura4.1.3.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 21 RESULTADOS 4.4KN Figura 4.1.3.1.2 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 22 TABLA DE RESULTADOS Figura 4.1.3.1.3 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 23 4.2 MÉTODOS EXPERIMENTALES 4.2.1 ANALISIS DE DUREZA 4.2.1.1 INTRODUCCION TEORICA La dureza y la resistencia a la tracción son propiedades que están relacionadas con la resistencia de los materiales a la deformación, de manera que al aumentar la dureza aumenta la resistencia a la tracción, y viceversa. Para obtener la resistencia de un material al cual se le ha hecho un ensayo de dureza bastara con consultar las tablas correspondientes. El cálculo de la dureza se utiliza ampliamente para la inspección y control de los materiales. En la industria metalúrgica y, en concreto, en las del acero, el ensayo de dureza es uno de los más utilizados. No hay una única forma de definir la dureza, pero de forma general puede decirse que es la resistencia superficial que un material opone a la deformación, bien sea deformación por rayado o por penetración superficial. En la actualidad se utilizan ensayos donde la dureza se calcula con la resistencia a dejarse penetrar por otro cuerpo más duro que llamaremos penetrador el cual aplicara una carga determinada. Los ensayos más utilizados son el Brinell, Vickers, Rockwell y Shore. 4.2.1.1.1 ENSAYOS DE DUREZA Brinell. Es el más antiguo de los cuatro, data de 1900. Se caracteriza porque utiliza un penetrador que era una bola de acero templado de 10 mm de diámetro al que se le aplicaba una carga de 3000 kg durante un tiempo establecido. Al retirar el penetrador queda una huella en el material a ensayar con forma de casquete esférico, La dureza Brinell vendría dada por la formula: HB = siglas de dureza Brinell ('dureza' = Hardeness); P = carga aplicada al penetrador; S = superficie de la huella. (Esta fórmula es difícil de aplicar por la dificultad de calcular la superficie de la huella.) Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 24 En esta fórmula solo hay que introducir la medida del diámetro de la huella (d), ya que P y D son valores fijos, por lo que es la fórmula que se utilizara para el cálculo de la dureza Brinell. Para calcular el valor de la dureza Brinell solo se necesita medir el diámetro de la huella dejada en la probeta. Figura 4.2.1.1.1.1 Brinell recomendó utilizar un penetrador de 10 mm de diámetro y una carga de 3000 kg. Estas condiciones de ensayo se utilizan cuando el material a ensayar es acero, pero con otro tipo de materiales, como cobre, latón, acero o aleaciones de aluminio, se emplean cargas menores y bolas de diámetros inferiores. Para que los resultados de los valores de dureza sean comparables midiendo con distintas cargas y penetradores, no se pueden utilizar cualquier carga con cualquier diámetro Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 25 de penetrador. Debe cumplirse que las huellas dejadas por el penetrador sean geométricamente comparables, lo cual se cumple siempre que las cargas aplicadas son proporcionales al cuadrado del diámetro del penetrador utilizado, es decir: Para que las huellas sean semejantes se debe cumplir que θ1 =θ2, es decir, P1/D1 = P2/D2 = constante = K. A; esta relación es la constante de ensayo y sus valores dependen del material que se ha de ensayar. Se han elegido de manera que entre los diámetros de los penetradores y de la huella se verifique la relación: 0,24D < d < 0,6 D. El diámetro del penetrador que se utiliza para realizar la huella en el ensayo de dureza Brinell también es función del tipo de material sobre el que se va a realizar la medición. Los valores adoptados según la norma del ensayo son: D (diámetro del penetrador) = 10, 5, 2.5, 2, ö 1mm. Una vez determinado el diámetro y la constante de ensayo, la carga se calcula mediante la relación expresada anteriormente. Una vez conocidas las condiciones del ensayo, se realizara el mismo, haciendo una huella con el penetrador en la superficie de la probeta y midiendo el diámetro y calculando el área de dicha huella después de quitar la carga. El método Brinell se utiliza para determinar la dureza en materiales blandos o relativamente blandos, como un acero al carbono o una aleación de aluminio. Si este método se utilizase con materiales de elevada dureza se deformaría la bola del penetrador, con lo que la medida no sería correcta. El procedimiento de ensayo y las características del penetrador y la carga están reguladas por la norma UNE-EN 10 003 Materiales metálicos, ensayo de dureza Brinell. En ella se indica que se utilizara bola de acero para materiales de dureza Brinell inferior a 450; si el material a caracterizar es más duro puede utilizarse como penetrador una bola de un Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 32 La norma UNE que define el ensayo Rockwell es la UNE-EN 10 109, donde se dan todos los datos para la ejecución del ensayo, las cargas, penetradores y la forma de dar el resultado. Tablas de equivalencia: muestran las equivalencias entre las distintas escalas de dureza. Este tipo de tablas se obtienen de forma experimental y hay que utilizarlas solamente como una primera aproximación, para conocer de una forma aproximada el valor en otra escala. (Ver Figura 4.2.1.1.1.7) Figura 4.2.1.1.1.7 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 33 4.2.1.1.2 ZAT (Zona Afectada Térmicamente) Cómo afecta la soldadura a las ZATs En los procesos de soldadura, se produce un endurecimiento del material. El calor se transfiere a través del material adyacente al cordón de soldadura. Una vez terminada la soldadura se distinguen tres zonas: el metal de aportación o cordón de soldadura, la zona afectada térmicamente adyacente a la soldadura y el material base más allá de la ZAT la cual no se ve afectada por la operación de soldeo. ZAT ZONAAFECTADATERMICAMENTE ZONADE SOLDADURA:Se mezclaelmetalbase coneldeaportación ZONADEFUSIÓN ZONADE SOLUCIÓNSOLIDA ZONANO AFECTADA Figura 4.2.1.1.2.1 En la siguiente imagen se aprecia la ZAT de una de las probetas a ensayar, se puede observar que la Zona Afectada Térmicamente posee una forma circular alrededor de las soldaduras. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 34 Figura 4.2.1.1.2.2 ZAT de una de las probetas soldadas Figura 4.2.1.1.2.3. Sección perpendicular a la soldadura: 1) Soldadura 2) Zona de transición, 3) Material base Figura 4.2.1.1.2.4 Detalle de la microestructura entre las zonas de unión y de transición Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 35 4.2.2 ANALISIS DE FATIGA 4.2.2.1 INTRODUCCION TEORICA Los materiales están sometidos a cargas variables de mayor o menor intensidad. Una buena parte de las roturas que se producen en los materiales son debidas al fenómeno de fatiga. Este tipo de rotura es más complejo que el de tipo estático. En la fatiga afectan diversos factores como: la variación de las cargas, el tamaño de la pieza, las formas geométricas, la rugosidad superficial, el grado de supervivencia, etc. Tipo de rotura El tipo de rotura que se produce cuando la pieza falla por fatiga es distinto del que se produce como consecuencia de una carga estática. La rotura por fatiga se produce de forma súbita. El fallo de una pieza por fatiga comienza con la formación de una pequeña grieta que no puede ser detectada a simple vista y que se origina en un punto en el cual se produce alguna discontinuidad en el material. Esta discontinuidad puede ser una ranura circular, un chavetero, un cambio brusco de sección, un agujero transversal, etc. La rotura se produce a lo largo de tres etapas: 1.Iniciacion de la grieta. En la superficie del metal se produce algún tipo de distorsión a escala molecular, producido, por ejemplo, por las cargas a las que está sometido, de manera que sea un punto de concentración de tensiones que a actuar como iniciador de la grieta. Esta etapa tiene una duración variable, dependiendo del material y el esfuerzo al que esta sometido. La grieta que aparece no es visible únicamente esta a nivel microscópico. 2. Propagación de la grieta. La velocidad de crecimiento de la grieta aumenta notablemente, pasando a ser visible y poderse detectar por distintos ensayos. En cada solicitación la grieta va avanzando lentamente, de manera que la superficie de fractura que se observa al final tiene un aspecto típico, donde es posible apreciar unas lineas de marca de tipo concéntrico, que se expanden desde el punto de inicio de la grieta. 3.Rotura. Llega un momento en que la grieta se ha propagado tanto que la sección no es capaz de soportar los esfuerzos a que está sometida y el metal rompe bruscamente. Al observarse la sección de la fractura tiene un aspecto distinto al anterior, ya no aparecen las lineas de marca, sino que el aspecto es uniforme y brillante, de fractura frágil. Los esfuerzos a los que pueden estar sometidos el material pueden ser varios: de traccioncompresion, de flexión o de torsión. En cualquier caso si un material está sometido a esfuerzos variables, lo más probable es que adquiera un carácter periódico o cíclico, que se puede representar como una curva sinusoidal en una grafica donde en abscisas se indique el tiempo y en ordenadas las tensiones. Los parámetros característicos de estas curvas son: Tensión superior, σs , o tensión máxima, σmax .Es la tensión máxima durante el ciclo Tensión inferior, σi, o tensión mínima, σmin .Es la tensión mínima durante el ciclo. Amplitud de la tensión, σa .Representa la mitad del intervalo entre las tensiones máximas y mínimas. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 36 Tensión media, σm, Es el promedio de las tensiones máximas y mínimas en cada ciclo. Tipos de ciclos de fatiga Ciclo alternativo simétrico, los esfuerzos varían entre dos valores iguales y de sentido contrario. Figura 4.2.2.1.1 Ciclo alternativo asimétrico, cuando los esfuerzos son de sentido contrario, pero de magnitudes desiguales. Figura 4.2.2.1.2 Ciclo intermitente, cuando los esfuerzos varían entre cero y un máximo. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 37 Figura 4.2.2.1.3 Ciclo pulsatorio, cuando los esfuerzos varían entre dos valores del mismo sentido, uno máximo y otro mínimo. Figura 4.2.2.1.4 CORDON DE SOLDADURA El cordón de soldadura tiene tres partes bien diferenciadas . Figura 4.2.2.1.5 Partes del cordón de soldadura. Zona de soldadura: Es la zona central, que está formada fundamentalmente por el metal de aportación. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 38 Zona de penetración. Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es una soldadura generalmente defectuosa. Zona de transición. Es la más próxima a la zona de penetración. Esta zona, aunque no ha sufrido la fusión, sí ha soportado altas temperaturas, que le han proporcionado un tratamiento térmico con posibles consecuencias desfavorables, provocando tensiones internas. LA FATIGA EN UNIONES SOLDADAS Las probetas utilizadas en el ensayo se han soldado en ángulo recto, con el tipo de unión a tope en T. Figura Figura 4.2.2.1.6 Las uniones soldadas son una fuente importante de reducción de la resistencia a fatiga debido a las tensiones residuales, a posibles fallos de llenado, poros, defectos, y concentración de tensiones. El objeto principal de la unión es el de asegurar la mejor continuidad de las piezas, continuidad que será más perfecta cuanto más uniforme sea la transmisión del esfuerzo. La transmisión de esfuerzos en las uniones se hace en muchas ocasiones de modo indirecto, ya que para pasar el esfuerzo de una pieza a otra se la obliga previamente a desviarse de su trayectoria normal. En el caso de soldadura a tope, la transmisión es directa. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 39 Figura 4.2.2.1.7 Aspecto de las fisuras por fatiga sobre la superficie correspondiente a la raíz de la soldadura. Figura 4.2.2.1.8 Porosidad en el material de soldadura El fallo de las uniones soldadas en la mayor parte de los casos es causado por la generación de grietas en el cordón de soldadura debido a la porosidad de este y la concentración de tensiones. 4.2.2.2 EL ENSAYO DE FATIGA Las propiedades de fatiga pueden determinarse a partir de ensayos de laboratorio. Para estudiar la influencia que ejercen los valores de las tensiones variables sobre el número de ciclos (N) que puede soportar un metal hasta la rotura se utiliza el diagrama de Wöhler. Para cada material existen unos diagramas realizados de forma experimental: se mecanizan varias probetas del material a estudiar, se toma una y se le somete a una tensión cíclica del tipo adecuado en cada caso (alternativa simétrica, alternativa asimétrica, intermitente o pulsatoria), comenzando con una amplitud máxima relativamente grande (del orden de 2/3 de la resistencia a la tracción) y determinando el numero de ciclos, N, hasta producir la rotura. Los resultados obtenidos se representan de una grafica donde se sitúan en el eje de ordenadas la amplitud de la tensión a la que se somete la probeta y en abscisas el número de ciclos necesarios para producir la rotura. Diagrama de Wöhler. Viendo este tipo de diagramas se aprecia que cuanto mayor es la amplitud de la tensión, menor es el numero de ciclos que el material es capaz de soportar antes de romperse, hasta que llega a un valor de amplitud de tensión a la cual, sea cual sea el numero de ciclos, la rotura se produce siempre al mismo valor. A este valor se le denomina límite de fatiga, o resistencia a la fatiga, y se define como el esfuerzo de mayor amplitud que puede aplicarse sin producir la rotura en un número infinito de ciclos, es decir, por debajo de este valor no ocurrirá la rotura a fatiga. En muchos aceros el límite de fatiga está comprendido entre el 35 y 60 por ciento de la resistencia a la tracción. La siguiente grafica representa la amplitud de la tensión (S) frente al logaritmo del número de ciclos hasta la rotura por fatiga (N) para un material que presenta un límite de fatiga. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 40 Figura 4.2.2.2.1 En algunos materiales la curva de Wöhler no llega a ser horizontal, sino que decrece progresivamente, de manera que no hay un límite de fatiga. Como el definido anteriormente. La curva sigue disminuyendo al aumentar N. En este caso la resistencia a la fatiga se determina por la amplitud de la tensión que produce la rotura después de un determinado número de ciclos. Este tipo de comportamiento se da en muchos metales o aleaciones no férreas, como aluminio, cobre o magnesio. Para utilizar el diagrama de Wöhler se supone, por ejemplo, un elemento de máquina que esté sometido alternativamente a tracción y compresión, conociendo cual es la tensión máxima de tracción y mínima de compresión se calcula la amplitud de la tensión, con este valor se acude al diagrama de Wöhler correspondiente al material estudiado: Si la amplitud de la carga es superior al límite de fatiga, mediante el diagrama de Wöhler se puede determinar el número de ciclos que puede soportar el elemento sin romperse, y por tanto saber cuándo se debe sustituir por otro nuevo y así evitar el fallo por rotura de fatiga. Si la amplitud es inferior al límite de fatiga, teóricamente, no sucede el fallo por fatiga. En la siguiente figura aparece un ejemplo del diagrama de Wöhler. Para un acero de herramientas con una amplitud de 90.000 psi (1 psi = 6,8948 kPa ) la duración a fatiga es de 100000 ciclos. Con amplitudes inferiores a 60000 psi no romperá a fatiga. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 41 Figura 4.2.2.2.2 Factores que afectan a la fatiga Los diagramas obtenidos son de gran utilidad pero suele existir una gran dispersión en los resultados de fatiga, consecuencia de la gran sensibilidad que tiene este valor a distintos factores. Los que más afectan a la rotura por fatiga son: Concentración de tensiones. El límite de fatiga puede reducirse considerablemente si se introduce un concentrador de tensiones, como una entalla, agujero o un cambio brusco de sección. En elementos de maquinas existen elementos con formas que actúan como concentradores de tensiones como roscas, bulones o chaveteros, por lo que en la rotura a fatiga suelen iniciarse estas irregularidades geométricas. Factores de diseño. Como cualquier discontinuidad geométrica puede producir una concentración de tensiones hay que evitar, en lo posible, estas irregularidades realizando modificaciones de diseño que eliminen los cambios bruscos de de contorno o los cantos vivos. Estado de la superficie. Puesto que la rotura por fatiga comienza por pequeñas deformaciones microscópicas en la superficie, si estas ya están presentes, como grietas de tratamientos, poros, marcas de mecanizado, zonas de corrosión, el límite de fatiga puede disminuir considerablemente. Para prevenir la rotura por fatiga, antes del tiempo estudiado, se debe asegurar que la superficie este sin ningún tipo de fallo. Estado de la superficie. Puesto que la rotura por fatiga comienza por pequeñas deformaciones microscópicas en la superficie, si estas ya están presentes, como grietas de tratamientos, poros marcas de mecanizado, zonas de corrosión, el límite de fatiga puede disminuir considerablemente. Para prevenir la rotura por fatiga, antes del tiempo estudiado, se debe asegurar que la superficie este sin ningún tipo de fallo. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 48 Figura 4.2.3.1.4 Modo longitudinal, Flexión de la calzada El fallo del puente ocurrió a causa de un modo de torsión, con vientos de apenas 65 km/hora, cuando el lado derecho de la carretera se deforma hacia abajo, el lado izquierdo se eleva, y viceversa, con el eje central de la carretera permaneciendo quieto. Esta vibración fue inducida por flameo aero-elástico. El flameo se origina cuando una perturbación de torsión aumenta el ángulo de ataque del puente (o sea el ángulo entre el viento y el puente). La estructura responde aumentando la deformación. El ángulo de ataque se incrementa hasta el punto en que se produce la pérdida de sustentación, y el puente comienza a deformarse en la dirección opuesta. En el caso del puente de Tacoma Narrows, este modo estaba amortiguado en forma negativa (o lo que es lo mismo tenía realimentación positiva), lo cual significa que la amplitud de la oscilación aumentaba con cada ciclo porque la energía aportada por el viento excedía la que se disipaba en la flexión de la estructura. Figura 4.2.3.1.5 Modo de Torsión de la calzada Finalmente, la amplitud del movimiento aumento hasta que se excedio la resistencia de una parte vital, en este caso los cables de suspensión. Una vez que varios de los cables fallaron, el peso de la cubierta se transfirió a los cables adyacentes, que no soportaron el peso, y se rompieron en sucesión hasta que casi toda la cubierta central del puente cayó al agua. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 49 Figura 4.2.3.1.6 Fallo del puente Figura 4.2.3.1.2 Derrumbamiento Finalmente, la amplitud del movimiento aumento hasta que se excedió la resistencia de una parte vital, en este caso los cables de suspensión. Una vez que varios de los cables fallaron, el peso de la cubierta se transfirió a los cables adyacentes, que no soportaron el peso, y se rompieron en sucesión hasta que casi toda la cubierta central del puente cayó al agua. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 50 4.2.3.2 PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO MODAL EXPERIMENTAL El ruido y los problemas de vibración están relacionados con fenómenos de resonancia, causados por las fuerzas excitadoras de misma frecuencia que los modos de vibración. Cuando los modos de vibración se encuentran dentro del rango de frecuencias de las fuerzas de funcionamiento se presentan serios problemas. Una propiedad importante de modos es que cualquier respuesta dinámica forzada o libre de una estructura puede ser reducida a un discreto conjunto de los modos. Los parámetros modales son: • La frecuencia modal • Amortiguamiento modal • Forma modal Los parámetros modales de todos los modos, dentro de la frecuencia rango de interés, constituyen una descripción dinámica completa de la estructura. De ahí que los modos de vibración representan las propiedades inherentes dinámicas de una estructura libre (Una estructura sobre la que no existen fuerzas que actúan). El análisis modal es el proceso de determinación de todos los parámetros de los modos de vibración , suficiente para formular un modelo matemático dinámico. El análisis modal puede llevarse a cabo a través de técnicas analíticas o experimentales. Figura 4.2.3.2.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 51 Modelos matemáticos dinámicos Los modelos matemáticos son necesarios ayudan a comprender y comunicar cómo se comportan las estructuras bajo cargas dinámicas, simular o predecir la respuesta a las fuerzas externas, y a simular cambios en las características dinámicas debido a modificaciones físicas. No son modelos de la estructura misma. Son modelos simplificados que simulan el comportamiento de su estructura, limitada por un conjunto de supuestos y condiciones de contorno. Los modelos matemáticos analíticos se basan el cálculo en las masas y la rigidez de la estructura. Estos cálculos se hacen generalmente por el Método de Elementos Finitos (MEF), y el modelo produce un enorme conjunto de ecuaciones diferenciales. Los modelos experimentales matemáticos se pueden construir a partir de datos modales medidos, que representan el sistema bajo las condiciones de medición. El modelo consiste normalmente en un conjunto de ecuaciones diferenciales independientes, uno para cada modo en la medición. Este modelo se refiere a menudo como el "Modelo modal". Figura 4.2.3.2.2 Aplicación de los datos modales El resultado de una prueba modal experimental puede ser de cualquier grado de Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 52 sofisticación que van desde medir una sola frecuencia de respuesta (FRF) que muestra debilidad de las condiciones estructurales dinámicas en modos de transporte de frecuencias, a la creación de un conciso modelo matemático modal dinámico con los datos de forma modal y la animación posterior de la formas de los modos. La gama de aplicaciones para los datos modales es muy amplia e incluye: • Control de las frecuencias modales • Las descripciones cualitativas de las formas modales, como una ayuda para entender el comportamiento estructural dinámico para la solución de problemas • Verificar y mejorar los modelos analíticos • Realizar simulaciones por ordenador (basado en el modelo modal) para la solución de problemas de desarrollo de prototipos, o avanzado, donde tenemos que predecir la respuesta a excitaciones asumidos, y comprobar el comportamiento dinámico, el cambio en las propiedades dinámicas debido a las modificaciones físicas, como la adición de carga, o la rigidez, predecir las modificaciones necesarias físicas requeridas para obtener una propiedad dinámica, predecir el comportamiento combinado cuando dos o más estructuras están acoplados entre sí como una unidad, etc. La verificación de un modelo matemático de análisis Primero se crea un modelo matemático de análisis con las fuerzas de diseño. Los resultados muestran su comportamiento. Después de que el modelo real está construido, el diseño debe ser demostrado. El modelo matemático contiene cierta inercia y rigidez ideal, que no pueden ser medidas directamente. Los parámetros modales del modelo tanto analítico como experimental son directamente comparables. Si los resultados no son satisfactorios, el modelo analítico se ajusta y se refina hasta que sean correctos. Finalmente, se repite la analítica de cálculos con el modelo modificado, y la respuesta a las fuerzas se puede predecir. Excitación Para las mediciones modales la estructura debe ser excitada por una fuerza. Si el propósito de la prueba es sólo medir las frecuencias naturales, la precisión requerida es mucho menor que cuando las mediciones son para formar la base para un modelo matemático. El costo de la precisión adicional reside en el tiempo tomado para las mediciones, y en la instrumentación. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 53 Figura 4.2.3.2.3 El espectro de control limita la excitación a la gama de frecuencias de interés. Si la estructura es excitada sólo en la gama de frecuencias de interés, el rango dinámico de la medición se minimiza. Esto mejora la señal disminuyendo el ruido, y limpia los datos. El factor de cresta describe la "peakiness" de la señal. Se define como la relación entre el pico y la desviación (RMS) en la señal. Un factor de cresta alta en la forma de onda de excitación tiene dos desventajas: - La relación señal-ruido se reduce, y parte de la señal se pierde en el ruido existente. - Las fuerzas de pico elevadas pueden provocar un comportamiento no lineal en la estructura. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 54 Figura 4.2.3.2.4 Aplicación de la excitación Las fuerzas de excitación pueden ser generadas por muchos tipos diferentes de dispositivos. Ejemplos: • Los vibradores electromagnéticos • Los sacudidores electrohidráulicos • Las masas excéntricas rotativas • Los dispositivos tales como cohetes o armas de fuego • Martillos • Los impactadores de gran péndulo • Los cables de suspensión para la producción de "snap-back" Medida de fuerza La fuerza de excitación se mide normalmente mediante el uso de un piezoeléctrico transductor de fuerza, en el que una fracción de la fuerza es transmitida a través de un elemento piezoeléctrico. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 55 Las ventajas del transductor de fuerza piezoeléctrico son:  Pequeño tamaño y masa, producción de poca masa adicional / amortiguación / rigidez  Linealidad extrema  Amplio rango dinámico (120 dB)  Amplio rango de frecuencia La fuerza total generada por el excitador tiene que atravesar todas las partes móviles: La bobina de excitación / pistón, el mecanismo de conexión, y la estructura. La fuerza de la estructura sólo se puede medir si el transductor de fuerza está montado directamente sobre ella, o tan cerca como sea posible. Excitador adjunto El excitador debe ser fijado a la estructura de modo que la fuerza de excitación actúa sólo en el punto deseado, y en la dirección deseada. La estructura debe ser libre para vibrar en los otros cinco grados de libertad en ese punto, sin restricciones de giro o desplazamiento. Una técnica de un buen agarre, para conectar el excitador de el transductor de fuerza, es con una delgada varilla de empuje o "aguijón". Este tipo de agarre tiene una elevada rigidez axial, pero baja rigidez transversal y de rotación, dando un buen control de la dirección de la excitación. Un beneficio adicional es que el aguijón actúa como un fusible mecánico entre la estructura y el excitador, protege a ambos de las sobrecargas destructivas del transductor. Impacto de excitación con martillo La excitación más popular técnica utilizada para el análisis modal es la de impacto, o excitación con martillo. La forma de onda producida por un impacto es transitorio (de corta duración) de transferencia de energía. El espectro es continuo, tiene una estructura periódica con frecuencias en N / T intervalos, donde n es un número entero y T es la duración efectiva de la onda transitoria. El rango de la frecuencia útil es de 0 Hz a una frecuencia F, en cuyo punto la magnitud del espectro ha decaído de10 a 20 dB. La duración, y por lo tanto la forma del espectro de un impacto está determinada por la masa y rigidez tanto del impactador como de la estructura. Para un martillo relativamente pequeño utilizado en una estructura dura, la rigidez de la punta martillo determina el espectro. La punta de martillo actúa como un filtro mecánico. La selección de la rigidez de la punta permite el elegir la frecuencia de corte. Los martillos de impacto se pueden construir mediante la adición de un transductor de fuerza a un martillo, y un elemento de rigidez de control al final del transductor. La fuerza es igual a la masa total del impactador multiplicada por la aceleración durante el impacto. Los martillos pueden ser construidos con pesos que van desde una pocos gramos hasta varias toneladas, y que cubren el rango de frecuencias 0 a 5000 Hz, con el más Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 56 pequeño, y 0 - 10 Hz con el más grande. Las ventajas de las pruebas de impacto con martillo son: • Velocidad - sólo son necesarios unos pocos promedios • No hay accesorios obligatorios. • No hay carga variable de la masa de la estructura. Este es una particular ventaja con estructuras ligeras, ya que cambiando la carga de la masa de punto a punto puede provocar cambios en las frecuencias modales de una medición a otra. • Es portátil y muy adecuado para las mediciones en el campo. • Es relativamente barato. Sin embargo, hay algunas desventajas a tener en cuenta: • El factor de cresta alta hace la técnica no apta para sistemas no lineales. • Para aplicar la energía suficiente para una gran estructura, es necesario un pico de fuerza muy alto, y la estructura puede dañarse localmente. • La señal es altamente determinista, y el nivel de fuerza sólo varía un poco entre los niveles de sobrecarga y de baja carga. • El espectro sólo se puede controlar a la frecuencia superior límite, lo que significa que la técnica no es adecuada para el análisis de zoom. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 57 5. ENSAYO DE DUREZA 5.1 INTRODUCCION Se realizaron ensayos complementarios en el laboratorio de materiales de probetas de materiales s235 y dx355, según norma UNE EN ISO 6507. Estos ensayos fueron previos a la obtención de las probetas utilizadas en este proyecto. Se hicieron para obtener una resistencia del material mas aproximada a la realidad de la que da el fabricante. Figura 5.1.1 Fotografía de una probeta ensayada Descripción del ensayo Se tenían a disposición 5 probetas para ensayar (Figura 4.2.1.2a y Figura 4.2.1.2b). Todas se ensayaron con un durómetro vickers HV1 de carga 1Kn (Figura 4.2.1.2c ). En primer lugar se prepararon las superficies de las probetas puliéndolas con una lija de grano fino. Posteriormente se sujetaban en las mordazas del microdurómetro, se observaba a través del microscopio con una cámara digital de 40 aumentos para medir las diagonales de las huellas en micrómetros. Se hacían tres pasadas por probeta. De cada huella se obtiene la media de las dos diagonales. 5.2 PROCESO DE ENSAYO Paso 1.-En primer lugar se deben preparar las superficies de las probetas, mediante un pulido con una lija de grano fino, se pule la superficie hasta que se aprecie como un espejo, así se eliminan las imperfecciones superficiales. Las probetas a ensayar estaban formadas por los siguientes materiales (Figura 4.2.1.2a y (Figura 4.2.1.2b) : Material 1 Material 2 Probeta nº2 S235JR S235JR Probeta nº3 DX355MCD DX355MCD Probeta nº4 DX355MCD DX355MCD Probeta nº5 DX355MCD S235JR Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 64 5.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO Datos del fabricante Para estos materiales los fabricantes nos dan una resistencia de: Figura 5.4.1 Material Espesor Resistencia a tracción S235JR 10 mm 360-510 MPa DX355MCD 4.5 mm 470-630 MPa Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 65 Material S235JR Media de la dureza Vickers HV1: Figura 5.4.2 La dureza HV1 aproximada que se obtiene de las medias de las medidas es de 150 HV. En la Tabla de conversión (Figura 5.4.7 Tabla de conversión Dureza Vickers- Resistencia a tracción , Columna 1 HV30), se observa que para esa dureza el material posee una resistencia de 500 MPa, que está dentro del rango de valores que da el fabricante (360-510 MPa ). Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 66 Figura 5.4.3 Material DX355MCD Media de la dureza Vickers HV1: Figura 5.4.4 Se obtiene una dureza aproximada de 170 HV. En la Tabla de conversión (Figura 5.4.7 Tabla de conversión Dureza Vickers- Resistencia a tracción, Columna 1 HV30), el material posee una resistencia de 570 MPa, que esta dentro del rango de valores que da el fabricante (470-630 MPa). Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 67 Figura 5.4.5 Material cordón de soldadura Media de la dureza Vickers HV1: Figura 5.4.6 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 68 Se obtiene una dureza aproximada de 210 HV. En la Tabla de conversión (Figura 5.4.7 Tabla de conversión Dureza Vickers- Resistencia a tracción, Columna 1 HV30), el material posee una resistencia de 710 MPa. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 69 Figura 5.4.7 Tabla de conversión Dureza Vickers- Resistencia a tracción Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 70 Resultados experimentales Material Resistencia a tracción S235JR 500 MPa DX355MCD 570 MPa CORDONES 710 Mpa 5.5 COMPARATIVA DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES En la siguiente tabla se muestran los datos con la gráfica de las mediciones de dureza de todas las probetas de material 235-235. Las mediciones en rojo se han realizado con las probetas sin pulir mientras que las mediciones azules se han realizado tras pulir la superficie. La grafica correcta debe poseer una pendiente en la ZAT que crece cuando se acerca a la soldadura y decrece cuando se aleja, esto se aprecia en las mediciones de color rojo, pero no en las de color azul, las cuales experimentan un salto brusco de dureza desde la zona del material al cordón de soldadura. Se consideran más correctas las mediciones en color rojo, debido a que al pulir la superficie se provocó un calentamiento del material que devolvió características originales al material antes de la soldadura. Se podría dar el caso de que el proceso de soldadura produzca un endurecimiento general del material, similar a un tratamiento térmico superficial, esto se ve si se comparan los datos del fabricante con los resultados experimentales: Material Datos del fabricante Resultados experimentales S235JR 360-510 MPa 500 MPa DX355MCD 470-630 MPa 570 MPa Debido a la dificultad de obtener la dureza de las ZAT no se han tenido en cuenta para los cálculos numéricos, la zona afectada térmicamente se ha considerado como material base. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 71 Figura 5.5.1 Tabla y gráfica con los valores de dureza de las probetas 235-235 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 72 6. ANÁLISIS MODAL 6.1 INTRODUCCIÓN El análisis modal de las probetas se ha realizado en el Laboratorio de Ensayos Modales y Operacionales, por el profesor Javier Abad del Dpto. de Ing. Mecánica de la Universidad de Zaragoza, EINA (Zaragoza). En el ensayo se determinaron las frecuencias propias y amortiguamientos modales de las probetas. Se ensayaron 22 probetas Figura 6.1.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 73 Todas ellas del mismo material y soldadas mediante el mismo proceso, el Alma a 90º del Ala. (Figura 6.2 , Figura 6.3). Figura 6.1.2 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 80 Figura 6.2.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 81 6.3 RESULTADOS NUMERICOS MEF Hay que tener en cuenta que MSC PATRAN es un programa matemático, esto significa que no trabaja con unidades, con lo cual el mallado que se había realizado en mm y tenía una longitud de 100 (mm), si se tenía que pasar a m había que dividir por mil, con lo cual, la nueva longitud de la probeta era 0.1 (m). UNIDADES V.M-> [N,mm,kg] => E=210,Densd=7.8E-6 UNIDADES Análisis modal-> [N,m,kg] => E=2.1E11, Densd=7800 El análisis mediante ABAQUS 6.11-2 exigía cambiar el código de texto para que el programa ejecutara el análisis modal, la carta de comandos que se introdujo fue la siguiente: ** Step 1 ** *STEP ** *FREQUENCY , (1), (2), (3), , ** 1-nº de valores propios 2-mínima frecuencia de interés (Hz) 3-máxima frecuencia de interés MODOS DE VIBRACION Tras ejecutar el programa y visualizar el resultado con ABAQUS VIEWER se cogieron los 10 primeros modos de vibración. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 82 Figura 6.3.1 Modos de vibración Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 83 Figura 6.3.2 Tabla de resultados 6.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO Frecuencias obtenidas: 445.4Hz 779.0Hz 2140.0Hz 2490.6Hz 2731.4Hz Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 84 6.5 COMPARATIVA DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Comparación de resultados Análisis Numérico – Análisis experimental Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 85 Figura 6.5.1 Comparativa de resultados Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 86 CONCLUSIONES Debido a que en el análisis experimental el vibrómetro solamente se realizaron mediciones en una esquina del Ala, hay un modo de vibración que no se pudo obtener. Figura 6.5.2 Modo de vibración que no se midió experimentalmente: 3er Modo de Vibración Figura 6.5.3 3er Modo de vibración, torsión Alma. Frecuencia = 1623.5 Hz Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 87 Validación de los modelos En general todos los modelos son correctos, pero el que ha obtenido una mayor aproximación del análisis modal al modelo real ha sido el 4º Modelo con un error del 8%. Figura 6.5.4 Figura 6.5.5 4ºMODELO Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 88 Caracteristicas del 4º Modelo numérico: Modelo de elementos tipo Solid. No hay unión entre los nodos del Alma y el Ala. Cordon tipo Solid circular. Mallado de 1mm de espesor. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 89 7. ESTUDIO FRENTE A FATIGA 7.1 INTRODUCCION El siguiente ensayo se ha realizado en la Nave 5 Ingeniería Mecánica del bloque de naves del edificio Betancourt (EINA) , en Zaragoza. Figura 7.1.1 La probeta se sujeta mediante un utillaje que permite el giro en los apoyos de la probeta. Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 96 *CLOAD, OP=NEW CARGA4KN, 2, -44.11 ** ** ** *DLOAD, OP=NEW ,GRAV,9.81, 0, -1, 0 ** ** *NODE PRINT U, ** *EL PRINT, POS=INTEG S, E, ** ** *OUTPUT, FIELD *NODE OUTPUT U, RF, CF, ** *OUTPUT, FIELD *ELEMENT OUTPUT S, PEEQ E, ** ** *EL FILE,POSITION=integration point,FREQ=100 IEP,EEP SINV, ** ** *END STEP ** ** *STEP, AMPLITUDE=RAMP,NLGEOM, inc=100 ** *STATIC 0.01,1,0.00001,0.2 ** ** ** ** Carga4kN ** *CLOAD, OP=NEW CARGA4KN, 2, -78.43 ** Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 97 ** ** *DLOAD, OP=NEW ,GRAV,9.81, 0, -1, 0 ** ** *NODE PRINT U, ** *EL PRINT, POS=INTEG S, E, ** ** *OUTPUT, FIELD *NODE OUTPUT U, RF, CF, ** *OUTPUT, FIELD *ELEMENT OUTPUT S, PEEQ E, ** ** *EL FILE,POSITION=integration point,FREQ=100 IEP,EEP SINV, ** ** *END STEP ** ** *STEP, AMPLITUDE=RAMP,NLGEOM, inc=100 ** *STATIC 0.01,1,0.00001,0.2 ** ** ** ** Carga4kN ** *CLOAD, OP=NEW CARGA4KN, 2, -9.80 ** ** ** *DLOAD, OP=NEW Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 98 ,GRAV,9.81, 0, -1, 0 ** ** *NODE PRINT U, ** *EL PRINT, POS=INTEG S, E, ** ** *OUTPUT, FIELD *NODE OUTPUT U, RF, CF, ** *OUTPUT, FIELD *ELEMENT OUTPUT S, PEEQ E, ** ** *EL FILE,POSITION=integration point,FREQ=100 IEP,EEP SINV, ** ** *END STEP El archivo se guarda con el nombre “ProbetaT3-3.2kN.inp” Paso 2: Ejecutar archivo en ABAQUS COMMAND, se abre la aplicación ABAQUS COMMAND, primero hay que situarse en la carpeta donde se encuentran los archivos. Figura 7.2.3 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 99 (en este caso “C:\Gente\lmañez\3_FATIGA\prueba”) y donde se quiere que se guarden los resultados, y a continuación se escribe el siguientes comando: abq651 Sub-fatiga- alternante.exe , abq651 hace referencia a la versión de ABAQUS COMMAND con la que se calcula. “Sub-fatiga-alternante.exe” hace referencia a la subrutina para el cálculo a fatiga Figura 7.2.4 Paso 3: Después se escribe el nombre del fichero input que se ha modificado anteriormente “ProbetaT3-3.2kN.inp”. Se pulsar Enter Figura 7.2.5 Paso 4: Comienza la lectura de datos, y el programa crea el archivo “ProbetaT3-3.2kN.fin”. Renombrar el archivo”.fin” cambiándole la extensión a la de “.fil” ->“ProbetaT3-3.2kN.fil”. Figura 7.2.6 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 100 Paso 5: Se pide el archivo “.fil”, se cita “ProbetaT3-3.2kN.fil”. y se comienza a calcular. Figura 7.2.7 . . . PROGRAM FINISHED SUCCESSFULLY . . .indica que el cálculo ha sido satisfactorio Paso 6: Se crea una base de datos MSCPATRAN en la cual hay que importar la geometría del modelo y los resultados. Importar Geometría: En la barra de herramientas de PATRAN seleccionar en el botón de Analysis/ Read Input/ Model Data/ Select Input File… , seleccionar el archivo “.inp” y pulsar “Apply”. (Figura Paso 4a) Importar Resultados: Seleccionar Analysis/ Read Results/ Result Entities/ Translate/ Select Result File…, seleccionar el archivo “.fil” (renombrado en el Paso 4) (Figura Paso 6b ) Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 101 Figura 7.2.8 Paso 6a Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 102 Figura 7.2.9 Paso 6b Paso 7: Para ver los resultados se selecciona la pestaña Results/ Create/ Fringe , se selecciona el Step_Load_Case_3, Step3 , y Stress, Tresca , y se pulsa el botón de Apply (Figura Paso 5a). PATRAN nos muestra el resultado del análisis. ( Figura Paso 5b) Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 103 Figura 7.2.10 Paso 7a Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 104 Figura 7.2.11 Paso 7b 7.3. RESULTADOS EXPERIMENTALES DE LABORATORIO No se ha tenido tiempo para obtener todos los resultados del laboratorio antes de la redacción de este proyecto, se han hecho ensayos con ciclo de compresión con 3.2kN y 4.4kN. En el de 3.2kN la probeta no ha llegado a plastificar, mientras que en el 4.4kN, la probeta ha plastificado a los 97000 ciclos. 7.4. CONCLUSIONES Se ha observado que en los primeros ensayos con ciclo de compresión no se ha producido fallo en la soldadura. Una razón por la cual la probeta no falla podría ser que los fabricantes de materiales aunque indiquen que el valor del S235JR es de 360-510 MPa de resistencia a tracción, realmente su resistencia es mayor ya que trabajan con un margen de seguridad. Figura 7.3.1 Ingeniería Técnica Industrial Mecánica Análisis de uniones soldadas de componentes de semirremolque para la predicción de fallo frente a fatiga Luis Máñez 105 Por esta razón se está preparando un utillaje para ensayar la probeta también a tracción Figura 7.3.2 Para hacer el ensayo a tracción se necesita un nuevo utillaje que mediante unas mordazas sujeta la probeta. Figura 7.3.3 Utillaje con mordazas Hipótesis de resultados: En este caso posiblemente se producirá el fallo en la unión soldada, ya que es el lugar donde se encuentran los concentradores de tensiones y donde la porosidad del cordón de soldadura reduce el límite de fatiga de la probeta. Mediantelaherramienta Geometrysecreanlos puntos puntos Geometry‐>Create/Point/XYZ 4 Geometry‐>CreateCurvePoint Yposteriormenteseunenlospuntosparacrearuna fi i i l d l í super fi c i e. As i seconc l uyeto d a l ageometr í a necesariaparaelmodelo. 5 4.1.2.1.2Mallado Paramallarunasuperficiese utilizalaherramienta , seeli g en , g elementosQuad (tipoShellde dosdimensiones)yaquealextruir la malla inicial se les añade la  malla  inicial , se  les  añade  profundidadyestosse convertiránenelementos idi i l i tr idi mens i ona l es.Set i ene especialcuidadoenelmalladode la parte de la unión soldada, ya la  parte  de  la  unión  soldada,  ya  quelosnodosdeelementos próximosdebenestarenlamisma posición para hacer una malla posición  para  hacer  una  malla  uniforme. Elements ‐ > Create / Mesh / Surface Elements >  Create / Mesh / Surface 6 Paraellosedivideen variaspartesy posteriormente se malla posteriormente  se  malla  cadaunaporseparado. 7 Se repite el proceso Se  repite  el  proceso  hastacompletarla mallaentodala su p erficie. p 8 Posteriormente se Posteriormente  se  extruye ala profundidad del profundidad  del  modeloyseindicael numerodeelementos quesedeseancrearen esadirección,ola longituddecadauno. 9 4.1.2.1.3CREACIÓNDELOSGRUPOS Group‐>Create/SelectEntity Paratrabajarconmáscomodidadsecreaungrupollamado“Todo_Fem” i d l l i C3D8R (l idi i l quecont i eneto d os l ose l ementost i po C3D8R  ( e l ementostr idi mens i ona l es tiposolid)yseeliminanloselementosShellylageometría. 10 4.1.2.1.4UNIFICACIÓNDELOSNODOS Elements > Equivalence / All / Elements ‐ > Equivalence / All / Tolerance Cube LaherramientaEquivalence seutiliza paraunificarlosnudosqueestánen el mismo espacio de esta forma el  mismo  espacio , de  esta  forma  todosloselementosquedanunidos. 11 Alma Secreantresgruposnuevosque contenganloselementosdecada parte de la probeta para facilitar la Ala Cordon parte  de  la  probeta  para  facilitar  la  asignacióndelosmateriales. 12 4.1.2.1.5MATERIALES Elsiguientepasoesla creacióndelossiguientes materiales:Alma m _ 13 4122CÁLCULO DEL MODELO 4 . 1 . 2 . 2  CÁLCULO  DEL  MODELO Sehanutilizadolosprogramas“MD2.1 Patran ” y “ Abaqus 611 2 ” para hacer el Patran  y  Abaqus  6 . 11 ‐ 2  para  hacer  el  análisisdelmodelo,lospasosquesehan seguidosonlossiguientes: 20 4.1.2.2.1 ANALISISCONCARGAS ConlaherramientaAnalysisseanalizaelmodelo Analysis/Analyze/Entire Model/ Full Run Model/  Full  Run EnlacarpetadondeseencuentraelarchivodePatransecreaun archivodetexto“.inp”quesecompilaráconAbaquscommand 21 4.1.2.2.1COMPILACIÓN El archivo “ inp ” es totalmente modificable El  archivo . inp  es  totalmente  modificable , loquesignificaquesisequierecambiar datoscomopropiedadesdelmaterial,carga aplicada etc se puede hacer directamente aplicada , etc , se  puede  hacer  directamente  enelarchivodetextosinnecesidaddeabrir Patran. 22 4.1.2.2.2MODIFICACIÓNPARAELCALCULOCON CARGAS CARGAS Secambianlosti p osde p elemento: ELEMENTOSSOLID C3D8 >C3D8R C3D8 ‐ >  C3D8R ELEMENTOSSHELL S4R5‐>S4R 23 4.1.2.2.3MODIFICACIÓNPARAELCALCULODEL ANÁLISIS MODAL ANÁLISIS  MODAL Cartadeanálisismodal: **Step1 ** ** *STEP ** *FRE Q UENCY Q 20,,1000,,, ** Nºdevalores propios20 á f ** Mínimafrecuenciade M á xima f recuencia deinterés1000Hz interés,sinrestricción 24 4.1.2.3POSTPROCESOCON ABAQUSVIEWER Sehautilizadoelprograma“Abaqus Vi ” ilillt d Vi ewer ” parav i sua li zar l osresu lt a d os obtenidos,lospasosquesehanseguido son los siguientes: son  los  siguientes: 25 4.1.2.3.1VISUALIZACIÓNDERESULTADOSCON ABAQUS VIEWER ABAQUS  VIEWER Se abre el archivo Se  abre  el  archivo  “.odb”quecrea Aba q usCommand ,  y  q , y sevisualizanlos resultadosdelmodelo 26 ANEXO 4 1 3 MODELOS ANEXO 4 . 1 . 3 MODELOS MEF Se han realizado 8 modelos para contrastar los resultados y elegir posteriormente el más preciso resultados y elegir posteriormente el más preciso comparándolos con los resultados experimentales del laboratorio. Varia el tipo de mallado de las placas y del cordón, se utilizarán elementos tipo Shell y Solid. ELEMENTOS TIPO SHELL ELEMENTOS TIPO SHELL • Son elementos de mallado de dos • Son elementos de mallado de dos dimensiones. Quad Quad Tria ELEMENTOS TIPO SOLID • Son elementos de mallado de tres dimensiones dimensiones . Hex Hex Tt T e t 4º Modelo Grupo Tipo de malla Dimensiones mm malla (largo x ancho x alto) Alma Hex8 1.5x1.5x1.5 Ala Hex8 1.5x1.5x1.5 Cordones Hex8 1.5x1.5x1.5 G Ti d Di i 5º M d l G rupo Ti po d e malla Di mens i ones mm malla (largo x ancho x alto) Al H8 15 15 15 5º M o d e l o Al ma H ex 8 1 . 5 x 1 . 5 x 1 . 5 Ala Hex8 1.5x1.5x1.5 Cordones Hex8 1.5x1.5x1.5 6º Modelo Grupo Tipo de malla Dimensiones mm malla (largo x ancho x alto ) 6º Modelo ) Alma Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Cordones Quad4 1x1x1 7º Modelo Grupo Tipo de malla Dimensiones mm malla (largo x ancho x alto ) ) Alma Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Cordones Hex8 1x1x1 8º Modelo Grupo Tipo de malla Dimensiones mm malla (largo x ancho x alto ) ) Alma Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Ala Quad4 1x1x1 Cordones Hex8 1x1x1