Ingeniería Mecánica · 2022
Análisis experimental y numérico del factor de Intensidad de Esfuerzo (KI) en modo de esfuerzo mixto utilizando el Ensayo Arcan
En este proyecto de grado se desarrolla una propuesta que permite definir factores de intensidad de esfuerzos para diferentes modos de falla basado en la implementación de un ensayo arcan a partir de modelos experimentales y modelos computacionales, se estudia el comportamiento de los factores de intensidad de esfuerzos Ki para materiales metálicos, en este caso el material utilizado fue una aleación de Aluminio Al 1100 H14 la cual es muy utilizada en las industrias automovilísticas y aeronáuticas. En este proyecto se desarrollaron pruebas para diferentes modos de falla, 0° (modo 2 – cortante puro), 45° (modo mixto) y 90° (modo 1 – axial puro), dichas pruebas fueron realizadas de manera experimental y computacionalmente. En la parte experimental se utilizó un ensayo ARCAN, dicho modo de implementación y características se muestran en este documento, a partir del cual se obtuvieron valores de fuerzas y desplazamiento aplicados a la probeta en estudio, con los cuales se calcularon los factores de intensidad de esfuerzos Ki para cada uno de los modos de falla; para el desarrollo computacional de este proyecto se utilizó el software Ansys Workbench en el cual se desarrolló un modelo en elementos finitos que permitió estimar los factores de intensidad de esfuerzo para los diferentes modos de falla estudiados. Una vez se obtuvieron los resultados experimentales y computacionales se buscó realizar una comparación mediante la determinación de porcentajes de errores entre estos resultados. Con este estudio se pudo demostrar que la utilización del software Ansys Workbench es viable en la determinación de factores de intensidad de esfuerzo para diferentes modos de falla en ensayos tipo ARCAN aplicado a materiales metálicos.
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Contenido
- Descripción Del Problemap. 9
- Justificaciónp. 11
- Objetivosp. 12
- 3.1 Objetivo Generalp. 12
- 3.2 Objetivos Específicosp. 12
- Marco Teóricop. 13
- 4.1 Ensayo Arcanp. 13
- 4.1.1 Sujetadorp. 13
- 4.1.2 Semi – discosp. 14
- 4.1.3 Probetasp. 14
- 4.3 Fracturap. 16
- 4.4 Clases de fracturasp. 16
- 4.4.1 Fractura lineal elásticap. 16
- 4.4.2 Fractura elastoplásticap. 16
- 4.4.3 Colapso plásticop. 16
- 4.5 Modos de fracturap. 18
- 4.6 Grietap. 18
- deformación plana y carga estática (KIC)p. 18
- 4.7.1 Probeta compactap. 20
- 4.7.2 Probeta flexiónp. 20
- 4.8 Método de elementos finitos (MEF)p. 20
- Análisis de la Información Recopiladap. 21
- Metodologíap. 22
- 6.1 Metodología Ensayo Arcanp. 22
- 6.2 Resultadosp. 25
- 6.2.1 Modo I (90°)p. 26
- 6.2.2 Modo II (0°)p. 27
- 6.2.3 Modo Mixto (45°)p. 28
- Metodología Parte Computacionalp. 31
- 7.1 Geometríap. 31
- 7.2 Propiedades del Materialp. 33
- 7.3 Malladop. 33
- 7.4 Condiciones de Contorno y Análisisp. 35
- 7.5 Resultados Análisis 3Dp. 35
- 7.5.1 Esfuerzosp. 36
- 7.6 Procedimiento Simulación 2Dp. 37
- 7.7 Resultados Finalesp. 39
- Fallap. 42
- Conclusionesp. 44
- Referencias Bibliográficasp. 45
- Tabla 1. Resultados experimentalesp. 29
- Tabla 2. Resultados experimentales Kip. 31
- Tabla 3. Resultados KI y KII para los diferentes modos de fallap. 40
- Tabla 4. Relación porcentual entre KI y KIIp. 42
- Tabla 5. Resultados de Ki (Arcan) y Ki (Ansys)p. 42
- Tabla 6. Porcentajes de error entre Ki (Arcan) y Ki (Ansys)p. 44
- Figura 1. Materiales usados en un aviónp. 10
- Figura 2. Chasis de automóvilp. 10
- Figura 3. Herramienta (Sujetador)p. 13
- Figura 4. Herramienta (Semi - discos)p. 14
- Figura 5. Probeta ensayo Arcanp. 15
- Figura 6. Categoría de fracturas de acuerdo con la extensión de la zona plásticap. 17
- Figura 7. Modos de fracturap. 18
- Figura 8. Probeta flexión y probeta compactap. 19
- Figura 9. Ecuación para cálculo de KI para probetas de tracción compactap. 20
- Figura 10. Ecuación para cálculo de KI para probetas de flexiónp. 20
- Figura 11. Ensamble probeta y semidiscosp. 23
- Figura 12. Ubicación de sujetadores según el ángulo en análisisp. 24
- Figura 13. Acople ensayo arcan con maquina tracciónp. 25
- Figura 14. Probeta fracturada (Modo I)p. 26
- Figura 15. Gráfica F vs D (Modo I)p. 26
- Figura 16. Probeta fracturada (Modo lI)p. 27
- Figura 17. Gráfica F vs D (Modo lI)p. 27
- Figura 18. Probeta fracturada (Modo mixto)p. 28
- Figura 19. Gráfica F vs D (Modo mixto)p. 28
- Figura 20. Grafica F vs D de todo el ensayop. 29
- Figura 21. Modelo de Probetap. 32
- Figura 22. Modelo ensayo Arcan 3Dp. 32
- Figura 23. Propiedades del material de la probetap. 33
- Figura 24. Modelo 3D con mallap. 34
- Figura 25. Detalle de refinamiento de la malla en la punta de la grietap. 34
- Figura 26. Condiciones de contorno sobre el modelop. 35
- Figura 27. Esfuerzos sobre la probeta en la dirección Zp. 36
- Figura 28. Probeta 2D con mallap. 37
- Figura 29. Selección del sistema de coordenadas en la probetap. 38
- Figura 30. Condiciones de contorno sobre superficie de la probetap. 39
- Figura 31. Resultado KII modelo 0°p. 40
- Figura 32. Gráfico KI vs KIIp. 41
- Figura 33. Ki teórico Vs Ki Experimentalp. 43