Parte 10 Tipos de análisis estructural y datos de materiales requeridos

Contenido

1. ¿Qué es el análisis estructural?

2. Tipos de análisis estructural (análisis estructural lineal, análisis estructural no lineal)

3. Análisis estructural aplicado (análisis dinámico, análisis de tensión térmica)

4. Resumen

1. ¿Qué es el análisis estructural?

El análisis estructural CAE (análisis de tensiones) es un análisis que se realiza para confirmar los efectos de las cargas sobre las estructuras y sus componentes (comportamiento de deformación, estado de deformación interna de las piezas, seguridad). Analiza si las especificaciones de diseño para lograr el propósito y la función del producto están libres de problemas en términos de mecánica estructural. En concreto, verifica si la estructura está diseñada para mantener una resistencia y durabilidad suficientes mediante la visualización del comportamiento de deformación y la distribución de tensiones mediante el análisis estructural.
También se utiliza para investigar la causa de los daños que sufre un producto cuando este se daña durante una prueba o un accidente. Es una tecnología esencial en la fabricación.

El tipo más básico de análisis estructural es el análisis estructural lineal. El análisis estructural lineal es un análisis que calcula el comportamiento de la deformación estática asumiendo propiedades elásticas. En el diseño, la deformación y las tensiones para las cargas en condiciones de diseño deben estar dentro de la deformación elástica, y las formas estructurales se diseñan y los materiales se seleccionan para lograr esto.

Otros métodos incluyen el análisis estructural no lineal que considera la deformación plástica de los materiales debido a una gran deformación, el análisis dinámico que considera la carga instantánea (carga de impacto) y el análisis de fluencia que evalúa el efecto de fluencia causado por una carga prolongada.
En productos reales, las cargas que actúan sobre ellos cambian con el tiempo, se producen fenómenos de fluencia con el uso a largo plazo y se producen fenómenos dinámicos debido a la carga instantánea. Sin embargo, en el rango de corto plazo, cuando la respuesta a la carga no es significativa o está en estado estable, se trata como un fenómeno estático. Esto permite un análisis estructural más eficiente ya que las condiciones de contorno son menos complejas y la carga computacional es menor que para los fenómenos dinámicos.

La siguiente sección describe los tipos de análisis estructural que se utilizan con frecuencia.

Tipos de análisis estructural

Uno de los elementos de entrada más importantes para el análisis estructural es la curva de esfuerzo-deformación (curva SS). Una curva de esfuerzo-deformación es una representación gráfica de la relación entre la deformación y el esfuerzo cuando un material se deforma, y su forma difiere según el material. Por ejemplo, la Figura 1 muestra la curva de esfuerzo-deformación del acero inoxidable.
Las propiedades del material obtenidas a partir de las curvas de tensión-deformación a medida que los materiales se deforman son información esencial en el análisis estructural.

■ Análisis estructural lineal

1. Descripción general

El análisis estructural lineal es un método analítico que supone que la deformación y las tensiones en una estructura son lo suficientemente pequeñas como para que no se produzcan fallos. Como se muestra en la figura 1, existe una relación proporcional entre la tensión y la deformación dentro de un rango de deformación (deformación) pequeña, y esta región se denomina región elástica. El análisis estructural lineal es un método de análisis que supone las propiedades de esta región elástica. Este método de análisis se utiliza en muchas situaciones porque requiere menos condiciones de entrada y menos tiempo de análisis.

2. Datos requeridos

Datos CAD, módulo de Young, coeficiente de Poisson, condiciones de contorno de carga

3. Resultados

Comportamiento de deformación, desplazamiento, distribución de tensiones, deformación, etc.

4. Puntos a tener en cuenta

Este análisis se basa en el supuesto de que las cargas, las condiciones de sujeción, etc. no cambian con el tiempo. Dado que el análisis se realiza dentro de un rango pequeño de deformación, no es posible analizar el estado de fractura, etc.

 

■ Análisis estructural no lineal

1. Descripción general

El análisis estructural no lineal es un método de análisis que considera grandes deformaciones y comportamientos rotacionales de las estructuras (= no linealidad geométrica) y supone que los materiales se deforman dentro de su rango plástico (= no linealidad del material). En muchos casos, el análisis de los fenómenos reales será no lineal, por lo que estas no linealidades deben tenerse en cuenta para calcular fenómenos más realistas en el análisis.

• No linealidad del material
  La región donde la relación tensión-deformación (curva SS) ya no es proporcional después del punto de fluencia de un material se denomina región plástica. Si se considera la curva SS, que incluye esta región plástica, como una propiedad física, se denomina no linealidad del material.
• No linealidad geométrica
  Este método se utiliza para tener en cuenta los casos en los que grandes deformaciones o comportamiento rotacional hacen que la dirección de las cargas cambie de antes a después de la deformación (ver la figura siguiente). Este método se utiliza cuando se producen grandes cambios en los elementos, como grandes deformaciones que se pueden confirmar visualmente.

2. Datos requeridos

Módulo de Young, coeficiente de Poisson, curva SS (tensión-deformación real)

3. Resultados

Distribución de tensión, cantidad de deformación, modo de deformación

4. Puntos a tener en cuenta

Al crear curvas SS a partir de pruebas de tracción, la deformación obtenida al dividir el desplazamiento adquirido por la longitud original se denomina “deformación nominal”, y la tensión obtenida al dividir la carga adquirida por el área de la sección transversal antes de la deformación se denomina “tensión nominal”. Al realizar un análisis estructural que considera la deformación plástica, que supone una gran deformación, las curvas SS creadas con tensión nominal y deformación nominal no pueden representar con precisión el comportamiento de la deformación. La deformación nominal se debe convertir en deformación real y la tensión nominal en tensión real, respectivamente, para su uso en el análisis estructural.

Análisis estructural aplicado

■ Análisis dinámico (análisis de impacto)

1. Descripción general

Este análisis se utiliza cuando las cargas se aplican de forma instantánea y abrupta, como en el caso de una colisión. Se utiliza cuando se supone tal situación en las especificaciones del producto o para investigar la causa de la falla.

2. Datos requeridos

Datos CAD, módulo de Young, coeficiente de Poisson, densidad, condiciones de contorno de carga (posiblemente también condiciones iniciales de velocidad y aceleración)

3. Resultados

Comportamiento de deformación, distribución de desplazamiento, distribución de velocidad, distribución de aceleración, tensión, deformación

4. Puntos a tener en cuenta

Los plásticos tienen la propiedad de que las propiedades del material varían según la tasa de deformación (dependencia de la tasa de deformación). Por lo tanto, si la tasa de deformación en el punto de medición es alta, las curvas SS obtenidas a partir de pruebas de tracción a bajas velocidades pueden no ser precisas para el análisis. La precisión del análisis se puede mejorar utilizando un probador de tracción de alta velocidad para obtener curvas SS a altas tasas de deformación e incorporándolas a la información de entrada para el análisis estructural.

 

■ Análisis de estrés térmico

1. Descripción general

Como se muestra en la figura siguiente, los materiales se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. Este análisis estructural tiene en cuenta la expansión y la contracción causadas por los cambios de temperatura.

2. Datos requeridos

Datos CAD, módulo de Young, coeficiente de Poisson, coeficiente de expansión lineal, temperatura inicial, temperatura final

3. Resultados

Comportamiento de deformación, distribución de tensiones, distribución de deformaciones, distribución de desplazamientos, distribución de temperaturas

4. Puntos a tener en cuenta

Si un objeto se encuentra en un estado libre sin restricciones, se expande sin resistencia y no se produce tensión térmica. Sin embargo, puede producirse tensión térmica si el objeto está restringido, si la distribución de temperatura dentro del objeto es desigual o si el objeto es una estructura compuesta de diferentes materiales. Por lo tanto, si se espera que un objeto se utilice en un entorno de alta temperatura, a menudo es necesario realizar un análisis de tensión térmica que tenga en cuenta los efectos de la expansión térmica.​

Resumen

Se presentaron varios métodos de análisis estructural y la información requerida/obtenida para cada método. En cualquier análisis estructural, los datos CAD, las propiedades físicas (módulo de Young, coeficiente de Poisson) y las condiciones de contorno de carga son la información mínima necesaria, por lo que es necesario prepararlos con anticipación.
El análisis estructural aplicado, como el análisis no lineal y el análisis dinámico, tiene el potencial de proporcionar un comportamiento más cercano a los fenómenos reales, pero la información que debe prepararse con anticipación a menudo presenta un gran obstáculo para el modelado. A menudo es posible estudiar sin problemas realizando primero el análisis utilizando un análisis estructural lineal simplificado y luego aumentando gradualmente la complejidad del modelo siguiendo los pasos.​

 

En la siguiente parte, explicaremos el análisis de fluencia y fatiga de los plásticos, que no pudimos cubrir en este artículo.

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