Evaluación mediante Ansys de la resistencia a fatiga de uniones

89 Pages·2015·5.43 MB·Spanish

EVALUACIÓN MEDIANTE ANSYS DE LA RESISTENCIA A
FATIGA DE UNIONES SOLDADAS DE CARROCERÍAS DE
VEHÍCULOS DE TRANSPORTE.

MASTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA MECÁNICA
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales
Universidad Politécnica de Madrid

Edgar Sarmiento M14049

Tutores: Dr. Enrique Alcalá Fazio
Daniel Arribas Mantelli
Evaluación mediante Ansys de la resistencia a fatiga de uniones soldadas de carrocerías de vehículos de transporte.

AGRADECIMIENTOS

A Mi esposa, por su incondicional apoyo y ayuda en la elaboración de este trabajo,
por ser mi compañera de aventura de vida.

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Evaluación mediante Ansys de la resistencia a fatiga de uniones soldadas de carrocerías de vehículos de transporte.

RESUMEN
En la fabricación de coches y vagones de transporte de vehículos ferroviarios, se utiliza a
la soldadura como medio para la unión de juntas de los componentes y ensamblajes de los
mismos. Los requisitos que deben cumplirse para cualquier construcción soldada son la
seguridad y la fiabilidad, para lo cual es de suma importancia realizar el análisis del
comportamiento a fatiga de cada soldadura, ya que éste fenómeno influye de forma directa
en la durabilidad de la estructura.

La fatiga es la causa de fallo más común en estructuras soldadas, así como el criterio de
diseño más exigente. Por lo que debe realizarse una consideración en detalle de las zonas
con mayor probabilidad de fallo por fatiga, es decir, discontinuidades en la sección del
material, concentración de tensiones, y en defectos propios del proceso de fabricación de
las uniones soldadas de una estructura.

El código técnico DVS 1612; 2014-08 es uno de los más aplicados para la evaluación de
resistencia a la fatiga, este código utiliza el método de la tensión nominal. Sin embargo es
importante realizar previamente el análisis numérico de las uniones soldadas del diseño de
construcción mediante el método de los elementos finitos (MEF) a través del programa
informático Ansys. Se evalúa la fatiga a través de modelos que se encuentran validados
mediante ensayos de extensiometría y cuyos resultados están recogidos en normas y
códigos como este.

Como se ha indicado, existe la necesidad de que a través de un software como Ansys se
pueda de manera automática aislar los elementos adyacentes a una soldadura, clasificar
las principales soldaduras de acuerdo a su tipo de junta, aplicar varios estados de carga y
obtener las tensiones en todos los elementos de las soldaduras con referencia a un sistema
de coordenadas local; para que posteriormente se dé un tratamiento a estos datos de una
manera más ágil que permita una evaluación precisa de los elementos de la soldadura que
no están cumpliendo con código técnico DVS 1612;2014-08. Ya que usualmente la
aplicación de este tipo de normas o códigos se realiza de manera manual o poco
automatizada, resultando un proceso tedioso y complicado.

En el presente trabajo de fin de master se presenta una metodología para facilitar la
aplicación del código técnico DVS 1612; 2014-08, para la evaluación de la resistencia a la
fatiga de uniones y juntas soldadas.

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Evaluación mediante Ansys de la resistencia a fatiga de uniones soldadas de carrocerías de vehículos de transporte.

En el capítulo 1, se parte de una introducción que plantea los antecedentes en la industria,
la importancia de la consideración del fenómeno de la fatiga en el diseño de estructuras y
en especial de vehículos ferroviarios, y se justifica la implantación de una metodología para
la aplicación de una de las normativas técnicas más usadas en el sector ferroviario, como
lo es la DVS 1612; 2014-08.

En el capítulo 2, se indica el objetivo principal del presente trabajo de fin de master el cual
es evaluar con la ayuda del software comercial Ansys, la resistencia a la fatiga de uniones
soldadas de carrocerías de vehículos de transporte ferroviario.

En el capítulo 3 se explica el fenómeno se la fatiga, sus características, factores y
definiciones más importantes. Posteriormente se hace una exposición del estado del arte
sobre los principales métodos para calcular la resistencia a la fatiga en estructuras
soldadas, entre los más utilizados están: método de la tensión nominal, método del punto
crítico, método de entalladura, y método de mecánica de fractura [LEFM]. Se explica el
principio básico de cada método y se cita una comparación de estos métodos de
evaluación. Por último, dentro de este capítulo se proporciona una introducción al método
de elementos finitos [MEF] explicando las bases sobre este método de análisis numérico.

En el capítulo 4 se trata la metodología usada en el presente trabajo, describiendo primero
el software Ansys y sus características básicas, los tipos básicos de elementos finitos y
una introducción al lenguaje paramédico de programación de Ansys [APDL].
Posteriormente se realiza un análisis de las formas de simular una unión soldada mediante
elementos finitos, se analiza las ventajas desventajas de usar elementos solidos o
elementos de área [shell] para justificar la elección en este trabajo de usar elementos de
área para el análisis de resistencia a la fatiga.

Por último dentro del capítulo 4 se explica el código técnico DVS 1612; 2014-08, uno de
los códigos más usados para la evaluación de la fatiga en vehículos ferroviarios que usa el
método de evaluación de fatiga mediante la tensión nominal en base a detalles
constructivos de las uniones juntas soldadas. Se explican los conceptos básicos
necesarios para comprender su utilización y como se efectúa la evaluación de resistencia
a la fatiga aplicando el código.

En el capítulo 5 se explica la rutina realizada en lenguaje APDL para clasificar, y obtener
las tensiones normales y cortantes necesarias para la aplicación del código técnico DVS
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Evaluación mediante Ansys de la resistencia a fatiga de uniones soldadas de carrocerías de vehículos de transporte.

1612; 2014-08. Se explica el uso de un fichero Excel que se ha realizado para aplicar la
evaluación a la fatiga de acuerdo al código técnico mencionado.

Por último se presentan las conclusiones, en las cuales se indica que se realizó una rutina
de programación en lenguaje APDL de Ansys, que permite de manera automática aislar
los elementos adyacentes a una soldadura, clasificarlos de acuerdo al tipo de soldadura y
obtener las tensiones longitudinales y perpendiculares que se necesitan para aplicar en
posterior la evaluación de resistencia a la fatiga de acuerdo al código técnico DVS 1612;
2014-08, reduciendo de manera importante el tiempo necesario para aplicar este tipo de
códigos técnicos, y a través de Excel determinar los elementos que no pasan la evaluación
de la resistencia a la fatiga en su diseño para que sean rediseñados o revisados,
produciendo que la evaluación de la fatiga de estructuras de vehículos ferroviarios se
vuelve más ágil, ahorrando tiempo en su análisis.

PALABRAS CLAVE:
Soldadura, fatiga, resistencia, DVS1612, elementos finitos, Ansys, vehículo, ferroviario.

CODIGOS UNESCO:
331209 Resistencia de materiales
331300 Tecnología e ingeniería Mecánica
332399 Otras de tecnologías de los ferrocarriles

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INDICE

1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................................11
1.1 Antecedentes .....................................................................................................11
1.2 Justificación .......................................................................................................12
2 OBJETIVOS .............................................................................................................13
2.1 Objetivo general ................................................................................................13
2.2 Objetivos específicos .........................................................................................13
3 BASE TEÓRICA .......................................................................................................14
3.1 Fatiga ................................................................................................................14
3.1.1 Mecanismo de fallo de fatiga ......................................................................14
3.1.2 Cargas cíclicas en fatiga .............................................................................15
3.1.3 Resistencia a la fatiga .................................................................................16
3.2 Fatiga en uniones soldadas ...............................................................................17
3.2.1 Factores que influyen en la resistencia a la fatiga .......................................18
3.3 Métodos de evaluación de la fatiga ....................................................................19
3.3.1 Método de la tensión nominal .....................................................................19
3.3.2 Método de la tensión del punto crítico (Hot spot stress) ..............................21
3.3.3 Método de la tensión de entalladura ...........................................................22
3.3.4 Método de la mecánica de fractura. ............................................................23
3.3.5 Comparación de métodos ...........................................................................24
3.4 Introducción a los elementos finitos ...................................................................25
3.4.1 Pre procesado ............................................................................................25
3.4.2 Proceso ......................................................................................................25
3.4.3 Post procesado ...........................................................................................25
4 METODOLOGÍA .......................................................................................................26
4.1 Introducción software Ansys APDL ....................................................................26
4.1.1 Tipos de elementos ....................................................................................27
4.1.2 Elementos lineales......................................................................................27
4.1.3 Elementos tipo área ....................................................................................28
4.1.4 Elementos de volumen ...............................................................................28
4.1.5 Lenguaje APDL de Ansys ...........................................................................29
4.2 Análisis de soldaduras mediante MEF. ..............................................................30
4.2.1 Análisis de soldaduras mediante elementos solidos ...................................30
4.2.2 Análisis de soldaduras mediante elementos de área. .................................31
4.3 Norma DVS 1612; 2014-08 ................................................................................32
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4.3.1 Categoría de esfuerzo ................................................................................33
4.3.2 Categoría de seguridad ..............................................................................33
4.3.3 Clases de ejecución de soldeo ...................................................................33
4.3.4 Principio de la evaluación de la fatiga. ........................................................34
4.3.5 Evaluación resistencia a la fatiga ................................................................34
5 RESULTADOS .........................................................................................................39
5.1 Diagrama de la rutina en lenguaje APDL ...........................................................39
5.2 Modelo básico ...................................................................................................41
5.2.1 Asignación de material ...............................................................................43
5.2.2 Aislamiento preliminar de los elementos adyacentes a cada soldadura: .....43
5.3 Aplicación de estados de carga: ........................................................................44
5.4 Clasificación de todas las soldaduras presentes en el diseño básico.................45
5.5 Obtención de tensiones nominales ....................................................................48
5.5.1 Exportación de los datos obtenidos. ...........................................................50
5.6 Post procesado de datos en Microsoft Excel. ....................................................51
5.6.1 Importación de los ficheros txt ....................................................................51
5.6.2 Cálculo de los valores para las tensiones mínimas y máximas, ratio de
tensiones y factor de seguridad. ...............................................................................52
5.6.3 Análisis de distribución de tensiones ..........................................................59
5.6.4 Realización de un segundo análisis: ...........................................................60
5.6.5 Identificación de las soldaduras que no cumplen la norma. ........................61
5.6.6 Informe de resultados. ................................................................................62
6 CONCLUSIONES .....................................................................................................64
7 LINEAS FUTURAS ...................................................................................................65
8 BIBLIOGRAFÍA .........................................................................................................66
9 ANEXOS...................................................................................................................68
9.1 Detalle curvas MKJ acero S355 .........................................................................68
9.2 Detalle curvas MKJ acero S235 .........................................................................69
9.3 Detalle curvas MKJ cortantes acero S235 y S355 .............................................70
9.4 Resumen comando *GET de Ansys ..................................................................71
9.5 Código rutina de clasificación en lenguaje APDL ...............................................72

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INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Micro y macro fenómeno de la fatiga de un material ........................................14
Figura 2: Rotura por fatiga ..............................................................................................14
Figura 3: Parámetros de una carga cíclica .....................................................................15
Figura 4: Tipos de cargas cíclicas ...................................................................................16
Figura 5: diagrama S-N o curva de Wöhler .....................................................................17
Figura 6: Defectos en juntas de soldaduras a tope y en T .............................................18
Figura 7: Influencia de la condición superficial en la resistencia a la fatiga .....................18
Figura 8: Ejemplos de curvas S-N para diferentes tipos de uniones soldadas ................20
Figura 9: Ejemplo de distribución de tensiones en juntas soldadas .................................20
Figura 10: Distribución de tensiones en la proximidad de una soldadura en ángulo, y
ubicación de la tensión nominal. ......................................................................................21
Figura 11: Extrapolación del punto crítico. ......................................................................21
Figura 12: Punto de medición del esfuerzo ....................................................................22
Figura 13: Radio efectivo ................................................................................................23
Figura 14: Tasa de propagación de una grieta vs el rango de intensidad de la tensión o
esfuerzo ...........................................................................................................................24
Figura 15: Comparación cualitativa de precisión y complejidad de los cuatro métodos. ..24
Figura 16: Partes interfaz gráfica de usuario (GUI) Ansys APDL. ....................................26
Figura 17: Ejemplos de elementos lineales. ....................................................................27
Figura 18: Ejemplo de elemento 2D o de área. ...............................................................28
Figura 19: Ejemplo de elementos Shell. ..........................................................................29
Figura 20: Ejemplo elemento solido 3D...........................................................................29
Figura 21: Métodos de obtener tensiones y tensiones para evaluación de fatiga. ..........30
Figura 22: Modelos de elementos finitos mediante área (shell) y sólidos. .......................31
Figura 23: Comparación entre modelado por sólidos y por elementos de área. ..............32
Figura 24: Ejemplo unión soldada, apéndice B DVS 1612; 2014-08. ..............................35
Figura 25: Tensiones en una soldadura en concordancia con DVS 1612; 2014 08 .........35
Figura 26: Diagramas MKJ para tensiones normales para acero S355 ...........................37
Figura 27: Diagramas MKJ para tensiones normales para acero S235 ...........................37
Figura 28: Diagramas MKJ para tensiones cortantes para aceroS355 y S235. ...............38
Figura 29: Rutina preliminar de clasificación y evaluación de soldaduras .......................39
Figura 30: Rutina de clasificación y obtención de resultados de soldaduras ...................40
Figura 31: Modelo básico de la geometría de ejemplo. ...................................................41
Figura 32: Uniones creadas en el modelo ejemplo .........................................................42
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Figura 33: Propiedades de todos los materiales asignados ............................................43
Figura 34: Aislamiento de los elementos adyacentes a cada soldadura..........................44
Figura 35: Aplicación de cargas y condiciones de contorno ............................................45
Figura 36: Puntos de un plano ........................................................................................45
Figura 37: Sección de rutina de clasificación de soldaduras. ..........................................47
Figura 38: Identificación de cada grupo de soldaduras ...................................................47
Figura 39: Clasificación de todas las soldaduras presentes en el modelo. ......................48
Figura 40: Tensiones, y orientación apropiada en los elementos de una soldadura. .......48
Figura 41: Sistema de coordenadas locales ...................................................................49
Figura 42: Definición de ETABLE....................................................................................49
Figura 43: ETABLE con datos guardados .......................................................................50
Figura 44: Exportación de los datos obtenidos en Ansys a un fichero txt. .......................51
Figura 45: Importación de los datos obtenidos en Ansys de los ficheros txt a fichero Excel
........................................................................................................................................52
Figura 46: Cálculo automático de los valores para las tensiones mínimos y máximos, ratio
de esfuerzo y factor de seguridad para las tensiones longitudinales, transversales,
normales y cortantes. .......................................................................................................52
Figura 47: Determinación de tensiones fluctuantes .........................................................53
Figura 48: Identificación de soldaduras y elementos en aquellas que no necesitan un
tratamiento “Ok” y las que necesitan un tratamiento posterior “falla” y “revisar” en relación
a la curva F2- ...................................................................................................................56
Figura 49: Filtrado de los elementos con la leyenda “falla” y “revisar” .............................57
Figura 50: Representación gráfica de los elementos analizados para cada uno de sus
tensiones. ........................................................................................................................57
Figura 51: Visualización de resultados de Tensiones normales .....................................58
Figura 52: Visualización de resultados de Tensiones normales en valor absoluto .........58
Figura 53: Visualización de resultados de Tensiones cortantes .....................................59
Figura 54: Distribución de tensiones mínimas y máximas ...............................................59
Figura 55: Asíntota de distribución de tensiones. ............................................................60
Figura 56: Pestaña Resultados (2) del fichero Excel y selección de la curva
correspondiente. ..............................................................................................................61
Figura 57: Identificación de las soldaduras que no cumplen la norma. ...........................62
Figura 58: Informe de soldaduras que fallan. ..................................................................63
Figura 59: Graficas de soldaduras del segundo análisis .................................................63

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INDICE DE TABLAS

Tabla 1: Métodos de evaluación de la fatiga recomendados por la IIW ............................19
Tabla 2: Entidades en Ansys ...........................................................................................27
Tabla 3: Comandos APDL más usados en este trabajo. ..................................................30
Tabla 4: Categoría de esfuerzo, tabla 1 de la DIN/UNE 15085-3 ....................................33
Tabla 5: Clases de ejecución de soldeo (tabla 2 UNE 15085-3) ......................................34
Tabla 6: Estados de carga asignados al modelo ..............................................................44
Tabla 7: Tipos de soldaduras clasificadas ........................................................................46
Tabla 8: Criterios de identificación de elementos de acuerdo a su factor de seguridad. ...56

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