Examen de estrés y tipos de estrés en ingeniería: todo lo que necesita saber

Tabla de contenido

1. Introducción
2. Esfuerzo de tracción
3. Estrés compresivo
4. Esfuerzo cortante
5. Fatiga por estrés
6. Estres mecanico
7. Estrés térmico
8. Cabeza de cilindro
9. Bujía para SI e inyector de combustible para motores CI Apertura
10. Válvulas de admisión y escape
11. Apertura de levas y agujero de perno
12. Pasaje para refrigerante
13. Fabricación y comportamiento mecánico
14. Moldeo en arena
15. Fundición a presión
16. Fundición permanente de moldes
17. Geometría y Ambiente de Trabajo
18. Tensiones en una culata
19. Tensiones residuales
20. Prueba de estrés
21. Tensión del aro
22. Estrés Axial
23. Estrés Radial
24. Estrés debido a la presión de contacto media
25. Tensiones térmicas
26. Análisis de estrés para el motor SI
27. Resultados y discusión
28. Análisis de estrés térmico
29. Análisis de estrés para motor CI
30. Parámetros del motor
31. Prueba de esfuerzo mecánico
32. Propiedades del material utilizado
33. Resultados
34. Análisis de estrés térmico
35. Análisis Economico

Introducción

El estrés se define simplemente como la fuerza por unidad de área. Siempre tiende a cambiar la forma del cuerpo. El estrés es en realidad la medida de las fuerzas internas desarrolladas entre las moléculas del cuerpo. Estas fuerzas internas son la reacción de las fuerzas externas aplicadas sobre el cuerpo que lo deforman.

La fórmula para el estrés normal se da como:

Donde σ es la tensión, F es la carga aplicada y A es el área de superficie sobre la cual se aplica la carga

La unidad de tensión del SI es la misma que la presión, es decir, pascal o N / m 2 . También se mide en libras por pulgada cuadrada o “psi”.

Las tensiones inducidas en el componente son causadas por la resistencia interna que proporciona a las fuerzas externas que actúan sobre él. Estas tensiones dependen de la naturaleza del material del que se hace un componente específico bajo consideración. Puede haber varias tensiones producidas en el material; dependiendo del entorno al que esté expuesto el componente.

En la mecánica del continuo, el cuerpo se comporta como un continuo. Entonces, estas cargas internas se distribuyen continuamente dentro del volumen del cuerpo. Estas fuerzas causan deformación en el cuerpo. La deformación puede causar un cambio permanente en la forma del cuerpo si el material no es lo suficientemente fuerte.

Según la dirección de las fuerzas en el componente, las tensiones pueden ser:

• De tensión
• Compresivo
• Cortar
• Fatiga

Esfuerzo de tracción

Se genera una tensión en un cuerpo cuando la carga se aplica de tal manera que tiende a alargar el material a lo largo del eje de la fuerza aplicada. En palabras simples, podemos decir que la tensión de tracción se debe a tirar del cuerpo.

Estrés compresivo

Cuando la carga aplicada actúa de tal manera que reduce la longitud de ese material, la tensión generada debido a esta carga se denomina tensión de compresión. Este tipo de estrés generalmente se debe a fuerzas opuestas. Las tensiones de compresión son generalmente más altas que las tensiones de tracción en un cuerpo.

Esfuerzo cortante

El esfuerzo cortante en un cuerpo se produce cuando las fuerzas actúan paralelas al área de la superficie. Estas fuerzas se llaman fuerzas de corte. Ocurre cuando la fuerza tiende a causar deformación en un cuerpo al deslizarse a lo largo de un plano o planos paralelos al esfuerzo impuesto.

Fatiga por estrés

La fatiga ocurre cuando un material se mantiene en carga y descarga. Si las cargas están por encima de un valor específico, se comenzarán a formar grietas microscópicas en el esfuerzo. Finalmente, una grieta alcanza un tamaño crítico, la grieta se propagará repentinamente y se producirá la fractura. La forma de la estructura afecta significativamente la vida de fatiga; los agujeros cuadrados o las esquinas afiladas conducen a tensiones locales elevadas donde pueden iniciarse grietas por fatiga.

También dependiendo de las condiciones ambientales, las tensiones pueden ser:

• Mecánico
• Térmico

Estrés mecánico

El estrés simple también se llama mecánico. Estas tensiones se inducen cuando físicamente se aplica algo de carga a un objeto. La carga puede ser compresiva, extensible o cortante. Las tensiones producidas por este tipo de cargas se denominan tensiones mecánicas. Se explican anteriormente en detalle.

Estrés térmico

El estrés térmico se crea cuando se observa un cambio en el tamaño o el volumen debido a un cambio en la temperatura. La expansión o compresión térmica debido al cambio en la temperatura ambiente puede provocar tensiones térmicas. Por lo general, estos se observan en un material cuando se evita la expansión o la compresión, es decir, los extremos están fijos. La tensión térmica también puede ser compresiva o de tracción. Depende de la dirección del flujo de calor y el coeficiente de expansión térmica. Generalmente cuando un cuerpo se calienta produce tensión de compresión y cuando se enfría, se producen tensiones de tracción.

En este experimento, tenemos que analizar las tensiones en la culata del motor Honda Fit, que tienen parámetros específicos del motor, con un material adecuado. Analizaremos las tensiones mecánicas sometiéndolas a fuerzas de presión de cierta magnitud, así como a las tensiones térmicas utilizando ingeniería, tanto en motores de encendido por compresión como de encendido por chispa, usando el software CATIA. En nuestro problema, las tensiones mecánicas son de naturaleza compresiva. Entonces, al analizar las tensiones con el software, calcularemos algunos resultados

Cabeza de cilindro

En los motores de combustión interna se encuentran en la parte superior de los cilindros, formando así una cámara de combustión. Se fija con tuercas y tornillos.

Su comportamiento operativo determina las siguientes propiedades del motor:

• Salida de potencia
• Esfuerzo de torsión
• Comportamiento de emisión de gases de escape
• Consumo de combustible

Bujía para SI e inyector de combustible para motores CI Apertura

Se inserta una bujía que enciende la mezcla de aire y combustible.

Válvulas de admisión y escape

Estas válvulas se insertan a través del puente de válvulas. El puente de la válvula es una pieza de metal que se inserta durante la fundición, que es un camino a través del cual se insertan las válvulas. En él se producen tensiones axiales y axiales, cuando se genera presión en la cámara de combustión. El puente de válvulas experimenta tensiones máximas debido al menor grosor del material y a la alta temperatura causada por un enfriamiento inadecuado.

Apertura de levas y agujero de perno

Durante el análisis de tensión, los agujeros de bots sirven como condiciones límite (restricciones), donde la concentración de tensión es mayor debido a la restricción de movimiento en estas partes.

Pasaje para refrigerante

Fabricación y comportamiento mecánico

Para los motores IC, las culatas requieren altos requisitos de propiedades mecánicas. Se utilizan diferentes materiales para su fabricación. Los parámetros del motor para los que se fabrica la culata determinan qué material sería adecuado para él. Después de la selección del material, se adopta un método adecuado para fabricarlo.

Moldeo en arena

También se conoce como fundición de arena . Es un proceso de fundición de metales en el que la arena se usa como material de molde. Más del 70% de todas las piezas fundidas de metal se producen mediante este proceso.

Fundición a presión

Este proceso es rápido, confiable y rentable para la producción de componentes metálicos de alto volumen. Consiste en inyectar una aleación de metal fundido a alta presión en un molde de acero.

Fundición permanente de moldes

Este proceso emplea moldes reutilizables también llamados moldes permanentes. Los moldes se llenan por gravedad o presión de gas o vacío. 

Las propiedades mecánicas deseables para la culata son las siguientes:

• Alta resistencia a la tracción y a la fatiga.
• Alta resistencia a la fluencia a temperaturas entre temperatura ambiente y 250 grados C
• Baja porosidad
• Alta ductilidad y elasticidad.
• Alta resistencia al choque térmico.
• Peso ligero

Geometría y Ambiente de Trabajo

Actúa como un cabezal de la cámara de combustión, ya que cubre la abertura de un cilindro en el que el pistón se corresponde y mantiene la presión dentro de la cámara para ejecutar el ciclo de potencia adecuado del motor. La forma de la cámara de combustión y la ubicación de las válvulas de admisión y escape determinan la geometría general de la cabeza del motor. El diámetro del cilindro y la distancia entre los cilindros lo afectan enormemente. También permite una ruta adecuada para la entrada de aire fresco en el cilindro y para expulsar gases calientes del cilindro. Durante el ciclo de potencia, cuando el pistón alcanza el punto muerto superior y comprime la mezcla de aire y combustible, se quema y, como resultado, se produce una alta presión en la cámara de combustión. Estas fuerzas de presión ejercen carga sobre la culata debido a las tensiones que se producen en ella. Cuando se produce alta temperatura durante la combustión, para un enfriamiento apropiado, El refrigerante pasa a la culata a través del cárter y múltiples aberturas. Debido al cambio de temperatura durante la combustión, se inducen tensiones térmicas en la culata. Por lo tanto, se requiere hacer un diseño adecuado de la culata con material específico que pueda soportar tales tensiones y que no afecte el rendimiento del motor, ya que el paso de los gases de admisión y escape se verá afectado si la culata se daña.

Estas figuras muestran daños en la culata cuando las tensiones mecánicas y térmicas superan la resistencia del material debido a que se altera el diseño de la culata. Por lo tanto, es una tarea muy difícil diseñar una culata de un material específico para un tipo específico de motor.

Al observar el análisis de tensión de la culata, debemos tener en cuenta las siguientes especificaciones del motor:

• Tiempos
• Cilindro
• Máxima potencia y par producido por el motor
• Presión máxima desarrollada durante la combustión.
• Temperatura alcanzada por el motor en la cámara de combustión

Tensiones en una culata

Con respecto a su entorno de trabajo, las tensiones generadas en él son causadas por lo siguiente:

Tensiones residuales

Se refiere al estrés que está presente en la estructura o componente, mientras que no se aplica carga externa. Estas tensiones se producen durante la fabricación de culata en el proceso de fundición. Cuando se enfría un material, debido a gradientes térmicos, diferentes partes de un objeto se expanden o contraen en diferentes cantidades. Debido a esta temperatura diferencial, se producen este tipo de tensiones. En algún momento, este estrés puede aumentar la resistencia del material, luego se formará una grieta.

Se ha observado que las tensiones residuales son menores cuando el componente se apaga con aire forzado y enfriamiento más lento en lugar de enfriamiento con agua.

Prueba de estrés

Se realizó un experimento de difracción de neutrones en dos moldes semipermanentes de una culata. Una fundición se enfrió con agua y la otra se enfrió con aire fresco. Este experimento comparó las tensiones y los perfiles de tensión a lo largo del área web entre los puertos de las válvulas de admisión y escape, indicando las principales diferencias en la distribución de tensión y tensión para las dos pruebas alternativas de enfriamiento.

El objetivo de esta prueba es diferenciar el patrón de tensiones residuales en ambas piezas fundidas que se apagaron con diferentes métodos. Estas tensiones se clasificaron como:

Tensión del aro

Es el valor de la tensión que actúa circunferencialmente (en dirección de la tangente) en cada partícula en la pared del cilindro. También se llama estrés tangencial.

Ϭ t = p (r i 2 -r o 2 ) / r o 2 -r i 2 + pr i 2 r o 2 / r 2 (r o 2 -r i 2 )

Estrés Axial

Es una tensión normal que es paralela al eje del eje de simetría de la superficie cilíndrica. Está presente cuando el cilindro está cerrado.

Matemáticamente,

Ϭ = pr i 2 / r o 2 -r i 2

Estrés Radial

Este esfuerzo es normal a la superficie cilíndrica, en cada punto. Es coplanar pero perpendicular al eje de simetría.

Ϭ r = p (r i 2 -r o 2 ) / r o 2 -r i 2 + pr i 2 r o 2 / r 2 (r o 2 -r i 2 )

El sistema de ejes elegido se muestra en la figura:

El material utilizado fue aluminio A356 en ambas piezas fundidas y el gráfico para ambas puede mostrarse como:

Figura 1 (agua apagada)

Figura 2 (aire apagado)

Estos esfuerzos residuales inducidos en los puentes de válvula durante ambos tipos de enfriamiento se comparan cambiando la profundidad desde su superficie.

Estrés debido a la presión de contacto media

Se genera en el cilindro durante la combustión de la mezcla de aire y combustible. Cuando la bujía enciende la mezcla de aire y combustible, los gases formados durante la combustión producen una gran cantidad de presión en la cámara de combustión. Debido a su diseño cilíndrico, las tensiones del aro inducidas en su superficie interna y externa.

La fórmula teórica para calcular estas tensiones se da como:

Para superficie interior:

Ϭ = P c R 2 + r i 2 / R 2 -r i 2

Para superficie exterior:

Ϭ = -P C r o 2 + R 2 / r o 2 -R 2

dónde,

P c es la presión de contacto

r o es el radio exterior de la culata.

R es el radio exterior de la guía de la válvula o el radio interior de la culata.

r i es la guía de la válvula de radio interno.

Tensiones térmicas

Estos son causados ​​por fluctuaciones en el campo de temperatura del motor que provocan fatiga en las culatas. Las diferencias de temperatura entre las diferentes partes de la culata causan estas tensiones. Las regiones alrededor de las válvulas experimentan una carga térmica de los gases ardientes presentes en el cilindro durante el ciclo de combustión y también durante los gases quemados cuando fluyen a través de las válvulas de escape. El estrés térmico también depende del flujo de calor a través de diferentes partes, su conductividad térmica y enfriamiento, cuando el enfriamiento pasa a través de pasajes en la culata. Las grietas debidas al estrés por fatiga se pueden ver por primera vez en las partes más calientes de la culata.

Análisis de estrés para el motor SI

En estos motores, se utiliza la bujía. Son más ligeros que los motores de encendido por compresión. En tales tipos de motores, la presión generada en la cámara de combustión es menor debido a la baja relación de compresión. Por lo tanto, se debe usar un material apropiado para la culata de estos motores que sea más liviano y pueda soportar las tensiones máximas generadas en él debido a las fuerzas de presión.

Se muestra la culata del motor Honda Fit:

Los parámetros del motor del motor Honda Fit son los siguientes

        Velocidad de funcionamiento = 4600 rpm

A través de estos datos, podemos calcular la presión efectiva media desarrollada en la cámara de combustión, que es la causa de las tensiones mecánicas en la culata.

         P me = 2π × Tn c / V d

Para 4 tiempos

                     n c = 2

Entonces P me = 2611483Pa

Análisis de estrés mecánico:

Para el software de análisis, se utiliza el software catia. El material? Aluminio? Se aplica sobre el modelo. Después de eso, los soportes y el valor específico de presión 2611483 Pa se aplican en partes específicas del modelo. Después de que el modelo se enrede en elementos de tipo “lineal”.

Propiedades del material utilizado:

Las propiedades mecánicas del aluminio se muestran como:

Resultados y discusión

Después de aplicar restricciones y presión, obtenemos valores de tensiones producidas en la culata. Se puede ver que la magnitud del estrés en cada punto es diferente. La banda de color en la figura muestra la magnitud de las tensiones. El color rojo muestra la región donde la magnitud del estrés es mayor. El esfuerzo más alto producido en él es 2.67e + 007 Nm 2,  que es menor que el límite elástico del aluminio. Por lo tanto, podemos utilizar la culata de aluminio en el motor Honda Fit.

Análisis de estrés térmico

Para calcular la distribución de tensiones debido a la temperatura, se definen las condiciones de contorno (restricciones) y luego se aplica el campo de temperatura (carga térmica) en el modelo de malla.

Las condiciones de contorno se definen por ecuación diferencial de la siguiente manera:

k x ðT / ðx n x + k y ðT / ðy n y + k z ðT / ðz n z = α (T 2 -T 1 ).

Dónde:

K: coeficiente de conducción de calor

T 2 : temperatura del fluido

α: coeficiente de convección

T: temperatura de la superficie de la pieza

Después de aplicar las condiciones de contorno y el campo de temperatura, obtenemos algunos resultados matemáticos que muestran valores de tensiones, resultantes de la temperatura y las restricciones, en cada punto de la culata que se puede describir en la siguiente figura:

Como vemos, el esfuerzo térmico máximo es 8.66e + 009, que es menor que el límite elástico del aluminio. Por lo tanto, el material de aluminio es adecuado para la culata.

Análisis de estrés para motor CI

Los motores diesel difieren de los motores de gasolina debido a lo siguiente:

• La relación de compresión es mucho más alta que la de los motores de gasolina.
• El par generado por estos motores es relativamente mayor
• Son más pesados ​​debido a las paredes gruesas de la cámara de combustión y el material pesado utilizado para la culata, con el fin de soportar una presión muy alta causada por una gran relación de compresión.

En base a tales razones, el material seleccionado para la culata en los motores CI es diferente del material utilizado en motores SI.

Parámetros del motor

La prueba de esfuerzo se aplicó en la culata del motor diesel Phaser 210Ti de PERKINS con culata como se muestra:

Las especificaciones de los motores son:

Velocidad de funcionamiento = 1600 rpm

         P me = 2π × Tn c / V d

Después de poner valores obtenemos,

         P me = 4.64Mpa

Prueba de esfuerzo mecánico

Para el software de análisis, se utiliza el software catia. El material es hierro fundido . Después de eso, las restricciones se aplicaron en los agujeros de los pernos y se aplicaron valores específicos de presión de 4.64 MPa en partes específicas del modelo. Después de que el modelo se enrede en elementos de tipo “lineal”.

Propiedades del material utilizado

Las propiedades del hierro fundido se muestran como:

Resultados

Después de aplicar restricciones y presión, obtenemos valores de tensiones producidas en la culata. Se puede ver que la magnitud del estrés en cada punto es diferente. La banda de color en la figura muestra la magnitud de las tensiones. El color rojo muestra la región donde la magnitud del estrés es mayor. El esfuerzo más alto producido en él es 1.54e + 007 N-m 2,  que es menor que el límite elástico del hierro fundido. Por lo tanto, podemos utilizar la culata de hierro fundido en el motor diesel Perkins.

Análisis de estrés térmico

Para calcular la distribución de tensiones debido a la temperatura, se definen las condiciones de contorno (restricciones) y luego se aplica el campo de temperatura (carga térmica) en el modelo de malla. Después de aplicar las condiciones de contorno y el campo de temperatura, obtenemos algunos resultados matemáticos que muestran valores de tensiones, resultantes de la temperatura y las restricciones, en cada punto de la culata que se puede describir en la siguiente figura:

Análisis Económico

Motor SI

Se seleccionó el aluminio como material adecuado para la culata del motor SI. La razón fue que el aluminio es más liviano que otros materiales de la competencia y puede soportar las tensiones térmicas y estructurales. Aunque su costo unitario es grande en comparación con el hierro fundido, pero debido a su menor relación resistencia / peso , se adapta al entorno de trabajo del motor SI.

Motor CI

Se seleccionó hierro fundido como material adecuado para la culata del motor CI. No utilizamos aluminio para este propósito porque no puede soportar las fuerzas de alta presión que se producen durante el proceso de combustión en CI Engine. Aunque su densidad es mayor en comparación con el aluminio, pero debido a su costo relativamente menor y su idoneidad para el entorno de trabajo, se eligió para la culata.