Mitigue la concentración de tensión con estos consejos de diseño

Cuando los equipos de productos pasan por el proceso de selección de materiales, buscan, entre otras cosas, un material con propiedades mecánicas que sean adecuadas para el uso final de la pieza final. Esto asegura que el material no se utilizará en aplicaciones más allá de su límite elástico. Aun así, incluso las piezas fabricadas con el material adecuado fallan a veces, ¿por qué?

Una de las razones por las que los materiales fallan es por la concentración de tensiones, un defecto de diseño que compromete la integridad estructural de la pieza. Esto es todo lo que los equipos de productos deben saber sobre la concentración de estrés, además de cómo reducirlo a través de un diseño cuidadoso.

¿Qué es la concentración de estrés?

Una concentración de tensión es un punto en el diseño de la pieza donde la tensión es significativamente mayor que en el área circundante. Las concentraciones de tensión suelen ser causadas por un cambio abrupto en la geometría de la pieza, generalmente alrededor de esquinas afiladas, agujeros, muescas o ranuras.

También es más probable que se produzcan concentraciones de tensión en piezas con diseños complejos o sofisticados. Aunque las formas geométricas únicas pueden aumentar el rendimiento general de la pieza, también provocan transferencias de carga tortuosas y aumentan la probabilidad de concentraciones de tensión.

El factor de concentración de tensiones, denominado K_t , se puede definir como la relación entre la tensión más alta de la pieza y la tensión de referencia. Para expresar matemáticamente la concentración de tensiones, la ecuación es:

σ_máx es igual a la tensión máxima y σ_ref es igual a la tensión de referencia. Una pieza libre de irregularidades tiene un valor cercano a uno, mientras que una pieza con máximas irregularidades o discontinuidad tiene un valor superior a uno.

Cuando una pieza tiene concentraciones de tensión, es más probable que falle de dos formas. En primer lugar, la pieza tiende a fallar directamente debido a la concentración de tensiones, lo que normalmente provoca grietas. En segundo lugar, incluso si la pieza no sufre una fractura notable, las concentraciones de tensión pueden acortar drásticamente el ciclo de vida del producto al debilitar la pieza con el tiempo.

4 métodos para reducir la concentración de estrés

Para garantizar la longevidad de sus piezas y evitar fracturas, los equipos de productos deben ejecutar modelos FEA para garantizar que no haya concentraciones de tensión o deformación. Aquí hay cuatro consejos que todos los diseñadores y equipos de productos deben saber:

1. Incluir transiciones graduales en el diseño

La causa más común de las concentraciones de tensión es un cambio abrupto en la geometría o una transición de forma abrupta. Para dar cuenta de esto, los diseñadores deben usar medidas de diseño específicas como radios de filete o conicidades para facilitar la transición de una forma a otra. Suavizar áreas críticas del diseño de la pieza influye en el flujo de tensión y evita que la tensión se acumule en una ubicación.

2. Use muescas de alivio

Los diseñadores también pueden aliviar las concentraciones de tensión eliminando material cerca de las muescas, creando una ranura adicional llamada muesca de alivio. Aunque las muescas de desahogo agregan un poco de geometría adicional al diseño, los diseñadores pueden usar muescas de desahogo para controlar las líneas de tensión en una pieza. Estas características se pueden probar y perfeccionar a través de sucesivos análisis FAE.

3. Opte por varias muescas de relieve pequeñas en lugar de una única larga

Para los momentos en que los agujeros y las muescas son inevitables, es mejor usar muchas muescas de alivio pequeñas. A diferencia de la técnica anterior, en la que se usa una sola ranura para corregir cualquier irregularidad, este enfoque consiste en rodear cada muesca intencional con varias muescas más pequeñas para suavizar las posibles concentraciones de tensión. Los ingenieros pueden quitar material adicional para crear muescas en miniatura mientras mantienen la muesca original.

4. Evite las esquinas afiladas

Las esquinas afiladas deben evitarse por principio general, especialmente cuando se mecanizan con CNC geometrías de piezas internas, pero los diseñadores también deben evitarlas si les preocupa crear oportunidades para concentraciones de tensión. Si el patrón lo permite, los diseñadores siempre deben usar un radio de empalme en las esquinas agudas. Este factor de diseño garantiza que el área de la sección transversal disminuya gradualmente en lugar de repentinamente, y distribuye la tensión por toda la pieza de manera más uniforme.

Reduzca el estrés con Fast Radius

Las concentraciones de tensión, cuando se acumula demasiada tensión en un punto del diseño, pueden comprometer la integridad estructural de una pieza y hacer que se debilite o se rompa prematuramente. Afortunadamente, los equipos de productos pueden evitar las concentraciones de estrés al incorporar los consejos de diseño y las soluciones alternativas antes mencionados en sus diseños de piezas.

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