Diseño de Elementos Mecánicos
ME-5600
Capítulo 3
Análisis de Carga y Esfuerzo
Alejandro Ortiz Bernardin
www.cec.uchile.cl/~aortizb
Departamento de Ingeniería Mecánica
Universidad de Chile
Contenidos del Capítulo
• Diagramas de Cuerpo Libre
• Diagramas de Momento y Corte
• Esfuerzo Plano y Tridimensional
• Deformación Elástica
• Esfuerzo Uniformemente Distribuido
• Esfuerzos Normales para Vigas en Flexión
∂
• Esfuerzos Cortantes para Vigas en Flexión
• Esfuerzos Debidos a Torsión
• Concentración de Esfuerzos
• Esfuerzos en Cilindros Presurizados
• Esfuerzos en Ajustes a Presión y por Contracción
• Esfuerzos Térmicos
• Esfuerzos
E f
de
d C
Contacto
t t
Análisis de Carga y Esfuerzo
Equilibrio y Diagrama de Cuerpo Libre
La suma de todas las fuerzas y todos los momentos actuando en
un sistema en equilibrio es cero:
X
X
F =0
M =0
∂
El objetivo de un diagrama de cuerpo libre es conocer todas las
f
fuerzas
y momentos
t que actúan
tú en un sistema
i t
Un diagrama de cuerpo libre simplifica el análisis dado que permite
dividir en varias p
partes un sistema complejo
p j p
para analizarlas p
por
separado
Análisis de Carga y Esfuerzo
Equilibrio y Diagrama de Cuerpo Libre (Cont.)
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Diagramas de Corte y Momento en Vigas
Cortar las vigas en cualquier punto
x1
Fuerza de corte interna V y momento de flexión M
deben asegurar equilibrio
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Convención de Signos Para Corte y Momento
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Diagramas de Corte-Momento
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Diagramas de Momento en Dos Planos
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Diagramas de Momento en Dos Planos (Cont.)
∂
El momento total es la suma vectorial:
q
M = My2 + Mz2
En el punto B el momento total es:
MB =
p
80002 + 20002 = 8246 lbf-in
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo
• Esfuerzo normal es normal a una superficie y es denotado
• Esfuerzo de corte tangencial es tangente a una superficie y es
denotado
• Esfuerzo normal actuando hacia afuera de una superficie es un
esfuerzo de tracción
• Esfuerzo normal actuando hacia adentro de una superficie es un
∂
esfuerzo compresivo
• La
L unidad
id d d
de esfuerzo
f
en ell Si
Sistema
t
IInglés
lé es lib
libras por pulgadas
l d
cuadradas (psi)
• La unidad de esfuerzo en el Sistema Internacional (SI) es Newton
por metro cuadrado (N/m2)
• 1 N/m2 = 1 pascal (Pa)
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo (Cont.)
∂
• Representa el esfuerzo en un punto
• Dirección
Di
ió d
de llas coordenadas
d
d es arbitraria
bi
i
• Si se eligen coordenadas tal que el corte es cero, entonces se
obtienen los esfuerzos p
principales
p
Análisis de Carga y Esfuerzo
Componentes Cartesianas del Esfuerzo
• Definidas por tres superficies
mutualmente ortogonales en un punto
d t de
dentro
d un cuerpo
• Cada superficie puede tener
esfuerzos
f
de
d corte
t y esfuerzos
f
normales
∂
• El primer
i
subíndice
bí di iindica
di lla di
dirección
ió
de la normal a la superficie
• El segundo
d subíndice
bí di iindica
di lla
dirección del esfuerzo de corte
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ecuaciones de Transformación (Esfuerzo Plano)
Cortando el cubo de esfuerzos en un ángulo arbitrario y
balanceando esfuerzos, se llegan a las siguientes Ecuaciones de
Transformación para esfuerzo plano:
σ=
σx + σy σx − σy
+
cos 2φ + τxy sin 2φ
2
2
σx − σy
τ =−
sin 2φ + τxy cos 2φ
2
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ecuaciones de Transformación (Esfuerzo Plano)
σ=
σx + σy σx − σy
+
cos 2φ + τxy sin 2φ
2
2
Diferenciando la ecuación de arriba con respecto a φ e igualando
a cero, se obtiene la siguiente ecuación:
2ττxy
tan 2φ
φp =
σx − σy
∂
Los dos valores para φ definen las dos direcciones principales
El ángulo entre las direcciones principales es de 90º
Los esfuerzos en las direcciones principales son los esfuerzos
principales (máximo y mínimo) y son esfuerzos normales
Los esfuerzos de corte son cero en la superficie que define
alguna dirección principal
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ecuaciones de Transformación (Esfuerzo Plano)
Substituyendo
tan 2φ
φp =
en
σ=
2τxy
σx − σy
σx + σy σx − σy
+
cos 2φ + τxy sin 2φ
2
2
∂
Se obtienen los dos valores no nulos para los esfuerzos principales
máximo
á i
y mínimo:
í i
sµ
¶2
σx − σy
σx + σy
2
σ1 , σ2 =
±
+ τxy
2
2
Observar que σ3 = 0
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ecuaciones de Transformación (Esfuerzo Plano)
De manera similar, se puede obtener que los esfuerzos de corte
máximos están en superficies ubicadas a ±45º desde las
direcciones principales
Los dos valores de corte extremos son:
sµ
¶2
σx − σ y
2
τ1 , τ2 = ±
+ τxy
2
∂
Orientación x-y
Orientación esfuerzos
principales
Orientación esfuerzos de corte
máximo
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo Tridimensional General
Los esfuerzos son en general 3-D
Elementos en esfuerzo plano tienen una superficie con
esfuerzos nulos
Para los casos en que no hay superficies con esfuerzos
nulos, los esfuerzos principales se encuentran
resolviendo las raíces de la∂siguiente ecuación cúbica:
σ 3 − (σx + σy + σz )σ 2
2
2
2
+(σx σy + σx σz + σy σz − τxy
− τyz
− τzx
)σ
2
2
2
−(σx σy σz + 2τxy τyz τzx − σx τyz
− σy τzx
− σz τxy
) = 0
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo Tridimensional General (Cont.)
Siempre hay tres esfuerzos de corte extremos
τ1/2
σ1 − σ2
σ2 − σ 3
σ1 − σ 3
, τ2/3 =
, τ1/3 =
=
2
2
2
El esfuerzo de corte máximo es el más grande
∂
Los esfuerzos principales son usualmente ordenados
como σ1 > σ2 > σ3 en cuyo caso
σ 1 − σ3
τmax =
2
Análisis de Carga y Esfuerzo
Deformación Elástica
• Ley de Hooke
σ = Eε
• E es el Módulo de Young o Módulo de Elasticidad
• Tensión en una dirección produce contracción
∂ dirección perpendicular
(deformación negativa) en otra
• Para esfuerzo axial en dirección x,
σx
εx =
;
E
σx
εy = εz = −ν
E
• es el Coeficiente de Poisson. ( ~ 0.3 para acero)
Análisis de Carga y Esfuerzo
Deformación Elástica (Cont.)
• Para un elemento de esfuerzo que desarrolla
σx , σy , σz simultáneamente,
1
εx = [σx − ν(σy + σz )]
E
1
∂ x + σz )]
εy = [σy − ν(σ
E
1
εz = [σz − ν(σx + σy )]
E
Análisis de Carga y Esfuerzo
Deformación Elástica (Cont.)
• Ley de Hooke para corte
τ = Gγ
• La deformación de corte (), conocida como deformación
i
ingenieril,
i il es ell cambio
bi que d
desarrolla
ll un á
ángulo
l recto
t d
de
un elemento de esfuerzo cuando
está sujeto a corte puro
∂
• G es ell Mód
Módulo
l Elástico
Elá ti d
de C
Corte
t o Mód
Módulo
l d
de Ri
Rigidez
id
• Para un material lineal, isotrópico y homogéneo,
E = 2G(1 + ν)
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo Uniformemente Distribuido
• Esfuerzo uniformemente distribuido se refiere
usualmente a tensión p
pura,, compresión
p
p
pura o corte
puro
• Para tensión y compresión,
compresión
∂
F
σ=
A
• Para corte puro,
V
τ=
A
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos Normales para Vigas en Flexión
• Viga recta en flexión positiva
• Eje x es el eje neutral
• Plano xz es el plano neutro
• En este caso, el eje neutral coincide con el eje centroidal
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos Normales para Vigas en Flexión (Cont.)
• El esfuerzo de flexión varía linealmente con la distancia
desde el eje neutral,
My
σx = −
I
• I es el segundo momento de área con respecto al eje z
I=
Z
y 2 dA
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos Normales para Vigas en Flexión (Cont.)
• El esfuerzo de flexión máximo ocurre cuando y toma el
mayor valor,
Mc
M
=
σmax =
I
Z
• c es la magnitud del mayor valor de y
•Z=
I
es el módulo de sección
∂
c
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos Normales en Vigas - Supuestos
• Estado de flexión pura (no hay carga axial, ni torsional, ni
cargas
g de corte))
• El material es isotrópico y homogéneo
• El material obedece a la ley de Hooke
∂
• La viga
g está inicialmente recta con sección transversal
constante
• Las secciones transversales permanecen planas durante la
flexión
Análisis de Carga y Esfuerzo
Flexión en Dos Planos
• Considerar flexión en los planos xy y xz, simultáneamente
• En sección con dos planos de simetría
simetría,
σx = −
Mz y My z
+
Iz
Iy
∂
• Para una sección circular sólida, el esfuerzo de flexión
máximo es
(My2 + Mz2 )1/2 (d/2)
32
Mc
2
2 1/2
=
=
σmax =
(M
+
M
y
z)
4
3
I
πd /64
πd
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo de Corte en Vigas
∂
VQ
τ=
Ib
Z
c
dM
Q=
y dA
dx
y1
• El esfuerzo de corte transversal está siempre acompañado
por esfuerzo de flexión
V =
• En vigas cuya razón largo/alto es mayor que 10, el esfuerzo
de flexión es dominante y el esfuerzo de corte es despreciable
p
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo de Corte en Vigas (Cont.)
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos de Corte Transversal Máximos
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Torsión
• Momento co-lineal con el eje de algún elemento mecánico
• Una barra q
que está sujeta
j
a torque
q se dice q
que se
encuentra en torsión
• El ángulo
g
de g
giro,, en radianes,, para
p
una barra en torsión es
∂
Tl
θ=
GJ
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzo de Corte Torsional
• Para una barra redonda en torsión, el esfuerzo de corte
torsional es proporcional al radio
Tρ
τ=
J
• El esfuerzo de corte torsional máximo se encuentra en la
superficie exterior de la barra redonda
∂
Tr
τmax =
J
Análisis de Carga y Esfuerzo
Supuestos para las Ecuaciones de Torsión
• Estado de torque puro
• Punto de interés alejado de cualquier discontinuidad o
punto de aplicación de torque
• El material obedece a la ley de Hooke
∂
• La sección transversal originalmente
g
p
plana y p
paralela,,
permanece plana y paralela
• Las ecuaciones anteriores son aplicables sólo para
secciones transversales redondas
Análisis de Carga y Esfuerzo
Potencia, Velocidad y Torque
• Potencia (H) es igual a torque (T) por velocidad
angular ()
H [W] = T [Nm] ω [rad/s]
• Conversión con velocidad en rpm
∂
H [W]
T [Nm] = 9.55
n [rpm]
• En términos de velocidad (V) y fuerza (F) tangenciales
H [W] = F [N] V [m/s]
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejercicio #2
Resolver el Ejemplo 3-8 del libro guía utilizando un
programa de elementos finitos. Validar/Comparar los
resultados computacionales
p
con los resultados teóricos
dados en el libro. Escribir un informe. Fecha Entrega:
Jueves 3 de Noviembre, en clases.
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Concentración de Esfuerzos
• Crecimiento localizado de esfuerzos cerca de
discontinuidades
• El factor teórico de concentración de esfuerzo es
σmax
Kt =
σ0
∂
τmax
Kts =
τ0
Análisis de Carga y Esfuerzo
Factor Teórico de Concentración de Esfuerzos
• Gráficos disponibles
para configuraciones
estándar
• Ver Apéndice A del
Shigley
• Muchos más
disponibles en el
Peterson’s
Peterson
s StressConcentration Factors
∂
• Kt crece a medida que
la discontinuidad es
más pronunciada
Análisis de Carga y Esfuerzo
Factor de Concentración Condición Estática y Dúctil
• Bajo carga estática y con materiales dúctiles
◦ Las fibras localizadas en la zona de concentración
fluyen (plastificación)
◦ La plastificación es localizada
∂ daño a menos que el
◦ La pieza en conjunto no sufre
esfuerzo de ruptura sea sobrepasado
◦ Efectos debido a concentración de esfuerzos son
comúnmente ignorados cuando se está en presencia de
carga estática con materiales dúctiles
Análisis de Carga y Esfuerzo
Técnicas para Reducir Concentración de Esfuerzos
• Usar radios más grandes
• Usar “zonas muertas” para disminuir tensiones
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo (Cont.)
∂
Fig. A−15 −1
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo (Cont.)
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo (Cont.)
∂
Fig.
g A−15−5
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos en Cilindros Presurizados
Cilindro con radio interior ri,
radio exterior ro, presión interna pi
y presión externa po
Esfuerzo radial y esfuerzo
tangencial
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos en Cilindros Presurizados (Cont.)
• Caso especial cuando po = 0
∂
• Si los extremos del cilindro están cerrados
cerrados, entonces hay
esfuerzo longitudinal
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos en Cilindros de Pared Delgada
• Espesor de pared menor o igual que 1/10 del radio
• Esfuerzo radial es muy
y pequeño
p q
con respecto
p
al esfuerzo tangencial
g
• Esfuerzo tangencial (promedio)
• Esfuerzo tangencial máximo
∂
• Esfuerzo longitudinal si extremos están cerrados
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ajustes a Presión y por Contracción
• Dos partes cilíndricas son
ensambladas con una
interferencia radial
• La presión de interferencia es
∂
• Si los dos cilindros están
hechos con el mismo material
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos en Ajustes a Presión y por Contracción
• Aplicar las ecuaciones de esfuerzo para cilindros presurizados
• Para el cilindro interior, po = p y pi = 0
∂
• Para el cilindro exterior, po = 0 y pi = p
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos Térmicos
Deformación
D f
ió normall en cuerpo sin
i restricción
t i ió d
debida
bid a expansión
ió
por cambio de temperatura
donde es el coeficiente de dilatación térmica
Esfuerzos térmicos ocurren cuando componentes son restringidos
para prevenir deformación durante el cambio de temperatura
∂
Para una barra recta restringida en ambos extremos, un
i
incremento
t en lla ttemperatura
t
genera un esfuerzo
f
de
d compresión
ió
Idénticamente, para una placa plana restringida en ambos
extremos
Análisis de Carga y Esfuerzo
Coeficientes de Dilatación Térmica
∂
Análisis de Carga y Esfuerzo
Esfuerzos de Contacto
• Dos cuerpos de superficies curvas
son presionados uno con otro
• Puntos
P t o líneas
lí
de
d contacto
t t se
transforman en áreas de contacto
• Aparecen
pa ece es
esfuerzos
ue os ttridimensionales
d e s o a es
conocidos como Esfuerzos de Contacto
o Esfuerzos de Hertz
∂
• Ejemplos
Ej
l
◦ Ruedas de ferrocarril en riel
◦ Acople entre dientes de engranajes
◦ Cojinetes de contacto rodante
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo: Esfuerzos de Contacto Esférico
• Dos esferas sólidas de diámetros d1 y d2
son presionadas una con otra por una
fuerza F
• Área de contacto es un círculo de radio a
∂
• La distribución de presión es hemisférica
• La presión máxima es en el centro del
área de contacto
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo: Esfuerzos de Contacto Esférico (Cont.)
• El esfuerzo máximo (compresivo) ocurre en el eje z
• Los esfuerzos principales, todos de compresión, son
∂
• El esfuerzo de corte máximo es
Análisis de Carga y Esfuerzo
Ejemplo: Esfuerzos de Contacto Esférico (Cont.)
Esfuerzos principales y
esfuerzo de corte máximo
en función de la distancia
debajo de la superficie de
contacto.
Notar
N
que max ocurre
cercano a la superficie
de contacto
∂
El esfuerzo de corte
máximo es el responsable
de la fatiga
g superficial
(grietas) de los elementos
en contacto
Análisis de Carga y Esfuerzo