Diseño-Ingeniería
Diseño-Ingeniería
DISEÑO:
Contenidos
1 DISEÑO.
1.1 El diseño en ingeniería
1.2 MÁquina
1.3 El diseño y los códigos de seguridad.
1.4 ITERACIÓN
1.5 Diseño asistido por computadora.(CAD-CAE)
1.6 Factor de seguridad (FOS)
La palabra diseño viene de la palabra latina designare, que significa designar, marcar... el diccionario incluye varias definiciones, siendo las más aplicable delinear, trazar o planear... concebir, inventar o idear.
El diseño en ingeniería
Se puede definir como “el proceso de aplicar diversos principios científicos y técnicas con el fin de lograr una definición tan precisa de un proceso, sistema o dispositivo, que permita su realización como tal”.
DISEÑO DE MÁQUINAS
El diseño de máquinas se ocupa de la creación de maquinaria que funcione segura y confiablemente bien.
MÁQUINA
Una máquina puede definirse de muchas maneras entre ellas las dos siguientes:
*Aparato formado de piezas que interactúan entre si, también conocidas como elementos de máquina.
*Dispositivo que modifica una fuerza o un movimiento.
La mención de fuerza y movimiento es de especial interés ya que, al convertir la energía de una forma a otra, las máquinas crean movimiento y generan fuerzas. La tarea del ingeniero es la de definir y calcular movimientos y fuerzas así como cambios de energía a fin de determinar el tamaño, la forma y los materiales necesarios para cada uno de los componentes interrelacionados de la máquina, es decir lo que viene siendo el diseño de máquinas. Aunque por necesidad una máquina se diseña elemento por elemento, no debe de perderse de vista el hecho de que son elementos interrelacionados y por lo tanto la función de un elemento depende de muchos otros, por esto mismo el objetivo en el diseño de máquinas es dimensionar y formar las piezas (elementos de máquina), seleccionar los materiales y procesos de manufactura apropiados de modo que la máquina resultante lleve a cabo y sin falla su función pretendida.
Por necesidad se debe diseñar una máquina pieza por pieza, es muy importante reconocer que la función y el rendimiento de cada uno de los elementos (y por lo tanto su diseño) dependen de muchas otras piezas interconectadas en la máquina misma; Para ello debemos hacer uso de un conjunto de conocimientos de ingeniería, como la estática, la dinámica, la mecánica de materiales, la ciencia e ingeniería de materiales y análisis de vibraciones entre otras más.
El objetivo último en el diseño de máquinas es dar proporciones, formar los elementos de máquina y seleccionar materiales y procesos de manufactura idoneos, de manera que la máquina resultante lleve a cabo sin falla la función pretendida. Esto requiere que el ingeniero sea capaz de calcular y anticipar las condiciones de falla de cada uno de los elementos y acontinuación diseñarlos para evitar tales condiciones. Esto hace obligatorio a que se efectué un análisis de esfuerzos y deflexiones para cada elemento. Dado que los esfuerzos son una función de las cargas aplicadas y de inercia, así como de la geometría de la misma, deberá llevarse a cabo un estudio de las fuerzas, los momentos, los pares de torsión y dinámica del sistema, antes de calcular los esfuerzos y las deflexiones.
Si la máquina a diseñar no tiene partes en movimiento, entonces el diseño se hace más sencillo, ya que sólo es necesario el análisis de fuerzas estáticas. Hay que considerar que si la máquina no tiene partes en movimiento, no es una máquina (y no cumple con la definición de máquina dada anteriormente), se trata entonces de una estructura. Las estructuras también se diseñaran contra fallas, de hecho, las estructuras de grandes dimensiones también están sujetas a cargas dinámicas ya sea por el viento, terremotos, tránsito... por lo tanto, deben diseñarse para que soporten tales condiciones.
Si los movimientos de la máquina son muy lentos y las aceleraciones despreciables, entonces se aplicará un análisis de fuerzas estáticas. Si la máquina incluye aceleraciones significativas, entonces será necesario un análisis de fuerzas dinámicas, y las partes sometidas a una aceleración se ven afectadas por su propia masa.
El diseño y los códigos de seguridad.
Existen sociedades de ingenieros han elaborado códigos para áreas específicas del diseño de ingeniería, pero, únicamente a modo de recomendaciones, sin embargo, algunos tienen fuerza de ley. La ASME (American Society of Mechanical Engineers) ofrece guías de acción recomendadas para factores de seguridad en aplicaciones como calderas de vapor y recipientes a presión. En la mayor parte de las de estados de la Unión Americana se han decretado códigos de construcción . Algunas veces en estos códigos se especifican factores de seguridad, pudiendo ser bastante elevados. El ingeniero de diseño debe estar consciente de la existencia de estos códigos y normas y aplicarlas donde deban aplicarlas.
Se muestran algunas de estas sociedades de ingenieros, oficinas gubernamentales, industriales o internacionales que publican normas y códigos de gran interés para el ingeniero mecánico.
American Gear Manufacturers Association-AGMA
American Institute of Steel Constructions-AISC
American Iron and Steel Institute-ANSI
American Society for Metals-ASM
American Society of Mechanical Engineers-ASME
American Society of Testing and Materials-ASTM
American Welding Society-AWS
Anti-Friction Bearing Manufacturers Association-AFBMA
International Standards Organization-ISO
National Institute for Standards and Technology-NIST
Society of Automotive Engineers-SAE
Underwriters Laboratories-UL
Tubular Exchanger Manufacturers Association-TEMA
ITERACIÓN
Iteración u Optimización
Por lo general, antes de llegar a la etapa de dimensionar las piezas ya se habrán establecido los movimientos cinemáticos de la máquina. Además, ya se sabrán cuales son las fuerzas externas que aporta el “mundo exterior”. Se esta conciente que en algunos casos, las cargas externas sobre la máquina serán muy difíciles de anticipar, como las de un automóvil en movimiento, no se puede prever con exactitud a qué cargas presentes en el entorno someterá el usuario a la máquina (baches, virajes bruscos, etc.). En estos casos un análisis estadístico, partiendo de datos de pruebas reales suelen proporcionar alguna información para efectos de diseño; Lo más seguro es que en la primer prueba el diseño de la máquina o estructura llegue a fallar, ya sea por que los materiales no resistan la magnitud del esfuerzo que se presenta, entonces se debe considerar el rediseñar las piezas (hacer una iteración) cambiando forma, tamaño, materiales, procesos de producción y otros factores a fin de alcanzar un diseño aceptable.
En general, el determinar todas las cargas que actuaran sobre la máquina o estructura es la tarea más difícil del proceso de diseño.
DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA.(CAD-CAE)
En la actualidad el diseño asistido por computadora es muy popular ya que permite el Análisis por Elemento Finito (FEA, siglas en ingles) para obtener análisis de esfuerzos vibraciones transferencia de calor, fluido, etc. Esta combinación de herramientas permite resultados superiores que con las técnicas tradicionales de análisis. Este tipo de software ofrece una herramienta de primer pase de fácil uso para el análisis de tensiones para los usuarios, ayuda a reducir el coste y el tiempo de salida al mercado de los productos gracias a la realización de pruebas informáticas de los diseños, evitando así tener que hacer pruebas de campo.
Al preparar un modelo para su análisis, el programa subdivide el modelo en pequeños tetraedros llamados elementos que comparten puntos comunes llamados nodos. La siguiente figura muestra un tetraedro típico (elemento).
Los puntos rojos representan los nodos del elemento. Los elementos pueden tener aristas rectas o curvas. El proceso de subdividir la pieza en pequeñas partes (elementos) se llama mallado. En general, cuanto más pequeño sean los elementos, más precisos serán los resultados obtenidos, pero ello requiere más tiempo y más recursos del equipo. Se recomienda un tamaño de elemento y una tolerancia globales para el mallado. El tamaño es solamente un valor promedio, los tamaños reales varían de una ubicación a otra dependiendo de la geometría.
Se recomienda utilizar la configuración de mallado predeterminada para la ejecución inicial. Para obtener una solución más precisa, se utiliza un tamaño de elemento más pequeño, dicho enmallado tiene el objetivo de realizar el análisis de toda la pieza, pero en forma individual, es decir, por elemento, empleando el método de elementos finitos y así localizar las partes de la pieza que realizan el máximo o menor esfuerzo. En la siguiente figurase muestra el enmallado realizado en software CAE
FACTOR DE SEGURIDAD (FOS)
Existen varias formas de expresar n factor de seguridad, es una relación matemática que contienen las mismas unidades, es decir, resistencia de diseño/esfuerzo real, carga máxima de seguridad/carga aplicada, carga de diseño para la falla de la pieza/sobrecarga esperada en servicio, ciclos máximos de diseño/ciclos esperados de operación ó velocidad máxima de seguridad/velocidad máxima esperada en operación; simplemente es un factor y como tal, carecerá de unidades.
Cuando el factor de seguridad en un elemento es 1 el esfuerzo en dicho elemento es igual a la resistencia del material, es decir, la carga aplicada es igual a la carga que la hace fallar. Por lo tanto se desea que el factor de seguridad sea mayor que 1, dependiendo de las normas aplicables en cada pais, se llega a requerir de factor de seguridad incluso de 15, especialmente donde está en riesgo la seguridad de seres humanos, un ejemplo, podría ser el diseño de un elevador. En la siguiente imagen se presenta una simulación con software CAE, en ella se puede apreciar una pieza o elemento de máquina sometido a una fuerza que lo hace entrar en la region de fluencia, es decir, el factor de seguridad en las zonas críticas (color rojo) es menor que uno, esto nos dice que la pieza entrara en deformación plastica, o sea que no recupera su forma original.
En el estudio también se puede apreciar la forma en la que, según teoría, los esfuerzos máximos a flexión son en la zona exterior (tensión) del doblez, así como en la zona interior (compresión) del mismo. Para calcular los factores de seguridad en diferentes puntos, el software utiliza el Criterio de flexibilidad de von Mises, según el cual un material empieza a ser flexible en un punto cuando la tensión equivalente alcanza el límite elástico del material. El límite elástico (SIGYLD) se define como una propiedad del material. El software calcula el factor de seguridad en un punto dividiendo el límite elástico entre la tensión equivalente en ese punto. Ver la suguiente figura:
Como se puede apreciar la tensión mínima es de 39.636 y se nos muestra el límite elástico de 180 (que es una pripiedad de este material especificamente), haciendo 180/39.636, tenemos el factor de seguridad (FOS) de 4.54, mostrado en la primer figura, es de resaltar que el resultado se obtiene aplicando el valor de la tension minima, de ahí el factor de seguridad obtenido (4.54). Si se aplica la tensión máxima que es de 49,438.621 la relacion quedaría así: 180/49,438.621, obteniendo un FOS de .003641
