Interpretación de los resultados en los estudios de fatiga
En el siguiente tema se describen los distintos resultados que se pueden definir para los estudios de fatiga con algunas orientaciones sobre cómo interpretar los resultados:
Indicación de biaxilidad
La indicación de biaxilidad es un resultado sin cotas en la que se muestra la naturaleza multiaxial del estado de tensión en una ubicación al realizar un análisis de fatiga. Ayuda a comprender si el daño por fatiga está gobernado por una tensión principal dominante o por dos o más tensiones principales de magnitud comparable. Este resultado ayuda a interpretar otros resultados de fatiga, como la duración de la fatiga, los daños o el factor de seguridad.
La indicación de biaxilidad permite pedir la relación entre la tensión principal más pequeña y la tensión principal más grande (excluyendo la tensión principal más cercana a cero) para determinar la naturaleza del estado de tensión, lo que ayuda a identificar si las predicciones de duración de la fatiga (que suponen carga uniaxial) son válidas.
Los valores de la indicación de biaxilidad oscilan de -1 a 1 y pueden interpretarse de la siguiente manera:
• -1: un valor de -1 indica cizalla pura. Es común en la carga de torsión. Requiere cambiar de tensión equivalente (von Mises) a tensión de corte máxima para obtener una duración de la fatiga conservadora.
• 0: un valor de 0 indica una carga uniaxial y significa que las tensiones son pura tensión o compresión. Las suposiciones del análisis de fatiga son más precisas aquí.
• 1: un valor de 1 indica una carga biaxial pura con la misma tensión o compresión en dos direcciones.
Utilice este resultado para verificar si el modelo se está sometiendo a una carga multiaxial. Si no es uniaxial (0), es posible que los resultados de la duración de la fatiga necesiten una evaluación más cuidadosa mediante criterios de fatiga multiaxiales.
Tensión alternante equivalente (EAS)
Este es un valor de tensión único que representa "qué tan dañina" es la carga para la fatiga. Convierte la carga de tensión media, multiaxial y distinta de cero en una amplitud de tensión totalmente invertida equivalente. Es el valor de tensión que se utiliza para leer la duración de la fatiga de la curva S-N.
El EAS incluye las siguientes conversiones:
• Conversión de tensión multiaxial: se combinan tensiones de distintas direcciones en una tensión equivalente.
• Corrección de tensión media: se utilizan modelos como Goodman, Gerber o Soderberg (no disponibles actualmente, pero que estarán disponibles en versiones futuras) para ajustar la tensión media de tracción o compresión.
• Valor escalar final: se compara directamente con la curva S-N del material.
En la siguiente figura se muestran la curva S-N y EAS. El eje Y muestra la amplitud de tensión (S) y el eje X proporciona los ciclos de fallo (N).
Curva S-N con tensión alterna equivalente
En el gráfico se muestran los siguientes valores:
• Línea azul: curva S-N típica (amplitud de tensión frente a ciclos).
• Línea de guiones roja: la tensión alterna equivalente (EAS).
• Línea de puntos verde + punto rojo: la duración prevista donde EAS se cruza con la curva S-N.
El gráfico se puede leer del siguiente modo:
• Movimiento horizontal desde EAS hasta la curva S-N y, a continuación, hacia abajo hasta el eje N.
• Ese valor N es la duración de la fatiga prevista (ciclos) para la carga actual.
Daños por fatiga (regla de Miner)
Daño = Vida útil del diseño / Vida predicha.
Un daño > 1 significa fallo antes de la vida útil del diseño.
Barra de daño de la regla de Miner
Daño D = Vida útil del diseño/Vida predicha
En la barra de daños se muestra lo siguiente:
• Área verde. Daño < 1: seguro para la vida útil del diseño.
• Línea de guiones naranja en Daño = 1: umbral.
• Área roja. Daño >1: fallará antes de la vida útil del diseño.
• Ejemplo mostrado. D = 1.67: no seguro (consume la vida más rápido de lo permitido).
La barra de daños se puede interpretar de la siguiente manera:
• Si la barra se detiene antes de la línea de umbral, la vida útil del diseño es correcta.
• Si cruza la línea, se puede esperar un fallo antes de la vida útil objetivo a menos que se reduzcan las cargas o se rediseñe.
Duración de la fatiga
Este resultado es el número previsto de ciclos que el modelo puede sobrevivir con la carga dada.
Este resultado se puede interpretar del siguiente modo:
Para la carga de amplitud constante: el valor de la duración de la fatiga es el número de ciclos hasta el fallo.
Para cargas variables o de bloque: el valor de duración de la fatiga representa el número de bloques de carga (o ciclos equivalentes) hasta el fallo.
Una mayor duración implica un mejor rendimiento de fatiga.
Factor de seguridad
Se trata de una medida de qué tan cerca está el componente de la falla por fatiga. Implica cuánto se puede multiplicar la carga antes de que ocurra una falla por fatiga.
Factor de seguridad = Resistencia a la fatiga admisible / Tensión cíclica aplicada
Factor de seguridad SF
El indicador de factor de seguridad muestra lo siguiente:
• Rojo. SF < 1: inseguro.
• Amarillo. 1 ≤ SF < 2: marginal.
• Verde. SF ≥ 2: margen cómodo.
• Marcador azul. Ejemplo SF = 1,6: lista de observación; Considere mejoras si el requisito es ≥ 2.
El indicador de factor de seguridad se puede interpretar de la siguiente manera:
• SF < 1: aumenta la resistencia o reduce la tensión cíclica.
• SF ≈ 1: el componente cumple el objetivo de vida útil del diseño con un margen muy pequeño.
• SF ≫ 1: un margen más alto indica que el componente es seguro.
 | Creo Ansys Simulation Permite limitar el factor de seguridad máximo mostrado a 15 (muy seguro). |
Resumen: referencia rápida para los resultados de fatiga
Cantidad de resultados | Qué representa | Cómo interpretar este resultado |
|---|---|---|
Tensión alternante equivalente (EAS) | Amplitud de tensión final utilizada para la búsqueda de curvas S-N; Incluye efectos de tensión multiaxial + media | Mayor EAS: menor vida útil a la fatiga Valor extremadamente alto: la tensión media ha superado los límites |
Daños por fatiga | Fracción de vida consumida | Daño > 1: fallará antes de la vida útil del diseño |
Duración de la fatiga | Ciclos (o bloqueos) previstos hasta el fallo | Mayor vida útil = mejor durabilidad |
Factor de seguridad | Margen contra fallo por fatiga |
Elección de la corrección de tensión media adecuada en el diseño de fatiga
Al definir el comportamiento de fatiga para el tipo de carga cero o de proporción, se puede elegir la teoría de la tensión media que se utilizará. Seleccionar la corrección correcta de la tensión media es fundamental porque diferentes modelos dan diferentes niveles de conservadurismo. Esta guía ayuda a elegir la teoría de tensión media correcta en función del comportamiento del material, la aceptación del riesgo y el tipo de aplicación.
Diagrama de Goodman + Gerber con regiones seguras y no seguras
En la siguiente figura se muestra cómo los criterios de Goodman y Gerber aplican una corrección de tensión media basada en los valores de tensión alterna y tensión media.
En el diagrama se incluyen los siguientes elementos:
• La línea azul representa la línea de Goodman (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1).
• Línea parabólica de guiones: línea de Gerber σₐ = Se (1−(Sut / σm)2))
• Punto rojo: el estado de tensión aplicado (tensión media σₘ, alternando σₐ).
• Flecha verde + punto verde en σₘ = 0: la amplitud completamente invertida equivalente (σₐ, eq) utilizada para la búsqueda S–N
El diagrama se puede interpretar del siguiente modo:
• Una tensión media mayor (σₘ) reduce la tensión alternante permitida.
• La tensión alternante equivalente (σₐ,eq) es la que se compara con la curva de resistencia S-N.
En la siguiente tabla se muestra una comparación entre las teorías de tensión media de Goodman y Gerber.
Teoría de la tensión media | Criterios de Goodman | Criterios de Gerber |
|---|---|---|
Acerca de | Conservadurismo moderado Ampliamente utilizado en la industria. Goodman se utiliza cuando se busca un equilibrio entre seguridad y economía, y haya una carga bien caracterizada (común para los elementos de la máquina). | Menos conservador La mejor combinación para el comportamiento del acero dúctil. Gerber se utiliza cuando el material sea acero dúctil con un buen control de calidad y se necesiten diseños más livianos y optimizados bajo una tensión media de tracción significativa. |
Ecuación |  donde: σa es la tensión alterna σm es la tensión media Se es el límite de resistencia Sut es la máxima resistencia a la tracción |  donde: σa es la tensión alterna σm es la tensión media Se es el límite de resistencia Sut es la máxima resistencia a la tracción |
Aplicaciones típicas | • Ejes giratorios • Dientes de engranaje • Componentes soldados • Elementos de mecanizado en general • Estructuras automotrices | • Componentes de peso optimizado para automoción • Maquinaria rotativa diseñada para el rendimiento • Piezas de acero con datos de fiabilidad sólidos • Maquinaria de consumo que no es crítica para la seguridad |
Ventajas | Simple Razonablemente conservador Funciona bien para la mayoría de los metales | Más adecuado para curvas de fatiga experimentales de aceros dúctiles Tensiones permitidas más realistas Se utiliza a menudo en diseño de optimización/ligero |
Desventajas | Sigue siendo una aproximación lineal (puede ser demasiado conservadora para los aceros dúctiles) No coincide con el comportamiento de falla real de los aceros dúctiles y Gerber | No es apropiado para materiales quebradizos No adecuado cuando las consecuencias del fallo son graves No se acepta en muchos códigos de diseño críticos para la seguridad |
Tabla de decisión rápida
Escenario/Requisito | Mejor método | Motivo |
|---|---|---|
Alta seguridad / riesgo humano | Soderberg | Impide la maleabilidad; muy conservador |
Diseño mecánico de uso general | Goodman | Equilibrado, ampliamente aceptado |
Piezas metálicas ligeras optimizadas | Gerber | El más adecuado para el comportamiento de fatiga del acero dúctil |
Cargas muy inciertas | Soderberg | El margen de error es más seguro |
Tensiones medias de tracción conocidas | Gerber | La curva parabólica coincide con el comportamiento del acero |
Se necesita aprobación reguladora | Goodman o Soderberg | Definido en la mayoría de las normas |
Materiales quebradizos | Goodman | Gerber no es válido para comportamiento quebradizo |
| | Aunque la teoría de la tensión media de Soderberg aún no está disponible, lo estará en una versión futura y, por lo tanto, se ha incluido en aras de la comparación. |
Reglas absolutas prohibidas
• Gerber no se debe utilizar para materiales quebradizos (hierro fundido, cerámica).
• Soderberg no se debe utilizar para componentes que deban optimizar el peso (puede restringir demasiado el diseño).
• No se debe suponer que todos los criterios producen resultados similares; pueden diferir significativamente cerca de tensiones medias altas.