Factor de concentración de esfuerzos de una viga de sección transversal circular variable en flexión

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Víctor I. Rodríguez-Reyes
Arturo Abúndez Pliego

Resumen

En las pruebas de fatiga realizadas en máquinas de viga rotativa se utilizan probetas con geometrías estandarizadas, las cuales presentan cambios en su sección transversal para garantizar que la falla ocurra en una longitud de calibre. El cálculo correcto de los esfuerzos que se generan en la longitud calibrada de la probeta requiere que se considere algún factor de concentración de esfuerzos. Por lo tanto, en este trabajo se utilizaron tanto el Método de Elementos Finitos como la Teoría de Vigas para el cálculo del factor de concentración de esfuerzos de una probeta del tipo dog-bone con cambio de sección transversal complejo, el cual no se encuentra en la literatura especializada. Para ello, la mitad de la probeta se modeló en un software de elementos finitos como una viga en voladizo, empotrada en el punto medio de la longitud de calibre, y se determinó el esfuerzo dicha zona. Analíticamente, se calculó el esfuerzo considerando a la máquina de pruebas de fatiga como una viga a flexión de cuatro puntos. Los resultados de ambos métodos se compararon para establecer el factor de concentración de esfuerzos. Se determinó que, si no se toma en cuenta el factor de concentración de esfuerzos, el esfuerzo en la probeta calculado con los modelos analíticos es 24% menor que el obtenido en el software de elementos finitos.

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Cómo citar
Rodríguez-Reyes, V. I., & Abúndez Pliego, A. (2023). Factor de concentración de esfuerzos de una viga de sección transversal circular variable en flexión. Ingenio Magno, 13(2), 81-88. Recuperado a partir de http://revistas.ustatunja.edu.co/index.php/ingeniomagno/article/view/2613
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[1] Alaneme, K. K. (2011). Design of a Cantilever - Type Rotating Bending Fatigue Testing Machine. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 10(11), 1027–1039. https://doi.org/10.4236/jmmce.2011.1011078

[2] Araque de los Ríos, Ó. J., & Quintana Ávila, S. (2018). Design of a fatigue test bench in rotary flexion to evaluate the behavior to cyclical loads. Scientia Et Technica, 23(3), 324–333. https://doi.org/10.22517/23447214.16891

[3] ASTM International. (2002). ASTM E466-96, Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials. Astm International, 03(Reapproved). https://doi.org/10.1520/E0466-21

[4] Beer, F. P., Johnston, E. R., Dewolf, J. T., & Mazurek, D. (2020). Mechanics of materials (8th ed.). McGraw-Hill Education Ltd.

[5] Ceballos, W. F., León Gómez, A., & Coronado Marín, J. J. (2010). Comportamiento a fatiga del acero SAE 4140 usando alta rugosidad superficial y ambiente corrosivo. DYNA. Revista de la Facultad de Minas, 77(162), 125–135. https://revistas.unal.edu.co/index.php/dyna/article/view/15842

[6] Cruz Castro, E., González Vizcarra, B., Ávila Puc, M., Gonzalez Lopez, Y., Colín Ocampo, J., Mayen Chaires, J., & Abúndez-Pliego, A. (2019). Diseño, construcción y puesta en marcha de una máquina para pruebas de fatiga de flechas en condiciones de resonancia. XXV Congreso Internacional Anual de la SOMIM, 26–30. http://somim.org.mx/memorias/memorias2019/articulos/A1_124.pdf

[7] Domínguez Almaraz, G. M., Ávila Ambriz, J. L., & Cadenas Calderón, E. (2012). Fatigue endurance and crack propagation under rotating bending fatigue tests on aluminum alloy AISI 6063-T5 with controlled corrosion attack. Engineering Fracture Mechanics, 93, 119–131. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2012.06.012

[8] Dominguez Almaraz, G. M., Mercado Lemus, V. H., & Jesús Villalon Lopez, J. (2010). Rotating bending fatigue tests for aluminum alloy 6061-T6, close to elastic limit and with artificial pitting holes. Procedia Engineering, 2(1), 805–813. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2010.03.087

[9] Dowling, N. E. (2013). Mechanical Behavior of Materials: Engineering Methods for Deformation, Fracture, and Fatigue (4a ed.). Pearson Education Limited.

[10] Gallegos-Melgar, A., González-López, Y., Abúndez, A., Flores-Ruiz, F. J., Díaz-Guillén, J. C., Betancourt-Cantera, J. A., Hernández-Hernández, M., Trápaga-Martínez, G., Poblano-Salas, C. A., Acevedo-Dávila, J. L., & Mayen, J. (2020). Characterization of a C-Based Coating Applied on an AA6063 Alloy and Developed by a Novel Electrochemical Synthesis Route. Coatings, 10(2), 145. https://doi.org/10.3390/coatings10020145

[11] González López, Y. (2019). Evaluación de la influencia de tratamientos superficiales en la vida a la fatiga de materiales [TecNM/Cenidet]. http://187.188.90.136:8880/file.php?code=lRor9A-QBQ3V

[12] Gutierrez Rojas, I., Abúndez Pliego, A., González López, Y., Mayén Chaires, J., Alfonso Rosas, G., Siqueiros Hernández, M., & González Vizcarra, B. (2020). Efecto del voltaje de electrodeposición sobre la vida a fatiga de aluminio recubierto con carbono. Jornada de Ciencia y Tecnología Aplicada, 3(2), 139–146. https://jcyta.cenidet.tecnm.mx/revistas/jcyta/05-Revista_JCyTA_Vol-3-Num-2_Jul-Dic_2020.pdf

[13] Landín, R. A., Ramírez Villareal, D., & Garza Espinoza, B. S. (2014). Cálculo del factor de concentración de esfuerzos utilizando Solidworks. Proyectos institucionales y de vinculación, 2(3), 29–38. http://eprints.uanl.mx/id/eprint/9826

[14] Mayén, J., Abúndez, A., Pereyra, I., Colín, J., Blanco, A., & Serna, S. (2017). Comparative analysis of the fatigue short crack growth on Al 6061-T6 alloy by the exponential crack growth equation and a proposed empirical model. Engineering Fracture Mechanics, 177, 203–217. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.03.036

[15] Meggiolaro, M. A., Castro, J. T. P., & de Moura Nogueira, R. (2017). A fast rotating bending fatigue test machine. Procceedings of the 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering. https://doi.org/10.26678/ABCM.COBEM2017.COB17-1824

[16] Moore, R. R. (1939). Material testing machine (Patent Núm. US2154277A). U.S. Patent and Trademark Office. https://patents.google.com/patent/US2154277A/en

[17] Mott, R. L., Vavrek, E. M., & Wang, J. (2017). Machine Elements in Mechanical Design (6a ed.). Pearson Education, Inc.

[18] Ozkan, M. T., & Erdemir, F. (2021). Determination of theoretical stress concentration factor for circular/elliptical holes with reinforcement using analytical, finite element method and artificial neural network techniques. Neural Computing and Applications, 33(19), 12641–12659. https://doi.org/10.1007/s00521-021-05914-x

[19] Özkan, M. T., Kaygisiz, M., & Toktas, I. (2016). Definition of stress concentration factor of column with angled holed under bending stress using finite element analysis. 21st International Scientific Conference MECHANIKA 2016, 199–205.


[20] Pérez Olivas, P. A., Limón Leyva, P. A., Aguilera Gómez, E., Plascencia Mora, H., & Jiménez López, E. (2014). Daño acumulado teórico-experimental del aluminio 6061-T6: método de Palmgren-Miner. 2014 – Memorias de Divulgación Científica, Tecnológica e Innovación de la SOMIM – XX Congreso, 375–380. http://somim.org.mx/siam/librosomim2014/pdfs/A1/A1_278.pdf

[21] Petatan Bahena, K. E., Gutierrez Rojas, I., Abúndez Pliego, A., Mayen Chaires, J., & Blanco Ortega, A. (2021). Efecto de la velocidad de avance en torneado CNC en seco y el acabado superficial en la vida a fatiga de una aleación de aluminio 6061-T6. Jornada de Ciencia y Tecnología Aplicada, 4(1), 235–240. https://jcyta.cenidet.tecnm.mx/revistas/jcyta/06-Revista_JCyTA_Vol-4-Num-1_Ene-Jun_2021.pdf
[22] Pilkey, W. D., Pilkey, D. F., & Zhuming, B. (2020). Peterson’s Stress Concentrations Factors (4th ed.). John Wiley & Sons, Inc.

[23] Sallberg, D. W., Lawson, T. J., & Cardon, M. H. (1989). Multi-axial fatigue testing machine (Patent Núm. US4802365A). U.S. Patent and Trademark Office. https://patents.google.com/patent/US4802365


[24] Schütz, W. (1996). A history of fatigue. Engineering Fracture Mechanics, 54(2), 263–300. https://doi.org/10.1016/0013-7944(95)00178-6

[25] Slotwinski, J., & Moylan, S. (2014). Applicability of Existing Materials Testing Standards for Additive Manufacturing Materials. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8005

[26] Tlapanco Rios, E. I., Castaño Urrego, C. A., Lopez Perez, J. R., & Forero Rubiano, F. R. A. (2020). Método de comparación de resultados de modelado CAD-CAE contra probetas de ensayo destructivo. Acta Universitaria, 30, 1–16. https://doi.org/10.15174/au.2020.2668

[27] Toktaş, İ., Özkan, M. T., Erdemir, F., & Yuksel, N. (2020). Determination of Stress Concentration Factor (Kt) for a Crankshaft Under Bending Loading: An Artificial Neural Networks Approach. Politeknik Dergisi, 23(3), 813–819. https://doi.org/10.2339/politeknik.683270


[28] Yang, H., Zhang, Z., Tan, C., Ito, M., Pan, P., & Wang, X. (2018). Rotating Bending Fatigue Microscopic Fracture Characteristics and Life Prediction of 7075-T7351 Al Alloy. Metals, 8(4), 210. https://doi.org/10.3390/met8040210

[29] Zakaria, K. A., Abdullah, S., & Ghazali, M. J. (2016). A Review of the Loading Sequence Effects on the Fatigue Life Behaviour of Metallic Materials. Journal of Engineering Science and Technology Review, 9(5), 189–200. https://doi.org/10.25103/jestr.095.30

[30] Zuno Silva, J. (2016). Fatigue resistance improvement of a forging medium carbon steel using Mischmetal (rare earths) as inclusions (MnS) modifier element. Nova Scientia, 8(17), 97. https://doi.org/10.21640/ns.v8i17.483