¿Qué es el estrés equivalente?

A la hora de diseñar un nuevo componente, los ingenieros deben prestar atención a todos y cada uno de los detalles de su diseño, como:

• ¿En qué entorno se utilizará?
• ¿Cuánto tiempo tendrá que sobrevivir?
• ¿Cuánto puede pesar?
• ¿Cuánto tiene que costar?

Como ingenieros, tenemos que encontrar soluciones a problemas complejos en poco tiempo, y siempre debemos ser muy conscientes de todos los aspectos de nuestro diseño. Pero el punto clave de muchos diseños se reduce a un aspecto: la integridad estructural.

En la actualidad, la mayoría de las piezas de ingeniería experimentan una amplia gama de condiciones de carga, desde tracción y compresión hasta cizalladura, flexión y torsión, todo lo cual da lugar a un complejo estado de tensión que se describe exhaustivamente mediante un tensor de tres por tres. Esto da como resultado nueve valores diferentes que es necesario revisar para cada porción de su dominio. Aquí es donde el concepto de tensión equivalente es extremadamente valioso, ya que combina estos nueve valores en un único valor de tensión equivalente. Aunque se calcula fundamentalmente a partir del tensor de tensiones de tres por tres, una «tensión» equivalente es técnicamente un valor escalar que utilizamos como índice.

¿Qué es la tensión de von Mises?

Según el criterio de fluencia de von Mises, un material dado no empezará a fallar mientras el valor máximo de la energía de distorsión no supere la energía de distorsión necesaria para que el material ceda en un ensayo de tracción. La tensión de von Mises es un valor de tensión equivalente que se utiliza para determinar si un material dado comenzará a ceder, donde un material dado no cederá mientras el valor máximo de la tensión de von Mises no supere el límite elástico del material. Tradicionalmente, la tensión de von Mises se utiliza para materiales dúctiles, como los metales.

Desde un punto de vista práctico, la tensión de von Mises simplemente permite a los ingenieros comprender el comportamiento de una pieza sometida a cargas complejas con un simple ensayo de tracción uniaxial. Los resultados de un material dúctil teórico pueden verse a continuación, donde podemos extraer parámetros de rendimiento, como el límite elástico, el límite elástico último y el módulo de Young.

La naturaleza comparativa de los resultados de tracción y la tensión equivalente de von Mises nos permite calcular rápidamente valores funcionales, como el factor de seguridad. Este valor puede calcularse simplemente dividiendo la tensión máxima admisible por la tensión equivalente. Cuando se utiliza el límite elástico como tensión máxima admisible, el factor de seguridad debe ser superior a uno para que el diseño no experimente deformaciones permanentes. En pocas palabras, este factor de seguridad proporciona el objetivo de rendimiento mínimo absoluto para el diseño.

Cálculo de la tensión de von Mises

La tensión de von Mises puede calcularse a partir de los componentes de tensión descritos por el tensor de tensiones de tres por tres o a partir de las tensiones principales. Cualquiera de las expresiones siguientes da la misma tensión de von Mises, σv, para un estado de tensiones determinado.

Uso de la tensión equivalente para la exploración del diseño en Ansys Discovery

Con los plazos truncados de la ingeniería actual, es imperativo que los ingenieros de diseño comprendan rápidamente el rendimiento de su diseño y la mejor manera de mejorarlo. En Ansys Discovery, los ingenieros de diseño y los analistas pueden simular múltiples físicas diferentes, incluidas las simulaciones estructurales. Al utilizar un solver basado en una unidad de procesamiento gráfico (GPU), los ingenieros pueden visualizar rápidamente el rendimiento de su diseño e informar con rapidez de valores clave como la tensión equivalente/von Mises. Además, los usuarios pueden aprovechar el solver estructural insignia de Ansys (MAPDL) para interrogar más a fondo su modelo y obtener resultados de alta fidelidad.

Bajo una variedad de condiciones de carga, Discovery puede resolver una multitud de parámetros de rendimiento, incluyendo los componentes individuales de la tensión, la tensión principal y, por supuesto, la tensión equivalente. Como se ha mencionado anteriormente, el valor de la tensión equivalente se calcula a partir de los componentes individuales de la tensión, como las tensiones principales.

Combinando las capacidades de la simulación física en vivo y el modelado geométrico integrado, los usuarios pueden iterar rápidamente su diseño y ver información instantánea de la física y los parámetros de ingeniería, como la tensión equivalente y el factor de seguridad. Con esos dos valores conocidos, los ingenieros pueden saber rápidamente lo cerca que están del umbral de fallo del material.

Además, los usuarios pueden aprovechar funciones como los monitores para seguir y registrar el progreso del diseño en cada iteración. Siguiendo con el ejemplo anterior, modificamos el diseño de la primera costilla de refuerzo del soporte delantero del motor para intentar reducir la tensión equivalente. Como puede ver en las imágenes siguientes, nuestros monitores y contornos indican un aumento del factor de seguridad y una reducción de la tensión equivalente, lo que indica rápidamente al usuario que ha reducido la probabilidad de que su diseño falle.