Uno de los tipos de falla más conocidos en Mecánica de Materiales, y sin embargo más complicados de calcular, es la fatiga. Se le conoce por ser la causante del 70% de los casos de falla, además de que suele aparecer cuando ya es demasiado tarde solventarla. Conviene, entonces, diseñar nuestros elementos de máquinas y estructurales con un carácter especialmente preventivo ante esta posibilidad.

Si un objeto está sometido a cargas cíclicas —esto es, sometido a fuerzas aplicadas periódicamente en el mismo punto—, podemos observar que, si el tipo de carga es suficiente, se va a presentar eventualmente una microgrieta en la superficie del material. Luego, si extendemos el período de tiempo bajo estas solicitaciones (o si aumentamos la frecuencia o magnitud de las mismas) encontraremos que la microgrieta se hará cada vez más y más grande, hasta alcanzar en la pieza un área efectiva mínima justo antes de la fractura del material. Finalmente, el objeto falla por fractura, siendo este tipo de falla comúnmente brusco y muy dañino para nuestras máquinas y estructuras.

Cuando ocurre la rotura del material, es muy común observar en la zona de la misma unas «marcas de playa», las cuales son huellas de la fractura que se asemejan al oleaje del mar en la arena. En la siguiente imagen se aprecia un ejemplo:

Por lo anteriormente expuesto, se puede intuir que la falla por fatiga depende no sólo del material, sino de la forma y magnitud de las cargas, de la frecuencia de las mismas, del acabado superficial de la pieza, de las condiciones externas (temperatura y corrosión) y del proceso de fabricación. Actúan muchas las variables, y por eso se ha hecho necesario la caracterización estadística de probetas de distintos materiales, en condiciones de laboratorio estándar, para encontrar un patrón de comportamiento. Este patrón es la curva S-N de fatiga.

Con la geometría de la pieza ya diseñada en SOLIDWORKS, el material y su respectiva curva S-N, podemos hacer simulaciones estructurales de fatiga con el módulo SOLIDWORKS Simulation. El proceso general es el siguiente:

  • Como analista o ingeniero, tener un estimado de cuántos ciclos de carga en la pieza se desean validar, para luego saber si resiste o no a la fatiga. Una forma indirecta de contabilizar los ciclos de carga es estimar el tiempo de vida de la pieza. Si, por ejemplo, tenemos una carga cíclica que se repite cada 5 segundos, entonces, ¿cuántos ciclos de carga habrán sido aplicados en 6 meses de operación? Sacando las cuentas, nos darán 3110400 ciclos para este caso.
  • Realizar un análisis de esfuerzo para cada caso de carga que esté involucrado en los ciclos.
  • Configurar el análisis de fatiga, indicando el número de ciclos que se quieren evaluar, así como también incluyendo las simulaciones de esfuerzo anteriores.
  • Incluir en la data del material la curva S-N.
  • Correr la simulación.

Los resultados obtenidos a través de esta simulación son el Porcentaje de Daño de la pieza, especificando cuál es la zona más susceptible de fractura en caso de falla por fatiga; y por otro lado el Número de Ciclos máximo que resistirá el componente.

Entre los beneficios que podemos obtener de un análisis de fatiga destacan la posibilidad de repensar la geometría y material de nuestros nuevos diseños, a fin de garantizar un número mínimo de ciclos de carga. En el caso de piezas ya fabricadas, se puede vincular este análisis al protocolo del mantenimiento preventivo de las operaciones de la empresa, de tal manera que simulando los ciclos de carga máximos a resistir podamos antecedernos a la falla de la pieza y así programar la reposición pertinente.

Salvador Suniaga / Ingeniero de aplicaciones en Cad Solutions S.A

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