Paliativo frente a la fatiga por fretting y análisis del proceso de fatiga en cordones metálicos

Abstract

El fallo de cables de acero es comúnmente producido por el fenómeno de la fatiga. Para analizar el fallo por fatiga en este tipo de elementos, un nuevo equipo de ensayos ha sido diseñado, fabricado y validado. Uno de los principales aspectos de este nuevo útil de ensayos, es la capacidad de aplicar al cable tanto cargas axiales como de flexión simultáneamente. Además, ambas cargas pueden ser estáticas o variables con el tiempo. El primero de los objetivos fue evitar el fallo del cable en la zona de sujeción, y de este modo producir el fallo debido únicamente a las tensiones globales producidas por las fuerzas externas aplicadas y las tensiones inducidas por el contacto entre hilos. Durante el desarrollo de este primer objetivo y tras el análisis numérico de diferentes tipos de elementos de sujeción para evitar fretting en los mismos, surge la idea de un nuevo concepto de paliativo, extensible al fenómeno de la fatiga por fretting en general. La idea básica consiste en realizar orificios debajo de las superficies en contacto y cerca de las zonas en las que se inician las grietas por fretting. Con la introducción de dichos orificios se consigue que la distribución de presiones sea menor en los bordes de contacto y también la tensión axial que provoca la iniciación de grietas. En base a ello se realiza un trabajo complementario, en el que se analiza el efecto producido por estos orificios en un par de contacto básico, como es el contacto cilíndrico. Los análisis numéricos con este tipo de geometrías producen resultados muy satisfactorios que marcan una guía para el uso de un nuevo tipo de paliativo frente al fretting. El segundo de los objetivos, y volviendo al análisis de la rotura en cables de acero, es diseñar un equipo de ensayos versátil, de forma que sea posible ensayar diferentes combinaciones de cargas, así como diferentes configuraciones de cables. El tipo de fallo esperado, será producido por una combinación de tensiones globales (axiales y de flexión) y de contacto, dependiendo fuertemente del tipo de configuración del cable ensayado y por tanto del tipo de contacto. Una vez diseñado el equipo se realiza una amplia batería de ensayos con la configuración de cables más básica de las comúnmente empleadas, un cordón de x acero inoxidable de siete hilos. El cordón ha sido sometido a diversas combinaciones de fuerzas axiales y de flexión. Una vez llevados a cabo los ensayos de fatiga, y con el objetivo de analizar las zonas de iniciación de grietas, así como su propagación y determinar el fenómeno que provoca el fallo, las superficies de fractura de los cables ensayados fueron analizadas mediante microscopia electrónica. Debido al tamaño de los hilos que conforman el cordón ensayado, la medición de tensiones y deformaciones in situ es compleja o casi imposible. Por ello y con el objetivo de conocer los campos de tensiones y deformaciones que aparecen en el cordón, se han realizado diversas simulaciones numéricas mediante dos modelos de elementos finitos de formulación implícita. Un primer modelo complejo en el que se ha modelado un cordón completo con el objetivo de reproducir fielmente los ensayos llevados a cabo y un segundo modelo simplificado realizado con el objetivo de una aplicación rápida y práctica. Por último, se han aplicado diversos métodos de predicción de vida a fatiga en función de los resultados experimentales y numéricos obtenidos. En base a ambos resultados se llega a la conclusión que, debido a la geometría de cordón empleada, y por tanto al tipo de contacto que de forma inherente aparece entre hilos, el fallo es producido debido a las tensiones globales aplicadas al cordón y no al fenómeno de fretting, que aunque también se observa en el contacto entre hilos, no es determinante. En base a estos resultados se concluye con un método simple, pero efectivo, para la predicción a fatiga de cordones de acero de siete hilos sometidos a cargas axiales y de flexión.

Metallic cables failure is commonly produced by fatigue phenomena. In order to analyse the fatigue failure of cables, a new device has been designed, manufactured and validated. The main peculiarity of the device is its capacity to apply simultaneously axial and bending loads. In addition, both loads can be static or time variable. The first objective was to avoid the failure of the cable close to the clamping system and thus produce the failure due to global stress produced by external loads and contact stresses prompted between wires. During the development of this first objective and after the numerical analysis of different types of clamping systems, the idea of a new fretting palliative arose. The basic idea is to make holes under the contact surfaces and near the areas where cracks initiate due to fretting. With the introduction of the holes, the pressure distribution is reduced at the contact edge and also direct stress that produce the initiation of cracks. Based on these observations, a complementary work is carried out, in which the effect produced by these holes in a basic contact pair, such as the cylindrical contact one, is analysed. Numerical analysis with this type of geometry produce very satisfactory results that mark a guide for the use of a new type of palliative against fretting The second objective, and returning to the analysis of cable failure, was to design a versatile test equipment. Therefore, with the device designed it is possible to test different combinations of loads, as well as different cable configurations. The expected type of failure is produced by a combination of global (axial and bending) and contact stresses. Nevertheless, the type of failure depends strongly on the type of cable configuration and therefore on the type of contact. Once the device was designed, a wide battery of tests was carried out with the most basic cable configuration of those commonly used, a seven-wire stainless steel strand. The strand was subjected to various combinations of axial and bending loads. Once the fatigue tests were carried out, and with the aim of analysing the crack initiation zones, as well as their propagation, the fracture surfaces, of the tested strands, were analysed by a scanning electron microscope. xii Due to the size of the wires that shape the strand, the measurement of stresses and strains in situ is complex or almost impossible. For this reason and in order to know the stress/strain fields of the strand, several numerical simulations have been carried out by means of two implicit finite element models. A first complex model in which a complete strand has been modelled in order to faithfully reproduce the tests carried out and a second simplified model developed with a more practical application. Finally, various fatigue life prediction methods have been applied based on the experimental and numerical results obtained. In view of the results, it is concluded that, due to the strand geometry tested, and therefore to the type of contact that inherently appears between wires, the failure is produced due to the global stresses applied to the strand and not because of fretting phenomenon, which although it is also observed in the contact between wires, is not determinant. Based on these results, we conclude with a simple but effective method for the prediction of the fatigue life of 7-wire stainless steel strands subjected to cyclic axial and bending loads.