Análisis mediante elementos finitos de un eje con ajuste a presión y hueco interno toroidal

Abstract

En este trabajo de fin de grado se trabaja con la unión de dos elementos mediante un ajuste a presión. Por un lado, hay un estudio previo de los fenómenos que se producen en este tipo de escenarios mecánicos como el fretting y por otro lado un estudio de la geometría con la que se va a estudiar el modelo. El estudio se centra en el análisis numérico mediante el método de los elementos finitos de las tensiones globales y de contacto en un sistema eje-cubo al aplicar una flexión rotativa, realizando un mallado preciso para lograr obtener la mayor información posible. Una vez conseguidas las tensiones a lo largo del eje, se extraerán a un fichero para poder analizar por el método de fatiga multiaxial de Smith-Watson-Topper el parámetro de daño en la zona crítica del contacto, hallando el punto crítico y valores medios del parámetro de daño en los planos de su entorno, pudiendo contemplar para que ángulo se provoca la grieta que originará la flexión rotativa. Pero el verdadero foco del trabajo se centra en las posibles mejoras geométricas que pueden existir al introducir un hueco toroidal como medida paliativa para reducir el parámetro de daño y, por tanto, aumentar la vida a fatiga, basando el trabajo en estudios de investigación ya realizados tanto por otros investigadores como por los profesores del departamento de ingeniería mecánica y fabricación de la E.T.S.I. Todo esto se realiza con un análisis de elementos finitos con el software ANSYS. A lo largo del trabajo se utiliza tanto ANSYS Workbench para realizar los primeros estudios de la presión de contacto, como ANSYS mechanical APDL para realizar el modelo, mallado de la pieza y el estudio completo de la efectividad de las medidas paliativas realizadas en las simulaciones.

In this bachelor project, we focus the work on the analysis of the interference fit on a shrink-fitted joint. On the one hand, there is a previous study of the phenomena that occur in this type of mechanical conditions such as fretting and on the other hand a study of the geometry. The study therefore focuses on the analysis of contact stresses combined with rotary bending fatigue, with a precise mesh to obtain an accurate solution. After that, the Smith-Watson-Topper parameter is calculated along different points of the surface near the beginning of the contact pressure to evaluate the máximum value of the SWT parameter and thus find the most critical point of the shaft surface. Next, the avarage value of the damage parameter is calculated along several planes, and the highest mean value of the parameter is considerated the critical plane likely to initiate crack because fretting damage. But the main focus of the work is studying the possible beneficial effects on the fretting life of introducing a toroidal void inside the material under fretting conditions in a shrink-fit assembly subjected to rotating bending. In this work, the value of the Smith-WatsonTopper multiaxial fatigue parameter is considered to analize the damage with a method done by other researchers as well as by the professors of the mechanical engineering and manufacturing department of ETSI All this project is done with some finite element models with ANSYS workbench and ANSYS mechanical APDL. Throughout the work, ANSYS Workbench is used to study the contact pressure between surfaces, as well as ANSYS mechanical APDL to make