Determinación de la probabilidad de fallo en componentes metálicos sometidos a estados multiaxiales de tensión mediante la utilización de elementos finitos probabilistas y modelos estadísticos de daño acumulado
- Autores: Susana Calvo Molina
- Directores de la Tesis: José Antonio Bea Cascarosa (dir. tes.), Luís Núñez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2008
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jaime Domínguez Abascal (presid.), Jorge Grasa Orús (secret.), Alfonso Fernández Canteli (voc.), Eugenio Giner Maravilla (voc.), José Luis Pelegay Quintana (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La mayor parte de los componentes y estructuras reales en condiciones de servicio están frecuentemente sometidos a complicados estados de tensión y deformación, producidos por cargas repetidas que varían a lo largo del tiempo, los cuales pueden conducir a su fallo. Estos estados complejos de tensión, en los cuales las tensiones principales pueden ser no proporcionales, o lo que es lo mismo, sus direcciones pueden cambiar durante cada ciclo de carga, muy a menudo ocurren en discontinuidades geométricas presentes en los componentes tales como entallas o uniones. La fatiga bajo estas condiciones, denominada fatiga multiaxial, es importante desde el punto de vista del diseño inicial y desde la necesidad de evaluar y asegurar la vida a fatiga del componente una vez que se encuentra en servicio. El fallo producido por el fenómeno de la fatiga, es todavía hoy en día, la causa de un gran porcentaje de las roturas mecánicas producidas sobre componentes y estructuras. Por lo tanto, comprender el fallo por fatiga bajo historias de cargas multiaxiales es importante para la mayoría de las aplicaciones industriales.
En las últimas décadas, diferentes investigaciones han demostrado que el estado local de tensiones o deformaciones afecta considerablemente a la resistencia a fatiga de un componente y que las predicciones de vida basadas en teorías uniaxiales pueden ser muy poco conservadoras. Diferentes métodos de predicción de vida a fatiga multiaxial basados en parámetros efectivos de tensión-deformación, en trabajo o energía plásticos, en aproximaciones de plano crítico, etc, han sido estudiados por multitud de autores, sin embargo, todavía no existe una aproximación aceptada universalmente. Uno de los motivos de este hecho es la complejidad de la respuesta tensión-deformación cíclica bajo historias de cargas multiaxiales las cuales dependen del camino de carga.
A estos inconvenientes, hay que añadirle el hecho de que el fenómeno de la fatiga no responde a un comportamiento determinista sino que presenta una amplia dispersión de resultados entre sucesos aparentemente iguales. Magnitudes físicas que afectan de forma directa a la vida en servicio de los sistemas como las historias de cargas a las que se encuentra sometido el componente, la geometría del mismo o las propiedades de los materiales que lo constituyen muestran incertidumbres aunque tradicionalmente se vienen considerando como deterministas. Así, a la respuesta del sistema estudiada desde un punto de vista determinista se le incorporan factores de seguridad relativamente altos, basados en el carácter aleatorio de las variables, que lo único que permiten es alcanzar una probabilidad de fallo muy baja.
La habilidad para cuantificar las incertidumbres inherentes a complejas estructuras de ingeniería sujetas a cargas, propiedades del material y parámetros geométricos aleatorios se está convirtiendo en un aspecto fundamental en el diseño y análisis de estructuras. En este contexto, y puesto que el uso de herramientas de simulación numéricas (Método de los Elementos Finitos, Método de los Elementos de Contorno,...) está ampliamente extendido en la actualidad para predecir el comportamiento y respuesta de estructuras complejas y así poder reducir la etapa de desarrollo y ensayos en el ciclo de diseño de un componente, surge la necesidad de desarrollar aplicaciones y herramientas de análisis capaces de tener en cuenta el carácter estocástico de muchos de los parámetros del problema. El método tradicional de análisis probabilista es la simulación de Monte Carlo. Esta aproximación requiere un elevado número de simulaciones para estimar las probabilidades y es poco práctica cuando se requieren complejas simulaciones. Hace ya algunos años, y con el objetivo de solventar lo ya comentado, que el Método de los Elementos Finitos se ha utilizado para resolver el problema planteado en la elastostática estocástica, denominado como Método de los Elementos Finitos Probabilistas (PFEM), donde el hecho de suponer los datos de entrada del problema como aleatorios implica la obtención de respuestas asociadas al mismo en términos de una probabilidad dada de ocurrencia.
Así, la naturaleza estadística de la fatiga condiciona la forma de tratar los diversos problemas relacionados con ella, no siendo posible obviar este tema tanto en las aproximaciones numéricas como experimentales. Esto justifica que cualquier cálculo, resultado experimental o estimación referente al comportamiento a fatiga de un material o componente deba tener presente la naturaleza estadística del fenómeno.
