Análisis de fatiga en componentes estructurales

Evaluación de elementos sometidos a unas cargas cíclicas de magnitudes variables, siempre menores que las extremas, para valorar si pueden sobrevivir sin colapso durante el tiempo establecido de actuación de mencionadas cargas.


Período

2006-2023

Sector

Mecánico estructural

Servicio

Análisis de fatiga

CONTEXTO

El análisis de fatiga en componentes estructurales consiste en evaluar si dichos elementos, sometidos a unas cargas cíclicas de magnitudes variables, pero siempre menores que las extremas, van a sobrevivir sin colapso durante el tiempo establecido de actuación de mencionadas cargas.

Este estudio es frecuentemente determinante en el diseño y desarrollo de los componentes. SOLUTE aporta una amplia experiencia en este tipo de análisis aplicados en diferentes sectores y componentes, a través de diversas metodologías siempre adaptadas a la especificidad de cada caso. Así, la precisión del análisis va desde cálculos de fatiga multiaxial con series históricas de hasta un año de información de la carga, como sucede en componentes eólicos, a casos de fatiga uniaxial para requerimientos de vida infinita, pasando por la determinación de la vida en las soldaduras y adyacentes

Los componentes mecánicos o estructurales de máquinas y estructuras están sometidos frecuentemente a cargas de naturaleza cíclicas y dinámicas que finalmente derivan en un colapso por fatiga. Este tipo de fallo mecánico puede ser mucho más frecuente que el que sucede por unas cargas extremas o últimas y, por tanto, son determinantes en el diseño del componente.

Todo nuevo producto o máquina diseñado con el objetivo de una vida en servicio determinado.


RESULTADOS

El análisis de fatiga consiste en realizar un mapa de daño o un valor único de daño, si se trata de elementos discretos, que nos indica si el componente sobrevive o no al histórico de carga estimado. Al tratarse de un mapa, nos aporta la localización del peor punto donde puede suceder la fatiga y nos orienta de cara a operación y mantenimiento de los potenciales lugares donde puede aparecer una grieta en una inspección.

Por otro lado, en caso de que la fatiga supere el umbral el análisis se complementa con la trazabilidad de los análisis por elementos finitos previos para razonar la causa que ha llevado a ese valor por encima del umbral. Con esta aportación de la causa raíz podemos abordar un rediseño o desarrollo con modificaciones encaminadas a obtener resultados favorables.

OTRAS APLICACIONES

El análisis de fatiga es un estudio que es aplicable a cualquier sector donde una máquina o un componente estructural esté sometido a una carga variable cíclica mínimamente determinada y donde es susceptible de que falle en el tiempo por la repetición cíclica de la aplicación de carga. Por tanto, son numerosos los sectores donde es viable la realización de este análisis que puede ayudar a solventar numerosos problemas de colapso, así como a optimizar el diseño. Igualmente, es de enorme interés su obligación para análisis de causa raíz de fallos sucedidos y observados recurrentemente y que se desean solucionar, pues nos permite así hacer una peritación y apuntar el origen del fallo.

EXPERIENCIA

Sectores industriales como el eólico, ferroviario o automoción, entre otros, precisan para el desarrollo de sus nuevos productos de un detallado análisis de fatiga. SOLUTE ha participado desde su inicio en el desarrollo de nuevos productos de estos sectores, implicados en el diseño y la concepción desde el inicio hasta la certificación y correlación final. Hemos aportado a nuestros clientes con estos cálculos una manera fiable y eficaz de lograr diseños capaces de superar con éxito la vida prevista. SOLUTE lleva más de 15 años realizando este tipo de análisis en estos sectores y aplicando todo su conocimiento a otros casos específicos.

Los casos más efectivos aplicables en eólica emplean un análisis de fatiga multiaxial por el método del plano crítico para series históricas muy precisas que, mediante técnicas de rainflow, determinan el daño de un año entero de vida, lo que permite llegar a extrapolar el daño por fatiga para los 20 o 25 años estimados.

METODOLOGÍA

El método aplicable para llevar a cabo el análisis de fatiga debe estar adaptado a la información aportada del caso específico. Cuanta más información haya disponible, más preciso podrá ser el análisis y menos conservador el diseño.

De esta forma se construye un modelo de elementos finitos avanzado que permite determinar el estado tensional de la respuesta estática del caso de carga. Los modelos se elaboran en códigos comerciales como ANSYS, OPTISTRUCT, NASTRAN, etc. Los criterios de modelización por elementos finitos son comunes a las metodologías avanzadas empleadas para casos estáticos.

Con este estado tensional se tiene la base para poder combinarla con la información del histórico de cargas con el que se cuente. Esto se realiza mediante un post proceso específico en alguna de las herramientas disponibles tanto comerciales (HYPERLIFE, FE-SAFE, nCODE) como desarrolladas dentro de SOLUTE.

La normativa aplicable es variable. Lo más habitual es emplear Eurocódigo EC3 1-9 en casos más genéricos y específicamente para eólica seguir guías de DNV (DNVGL-ST-0361, DNVGL RP-C203,) e IEC 61400., más alguna particular en ferroviario (DVS 1612, por ejemplo). Los casos más efectivos aplicables en eólica emplean un análisis de fatiga multiaxial por el método del plano crítico para series históricas muy precisas que, mediante técnicas de rainflow, determinan el daño de un año entero de vida, lo que permite llegar a extrapolar el daño por fatiga para los 20 o 25 años estimados.

Una aplicación particular es el caso de determinación de fatiga experimental, donde en lugar de modelización FEM tenemos datos experimentales para determinar el daño a partir de estas lecturas.

En el caso de uniones, hay que precisar la especial atención que merece la selección de las categorías de detalle para uniones soldadas en la interpretación del Eurocódigo o categorías de la IIW. Y para uniones atornilladas, es preciso incluso considerar la discretización del tornillo para obtener la información en todo el perímetro de este y verificar el daño siguiendo las indicaciones de VDI2230.

La información obtenida al final del análisis siempre es el daño estimado al que se acompaña de información complementaria de los casos estructurales en los que se basa para obtener una comprensión de la causa que origina ese daño localizado.

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