Tecnología / Guía técnica
Carga cíclica de pernos y fatiga de bridas
Un perno precargado no recibe necesariamente toda la variación de una fuerza externa de separación. Una unión cerrada reparte ese incremento entre el alargamiento del perno y la pérdida de fuerza de apriete.
La componente alternante de la fuerza del tornillo no es su precarga.
Un modelo elástico simple hace explícita esa distinción. También muestra por qué modificar la fuerza media es diferente de modificar la amplitud de la tensión cíclica.
01 / Contacto cerrado
Comienza con un límite mecánico definido.
Considere una conexión axial concéntrica hipotética con un resorte efectivo que representa el perno, de rigidez kb, y un resorte que representa los elementos sujetos, de rigidez kc.
Considere una unión axial concéntrica hipotética con un resorte efectivo del perno de rigidez kb y un resorte de los elementos sujetos de rigidez kc. La fuerza de tracción inicial del perno F0 se equilibra con la compresión de los elementos sujetos. La carga externa de separación P se aplica entre los extremos de los elementos.
La siguiente relación supone rigideces elásticas lineales y un contacto continuo bajo compresión. Excluye la flexión local de las bridas, los efectos de introducción de cargas y los cambios en el área de contacto. El modelo estático de rigidez de la unión establece este incremento; la cuestión aquí es qué ocurre cuando P varía cíclicamente.
02 / Reparto de la carga
Solo una parte del incremento afecta a la tensión del tornillo.
Let C = kb/(kb +kc).
Sea C = kb/(kb +kc). La fuerza en el tornillo es Fb = F0 +CP, mientras que la fuerza de apriete restante es Fc = F0 −(1 −C)P. La fuerza externa de separación aumenta la tracción del tornillo y reduce simultáneamente la compresión; no se añade simplemente en su totalidad al tornillo.
Ambas magnitudes satisfacen Fb −Fc = P. Esta comprobación de equilibrio es útil porque un error de signo puede producir dos expresiones aparentemente razonables que no cumplen el equilibrio. C es una fracción adimensional de rigidez para la condición de contorno indicada, no una resistencia a la fatiga del material ni un coeficiente universal de brida.
03 / Ejemplo de ciclo.
Distinguir entre rango, amplitud y media.
Elige los valores hipotéticos C = 0.2, F0 = 600 N, y un ciclo de carga de separación entre 40 y 140 N.
Elige los valores hipotéticos C = 0.2, F0 = 600 N, y un ciclo de carga de separación entre 40 y 140 N. La fuerza en el tornillo varía de 608 a 628 N. Su rango es 20 N, su amplitud 10 N y su media 618 N. El rango de la fuerza externa es 100 N.
Con P en su valor máximo, la fuerza de apriete restante del modelo es 600 −0.8×140 = 488 N, por lo que este ejemplo se mantiene dentro de su supuesto de contacto cerrado. Ninguna de estas cargas es una precarga del producto, un valor de apriete, un límite de carga ni un objetivo de ajuste en campo.
04 / Localización de la tensión mecánica
La amplitud nominal no es la tensión mecánica en la raíz de la rosca.
Para un área de referencia a tracción definida At, la amplitud nominal de la tensión axial es σa = Fba/At.
Para un área de referencia a tracción definida At, la amplitud nominal de la tensión axial es σa = Fba/At. En el ciclo hipotético, utilizar un área ilustrativa de 10 mm² da como resultado 1 MPa. La tensión media nominal correspondiente es 61.8 MPa, calculada con esa misma área.
Una tensión local en la raíz de la rosca puede diferir debido a la geometría y a la transferencia local de carga. Las descripciones de tensión nominal y local no deben mezclarse con datos de fatiga expresados para otra ubicación. A concentración de tensiones describe un efecto geométrico local; no proporciona por sí mismo una curva de fatiga.
05 / Efecto de la precarga
Una mayor media no implica automáticamente una menor amplitud.
Dentro del mismo modelo lineal cerrado y con una constante C, el cambio de F0 modifica la media de la fuerza del tornillo, pero mantiene la amplitud de la fuerza del tornillo igual a C veces la amplitud de la carga externa.
Dentro del mismo modelo lineal cerrado y con una constante C, el cambio de F0 modifica la media de la fuerza del tornillo, pero mantiene la amplitud de la fuerza del tornillo igual a C veces la amplitud de la carga externa. Este resultado matemático separa la carga previa del incremento alterno.
Los cambios que alteren el cierre del contacto o la rigidez pueden modificar esa conclusión. Requieren un modelo físico diferente, en lugar de utilizar la misma fórmula fuera de sus condiciones de aplicación. Por tanto, esta afirmación explica una comparación idealizada y no recomienda aumentar ni disminuir la precarga real del perno.
06 / Límite de fatiga.
Las cuestiones relacionadas con el contacto y el comportamiento de los materiales generan nuevas preguntas.
Si se pierde la compresión, la ley de incrementos con el contacto cerrado deja de describir la conexión durante todo el ciclo.
Si se pierde la compresión, la ley incremental para contacto cerrado deja de describir la unión durante todo el ciclo. La flexión, el efecto de palanca y la carga no uniforme del grupo de pernos también pueden cambiar qué perno recibe una fuerza variable. Una fuerza media de apriete positiva no demuestra que exista contacto local en todas partes.
Incluso un ciclo de tensiones correctamente calculado necesita una descripción adecuada de la fatiga, incluida cualquier tratamiento de la tensión media. Este ejemplo no proporciona la geometría real de la brida, el material de los pernos, la tensión local ni el historial de cargas. No se asigna ninguna vida útil ni resistencia a la fatiga a una conexión MARSTON.
Guías técnicas relacionadas: Corrección de tensión media en la fatiga de turbinas eólicas · Mecánica de pelado y cortante en uniones adhesivas · Explicación de los criterios de fallo de palas de material compuesto.
Trasfondo general: Publicación de referencia 1228 de NASA — Manual de diseño de elementos de fijación, análisis de cargas cíclicas. Estas referencias explican conceptos del sector; son independientes de los documentos aplicables del producto y del proyecto MARSTON.
Conceptos y condiciones principales.
Lea cada cantidad con su referencia, unidades y condiciones especificadas. Una relación general no establece un valor específico para un modelo.
| Concepto / magnitud | Significado / relación | Condiciones / límites |
|---|---|---|
| Fracción de rigidez | C = kb/(kb +kc) | Límite elástico definido con la unión cerrada |
| Incremento de fuerza en el tornillo | CP | Solo una parte de la carga de separación. |
| Reducción de la fuerza de apriete | (1 −C)P | El contacto debe mantenerse bajo compresión |
| Amplitud de fuerza | (Fb,max −Fb,min)/2 | No la tensión inicial del tornillo. |
| Amplitud de tensión mecánica nominal | Fba/At | El área y la ubicación de la tensión deben coincidir. |
Preguntas de ingeniería.
¿El tornillo recibe toda la variación de fuerza externa?
No en el modelo elástico cerrado especificado. Su incremento de fuerza es CP.
¿Es la amplitud de tensión igual a la tensión de precarga?
No. La amplitud es la mitad del rango del ciclo; la precarga contribuye al nivel de fuerza y a su valor medio.
¿Una mayor precarga siempre reduce la tensión alternante?
No. Con una fracción de rigidez constante y manteniendo el contacto cerrado, cambia el valor medio sin alterar la amplitud.
¿Puede utilizarse la relación para la unión cerrada después de la separación?
No. El límite físico ha cambiado y requiere una descripción diferente.
¿La tensión nominal de tracción es igual a la tensión en la raíz de la rosca?
No necesariamente. La geometría local y la transferencia de cargas pueden crear una distribución de tensiones diferente.
¿El ejemplo numérico establece una especificación de apriete?
No. Todas las fuerzas y áreas que aparecen en ella son hipotéticas y solo ilustran magnitudes del ciclo.
Consulta técnica
Comenta la cuestión técnica.
Un tornillo precargado no recibe necesariamente toda la variación de una fuerza externa de separación. Comparte el modelo y la información aplicable de funcionamiento o diseño para un análisis de ingeniería.