Uniones atornilladas

En este artículo os vamos a hablar de las uniones atornilladas, cómo se modelan según su forma de trabajar y porqué tiene tanta importancia hacerlo correctamente. Forma parte de la serie de artículos sobre algunos de los Tipos de Uniones Estructurales mecánicas en ingeniería industrial Uniones atornilladas, la que nos ocupa… Uniones soldadas Uniones por […]

En este artículo os vamos a hablar de las uniones atornilladas, cómo se modelan según su forma de trabajar y porqué tiene tanta importancia hacerlo correctamente. Forma parte de la serie de artículos sobre algunos de los Tipos de Uniones Estructurales mecánicas en ingeniería industrial

Uniones metálicas atornilladas, cómo simularlas correctamente

ANSYS como software de cálculo de elementos finitos  ayuda al usuario en la creación de los contactos entre componentes. Estas herramientas son muy útiles en cálculos sencillos donde se puede considerar que los componentes están, por ejemplo, soldados entre sí.

Pero ¿qué ocurre cuando estudiamos una unión atornillada crítica de un modelo?

La respuesta la mostramos a continuación. Se van a estudiar 4 formas distintas de definir un cálculo ( de menos a más preciso) en el que una placa de anclaje soporta una carga determinada utilizando una argolla. Aunque esta última no es objeto de análisis en el cálculo.

  1. Unión atornillada ordinaria simulada con contactos automáticos
  2. Unión atornillada ordinaria simulada con Beams
  3. Unión atornillada ordinaria simulada con Beams + Contacto con fricción
  4. Unión atornillada pretensada simulada con Tornillos modelados + Contacto con fricción

En cada uno de los cálculos, se mantendrán las cargas y restricciones de movimiento. Se modificará  la definición de los contactos entre las partes, así como la forma de modelar el efecto de los tornillos. A continuación describimos cada uno de ellos.

Para los casos 1, 2 y 3 se utilizará este modelo. En los casos dos y tres además se incluirán elementos rígidos tipo beam para unir los orificios entre placas

Para el caso 4 se utilizará este modelo, cuya única diferencia con el anterior reside en que se han modelado los tornillos de forma simplificada.

01.- Unión atornillada ordinaria con contactos automáticos

En este caso se usa la herramienta de generación de contactos automática de ANSYS. Donde se crean contactos tipo bonded entre todas las superficies que disten entre sí menos de un valor calculado automáticamente en función del tamaño de los componentes.

Tensión de Von Mises

A continuación se muestra la tensión de Von Mises de la placa y su soporte, obviando la zona de la argolla.

Como se aprecia en las imágenes la tensión máxima en el modelo es de 55,7 MPa. Además, la placa está completamente unida al soporte. El punto máximo de tensión se encuentra en las aristas de la placa dónde se inserta la argolla debido a la generación de contactos automática. Este comportamiento dista del que podríamos esperar en la realidad.

Presión de contacto

Con el objetivo de ver que ocurre en el contacto entre la placa y su soporte se analiza la presión de contacto. Se puede apreciar que la placa está unida en su totalidad al soporte, dando lugar a presiones positivas y negativas. Estas últimas en ningún caso ocurrirían en la realidad

 

02.- Unión atornillada ordinaria simulada con beams

Dejamos atrás la herramienta de contactos automática de ANSYS y nos centramos en definir el efecto de los tornillos. En este caso se plantea que la placa quede unida mediante elementos rígidos tipo beam. Estos elementos unen dos superficies circulares entre si y además permiten conocer los esfuerzos producidos en unión. Como la placa queda unida únicamente con los tornillos, se podría pensar en eliminar el contacto tipo bonded (soldado) entre la placa y el soporte para que los esfuerzos se transmitan directamente a los elementos beam, que simulan los tornillos. Así lo haremos.

Tensión de Von Mises

A continuación se muestra la tensión de Von Mises de la placa y su soporte, obviando la zona de la argolla.

La tensión del modelo es de 195 MPa. En este análisis se aprecia como la placa se separa y únicamente queda soportada por los elementos que simulan los tornillos. Sin embargo, como no existe contacto entre la placa y el punto de unión, se aprecia como la placa «penetra» en el otro componente. Este comportamiento tampoco será real pues la placa si tendría contacto en la realidad.

En este caso no hay contacto entre las placas por la forma en que se ha modelado

03.- Unión atornillada ordinaria simulada con Beams + Contacto con fricción

De la misma forma que en el caso anterior, se definen las uniones con elementos tipo beam entre los orificios de la placa y el soporte. Además, se define un contacto con fricción de tipo no lineal entre la superficie en contacto de la placa y su soporte. Este último permitirá el desplazamiento de la placa en dirección horizontal. De esta forma la unión quedará mejor definida y su comportamiento será más cercano a la realidad.

Tensión de Von Mises

A continuación se muestra la tensión de Von Mises de la placa y su soporte, obviando la zona de la argolla.

En este tercer caso la tensión es de 114 MPa. En este análisis se puede apreciar que como en el caso anterior, la placa se separa del otro sólido. Sin embargo, como en este caso se ha generado un contacto entre los dos componentes las tensiones se reparten de forma más uniforme de la placa.

Presión de contacto

Se puede apreciar como se separa la placa en la zona central y como la presión máxima se concentra en los bordes de la placa

04.- Unión atornillada por Tornillos pretensados simulada con tornillos modelados + Contacto con fricción

Os presentamos el último caso, ¿qué ocurre si la unión se ha planteado además con tornillos pre tensados? En este tipo de uniones los esfuerzos cortantes son absorbidos por la fricción que se genera en las partes en contacto. En este caso subimos un poco mas la apuesta. Además de definir el contacto con fricción entre las dos superficies en contacto habrá que :

  • Modelar los tornillos
  • Mallar  adecuadamente los tornillos
  • Crear los contactos necesarios entre los tornillos y placas
  • Aplicar el pre tensado a los tornillos

Tensión de Von Mises

A continuación se muestra la tensión de Von Mises de la placa y su soporte, obviando la zona de la argolla.

Por último podemos apreciar como en este cuarto caso la tensión es de 86,7 MPa. Al igual que sucede en el caso anterior la placa se separa del sólido aunque lo hace en menor medida debido al efecto producido por la pre carga de los tornillos. Es por esta razón que se producen menos tensiones en la placa.

Presión de contacto

En este caso al igual que en el anterior se puede apreciar como la placa se separa y  la tensión máxima se concentra en los bordes de la placa. Sin embargo al pre tensar los tornillos se observa como la presión se distribuye hacia el interior de la placa.

Os dejamos un video…

Conclusiones

En primer lugar, analizando cómo se produce la deformada y las tensiones de Von Mises que se muestra en las imágenes recogidas anteriormente, el comportamiento de la placa es distinto en los 4 casos. Sin embargo, sólo los últimos ( según como se plantee la unión) se acercan al comportamiento real y lógico.

En segundo lugar, la presión del contacto es muy distinta en los tres casos que existe contacto entre las partes. En el caso 1 la presión queda distribuida más uniformemente a lo largo de la superficie de contacto. Sin embargo, la presión en el caso 3 está concentrada en las aristas de la placa. Además, su valor es mucho mayor. Por último en el caso cuatro,  aunque la presión de contacto sigue centrándose en las aristas se distribuye más hacia el interior debido a los tornillos.

Estos resultados son motivo directo del contacto no lineal definido y cómo este hace que la deformada de la placa sea completamente distinta. En el caso 2 parte del esfuerzo vertical de la carga es absorbido en forma de esfuerzo cortante en los tornillos, ya que la placa se deforma en forma de V. En el caso 3 el esfuerzo vertical de la carga se absorbe en su mayoría en esfuerzo axial de los tornillos, ya que el contacto no permite una deformada tan agresiva en la placa. En el caso 4 la deformada es todavía menor debido al efecto de pre tensión de los tornillos.

Como podéis apreciar en este artículo definir de forma correcta un solo contacto puede cambiar totalmente el comportamiento del modelo. En Ingeniería SAMAT somos expertos en hacerlo…

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