Artículos Técnicos
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Análisis estático y dinámico

Análisis Estático y Dinámico en Piezas Mecánicas

El análisis estático y dinámico en piezas mecánicas juega un papel muy importante en la eficiencia y la precisión del trabajo de cualquier ingeniero, ya sea ingeniero de desarrollo de producto, ingeniero de calidad, ingeniero de confiabilidad, ingeniero de diseño, entre otros.

Estos tipos de análisis se realizan con el propósito de estimar el comportamiento de las piezas mecánicas bajo condiciones de operación específicas.

En tiempos pasados, estos análisis se realizaban mediante pruebas hechas sobre prototipos del producto, lo que acarreaba un aumento en los tiempos de desarrollo del mismo, así como también un aumento en los costes asociados.

Sin embargo, los avances tecnológicos han permitido contar con herramientas computacionales que permiten llevar a cabo dichas pruebas mediante simulaciones utilizando el método de elementos finitos (FEM), también conocido como análisis de elementos finitos (FEA).

El FEM es un método numérico con la capacidad de resolver problemas complejos mediante modelos matemáticos que pueden ser representados por medio de ecuaciones diferenciales.

En la actualidad, los sistemas CAD/CAE poseen módulos para realizar los análisis de acuerdo a lo descrito anteriormente. Entre los más usados están:

  • Solidworks
  • Autodesk Inventor
  • ANSYS
  • ABAQUS

Análisis Estático en Piezas Mecánicas

El análisis estático en piezas mecánicas calcula los efectos de cargas constantes sobre la estructura de la pieza mientras se ignora la inercia y los efectos de amortiguación comúnmente encontrados al aplicar cargas que varían en el tiempo.

Sin embargo, un análisis estático puede incluir cargas de inercia constante como la gravedad, así como cargas que varíen en el tiempo pero que puedan ser aproximadas a un equivalente estático, como es el caso de las cargas producto del viento definidas por códigos de construcción.

Algunos de los análisis estáticos más comunes son:

  • Análisis de esfuerzos lineales. Este análisis le permite a los ingenieros validar la calidad, el desempeño y la seguridad de una manera eficiente y precisa. En este análisis estático se calculan los esfuerzos y desplazamientos de la geometría. Además, estos cálculos se hacen para determinar la respuesta de la pieza mecánica debido al efecto de fuerzas, presiones, temperaturas y el contacto entre los componentes.
  • Análisis de deformaciones. Igualmente, este análisis permite validar la calidad, el rendimiento y la seguridad de la pieza mecánica, basándose esta vez en los cambios que se presentan en la geometría de dicha pieza bajo las condiciones de carga establecidas.
  • Análisis térmico. En este análisis se puede estudiar como responde la pieza a las variaciones de temperatura que esta puede experimentar. Aquí entra en juego el coeficiente de expansión térmica del material, de lo cual dependerá si la pieza se deforma o no ante las variaciones de temperatura antes mencionadas.

Además, cabe destacar que mediante los análisis estáticos se pueden determinar diferentes propiedades de la pieza tales como dureza, tracción, compresión, cortadura, pandeo y torsión.

Análisis Dinámico en Piezas Mecánicas

El análisis dinámico en piezas mecánicas es el estudio de las propiedades dinámicas de las estructuras bajo excitación vibracional. Puede ser usado para determinar las características vibracionales de la pieza, tales como las frecuencias naturales, para evaluar el impacto de cargas transitorias o para evitar problemas de ruido o problemas de vibraciones en el diseño.

Realizar este tipo de análisis en la etapa de diseño es muy recomendable, ya que puede evitar o reducir los requerimientos y costos de ensayos en bancos de pruebas. Además, las fallas bajo cargas dinámicas suelen ser dramáticas y muy dañinas, así que se podrán evitar errores costosos, así como la pérdida de reputación ante los ojos del cliente.

Entre los análisis dinámicos más comunes podemos encontrar:

  • Análisis modal. Este análisis es usado para determinar las frecuencias naturales de la pieza. Permite al ingeniero desarrollar el producto evitando que la excitación operacional coincida con las frecuencias naturales para así eliminar o al menos minimizar las vibraciones excesivas.
  • Análisis de respuesta armónica. Forma parte del análisis modal, pero en este caso se evalúa la resistencia a fuerzas vibracionales constantes en un período de tiempo.
  • Análisis dinámico transitorio. En este análisis se determina la respuesta ante cargas que dependen del tiempo. Comúnmente se aplica en condiciones de eventos sísmicos o explosivos.
  • Análisis rotodinámico. Este es un análisis especialmente útil para el estudio de sistemas rotativos. Por medio del análisis rotodinámico, se pueden predecir las velocidades críticas, siempre y cuando se modelen correctamente la geometría y las características dinámicas, tales como la rigidez y el amortiguamiento. Así, en base a los resultados se pueden realizar ajustes de diseño que eviten que el sistema opere de manera continua a dichas velocidades.

En conclusión, el análisis estático y dinámico en piezas mecánicas es de vital importancia para el validar la calidad, el desempeño y la seguridad de dichas piezas de manera eficiente y precisa, por lo cual es importante que los ingenieros involucrados en dichas actividades desarrollen las habilidades que les permitan llevar a cabo dichos análisis, como por ejemplo, manejar bien herramientas como Solidworks o Autodesk Inventor, incluyendo los módulos de simulación de las mismas.

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