Enfoques de modelado para conexiones resistentes al aplastamiento y cizallamiento utilizando el MEF

Artículo técnico

La definición del problema de contacto no lineal juega un papel importante para las investigaciones más detalladas de las conexiones resistentes al aplastamiento o cizallamiento o su entorno más inmediato. Este artículo utiliza un modelo de sólido para buscar modelos de superficie comparables y simplificados.


Para conexiones rígidas de la placa extrema que están sujetas a un esfuerzo de flexión predominante, se puede suponer que no se establece ninguna deformación (elíptica parcial) del taladro en el área de los pernos. Por esta razón, a menudo se cierran los taladros con superficies rígidas o mediante ruedas de radios (hechas de barras rígidas) para el modelo. Los pernos se conectan como vigas, ya que se necesita la rigidez axial principalmente.

Sin embargo, esta es una situación diferente con las conexiones resistentes al aplastamiento y cizallamiento. La transmisión de esfuerzos tiene lugar mediante el esfuerzo cortante del perno y una fuerza de contacto que sólo actúa como parte del taladro en la placa. A continuación, el objetivo se basa en encontrar un enfoque del modelado para una placa sujeta a una carga central.

Figura 01 - Problema de investigación

En el modelo de referencia inicial, tanto la placa como el perno se muestran como un sólido. Para el problema de contacto no lineal, se han definido los sólidos de contacto delgados con rotura por tracción entre el cuerpo del perno y la superficie interna del taladro de la placa.

Figura 02 - Modelo del sólido

Modelo de comparación 1: modelo de superficie con una rueda de radios hecha de barras rígidas

En su eje longitudinal, el perno se representa a través de una viga y el diámetro por medio de barras rígidas. Aquí, es importante generar una rueda de radios esbelta para detectar el cambio entre la presión de contacto y la unión abierta de la forma más exacta posible. Se asigna una articulación de momento a las barras en el taladro. La propiedad de contacto no lineal se realiza con la no linealidad de la barra "Fallo bajo tracción". También es posible asignar la no linealidad "Fijo si N es negativo" para la articulación de momento. Para que las barras rígidas transfieran la menor carga posible mediante el esfuerzo cortante, y asegurar que el sistema permanezca estable, se usa un coeficiente de fricción de 0,01 (al igual que en el modelo del sólido).

Figura 03 - Modelo de comparación 1

Modelo de comparación 2: modelo de superficie con una rueda de radios de vigas

El modelado es el mismo que el modelo de comparación 1, sólo que la única diferencia es que la rueda de radios se diseña con vigas. Para utilizar las rigideces casi correctas, se supone que las dimensiones de la sección de las barras son el grosor de la superficie y el espaciado entre las barras en el taladro.

Figura 04 - Modelo de comparación 2

Modelo de comparación 3: modelo de superficie con el tipo de área de tipo "Sin tracción de membrana"

Ahora, en vez de insertar una rueda de radios, se aplica una superficie. Dado que aquí tenemos un modelo relativamente sólido, se establece el nuevo área con el doble del grosor de la superficie. Se elige el tipo de superficie con la rigidez "Sin tracción de membrana". Sólo se pueden transferir las fuerzas y momentos de compresión. Cuando se producen esfuerzos de tracción de la membrana, fallan los elementos finitos (EF) correspondientes.

Figura 05 - Modelo de comparación 3

Modelo de comparación 4: modelo de superficie con liberación de línea

Para este modelo, también se cierra el taladro por medio de una superficie. Ahora se usa una liberación de línea con la no linealidad "Fijo si vz es negativo" para la transmisión de esfuerzos no lineales. Se asigna, de nuevo, una fricción baja a los otros grados de libertad de traslación.

Figura 06 - Modelo de comparación 4

Comparación y conclusión

Es preferible utilizar los modelos de superficie en vez de los modelos sólidos debido a que el trabajo de modelado es menor, así como el tiempo de cálculo es mucho más corto.

Al comparar los resultados, se dará cuenta de que, debido a la rigidez sobreestimada, el primer modelo de comparación proporciona las deformaciones más bajas. La aplicación de las rigideces aproximadas a través de las secciones, así como el uso de la liberación de línea, sólo producen desplazamientos ligeramente más grandes que para el modelo de sólido.

El modelo con la propiedad "Sin tracción de membrana" tiene las mayores deformaciones, pero es el método de modelado más rápido. De forma predeterminada, al seleccionar esta propiedad se usan cinco niveles de carga, que da como resultado un mayor tiempo de cálculo.

Figura 07 - Resultados de las deformaciones

Si se compara la tensión equivalente de los cuatro modelos de superficie, las tensiones son prácticamente iguales y comparables con las tensiones del modelo del sólido.

Figura 08 - Resultados de las tensiones

Palabras clave

Conexiones resistencia al aplastamiento/cizallamiento modelado

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