95AVANCES Investigación en Ingeniería - 2007 No. 6

Fecha de recepción del artículo:Fecha de aceptación del artículo:1 jaforeroca@gmail.com. Ingeniero Mecánico. Especialista en Automatización Industrial. Candidato a Magíster en Ingeniería – Automatización

Industrial, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá D.C., Colombia. Departamento de Investigación Facultad de Ingeniería-Universidad Libre Bogotá D.C., Colombia.

2 fabianhenao.ing@unilibrebog.edu.co. Auxiliar de investigación Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Libre, Bogotá D.C. 3 didiegomoncada@terra.com.co. Auxiliar de investigación Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad Libre, Bogotá D.C.

LABORATORIO DE SIMULACIÓN Y ENSAYOS PARA RESISTENCIA DE MATERIALES

ARTÍCULO DE REFLEXIÓN

John Alejandro Forero1, Fabián Andrés Henao2, Diego Mauricio Moncada3

RESUMEN

El proyecto de investigación es un proyecto de de-sarrollo tecnológico que involucra temáticas en las áreas de diseño y automatización. Surge a partir de la necesidad de contar con herramientas tecnológica-mente actualizadas que permitan la experimentación, simulación y diseño en ingeniería mecánica.

El laboratorio de resistencia de materiales automati-zado brindará la posibilidad de interrelacionar el desa-rrollo cognoscitivo en el área de diseño con la expe-rimentación automatizada, entregando resultados en tiempo real que permitan al ingeniero evaluar y com-parar, inmediatamente, con simulaciones desarrolla-das bajo las mismas características de ensayo.

PALABRAS CLAVE

Elementos de medición, adquisición de datos, medi-ción de esfuerzos, strain gages, elementos finitos.

TRABAJO DESARROLLADO POR EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN – DETECALÁREA-DESARROLLO Y TECNOLOGÍA. LÍNEA-INGENIERÍA Y DESARROLLO

ABSTRACT

The investigation Project is a Project of technological development that involves thematic in the areas of design and automation. It arises from the necessity to tell on tools technologically updated that they allow the experimentation, simulation and design in mecha-nical engineering.

The laboratory of resistance of materials automated will offer the possibility of interrelating the theory de-velopment in the area of design with the automated experimentation, giving results in real time that allow the engineer to evaluate and to compare, immediate-ly, with simulations developed under the same charac-teristics of test.

KEY WORDS

Elements of measurement, data acquisition, measu-rement of efforts, strain gages, finite elements.

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1. INTRODUCCIÓN

A lo largo del avance tecnológico en países desarrolla-dos y aún en países en vía de desarrollo, el estudio de las deformaciones en ingeniería ha sido fundamental para el diseño de mecanismos, estructuras y máqui-nas; y uno de los elementos más utilizados para tal fin es el deformímetro eléctrico, galga extensométrica o strain gages.

El ingeniero mecánico en Colombia no aprovecha las ventajas que le puede ofrecer el uso de este elemento para medir variables de ingeniería con relativa preci-sión. Se hace entonces necesaria la implementación de técnicas para la medición experimental de la va-riable deformación y corresponde a las universidades iniciar el proceso de asimilación de esta tecnología y a mediano plazo implementarla masivamente como herramienta valiosa en el diseño mecánico.

La finalidad de este proyecto es motivar a los es-tudiantes de ingeniería a asimilar herramientas tan útiles como lo es la simulación de procesos con es-trategias computacionales y la tecnología de los de-formímetros eléctricos. Para este fin se diseñaron e implementaron cuatro prácticas de laboratorio donde se visualicen las deformaciones producidas en un ele-mento bajo la acción de cargas de tracción, flexión, torsión y carga combinada.

A nivel industrial es evidente, en Colombia, la poca utilización de herramientas modernas para el diseño de elementos estructurales, mecanismos y máqui-nas. En la Universidad Libre y en la mayoría de univer-sidades del país no existen los recursos para adelan-tar actividades tendientes al mejoramiento en estas áreas de la ingeniería. Por otro lado, la importación de los equipos necesarios para desarrollar tareas de investigación relacionadas con el diseño y la resisten-cia de materiales requieren grandes inversiones y su utilización se limita a análisis de comportamientos muy puntuales.

2. METODOLOGÍA DE DISEÑO

A partir de los requerimientos de diseño se evaluaron diferentes alternativas de solución, se estableció un concepto de forma, dimensión, componentes y funcio-nes. Se seleccionaron los componentes, se hicieron

cálculos mecánicos, se simularon los diseños preli-minares mediante estrategia de elementos finitos, se adquirieron y mecanizaron piezas.

3. RESULTADO DEL DISEÑO

Estación de trabajo a flexión. Para realizar la estruc-tura del banco de trabajo se seleccionó perfil Bosh Rexroth, debido a su facilidad de ensamble su resis-tencia adecuada a la carga de trabajo, en este caso 15 Kg, además por ser para material de pruebas y ensayo es muy práctico.

Para el diseño de la geometría de la probeta se tienen en cuenta varios aspectos importantes como lo es el material de la probeta, la lectura máxima deseada por el deformímetro, el peso ascendente de 1 a 15 kilogramos, entre otros.

La lectura máxima se obtiene de la siguiente manera:

Ld = P

d x Sensibilidad, donde:

Ld, es la lectura máxima con un deformímetro deseada.

Pd, es la fuerza máxima deseada que se utilizará en el

montaje de flexión.

Se espera una sensibilidad de la lectura de los deformí-metros de 66,7 µε/Kg, esto para las pesas que se van a utilizar. El máximo peso a colocar en la probeta es de 15 Kg = 147 N; es decir que la lectura máxima será:

Ld = 15 kg x 66,7 µε/Kg = 1000 µε

Una muestra de la estación de trabajo se presenta en la figura 1.

Los resultados de esfuerzo microdeformación se ba-san en el criterio de Von Mises y no superan los es-fuerzos de fluencia de cada material. El proceso fue adelantado en ANSYS®. Ver figura 2.

Además de estas simulaciones se realizaron prue-bas a la probeta por separado para verificar con los factores de seguridad necesarios para la aplicación que va a cumplir. Ver figura 3. El propósito de estas simulaciones es no sobrepasar la magnitud de la de-formación para así no perder la linealidad de la galga extensométrica.

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Por ser una estación de trabajo que mide deformacio-nes bajo carga de tensión la sensibilidad a la deforma-ción no es muy alta comparada con cargas de flexión o torsión. Es por esto que el diseño de la probeta se realizó con la menor área de sección transversal posible para lograr significativas deformaciones, ade-más también se utilizó un material de bajo módulo de elasticidad para lograr mayor deformación. El material que se utilizó fue aleación de aluminio 3003 de alta resistencia a la tensión.

Figura 1. Banco para pruebas a flexión.

Figura 2. Esfuerzo.

Figura 3. Simulación de la probeta.

Figura 4. Banco para pruebas a tensión.

Estación de trabajo a tensión. Se utilizó perfil de la marca Bosh Rexroth para su construcción, además de los accesorios necesarios para el armado de la misma. Esta clase de perfil ofrece gran resistencia gracias a su geometría además que es muy funcional a la hora de armar cualquier estructura ya que la mar-ca Bosh Rexroth ofrece gran variedad de accesorios para tal fin. La estructura de la estación de trabajo es como se muestra en la figura 4.

La probeta es la parte más importante del diseño de la estación de trabajo ya que en ella se medirán las deformaciones para las prácticas de laboratorio a realizar.

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La determinación del área mínima de la probeta se realizó teniendo en cuenta que para una correcta apli-cación y realización de las prácticas de laboratorio se deben obtener por lo menos entre 500 micro defor-maciones a 1000 micro deformaciones para lograr un comportamiento lineal en las mediciones a registrar.

Teniendo en cuenta las limitantes anteriores se deter-minó una geometría inicial de la probeta y con la ayu-da del software ANSYS WORKBENCH® se realizaron simulaciones de manera repetitiva hasta obtener la geometría adecuada que diera las mediciones de de-formación requeridas, todo esto teniendo en cuenta el material especificado anteriormente.

La conclusión de las simulaciones es que se debe usar una lámina de sección rectangular lisa de alumi-nio en cuya geometría debe existir un área mínima de sección transversal de 0,3 mm de espesor por 10 mm de ancho para lograr 1000 microdeformaciones.

Las simulaciones de la probeta realizadas en ANSYS® son las que se muestran en la figura 5. Allí se pueden observar las microdeformaciones obtenidas en la si-mulación.

4. INSTRUMENTACIÓN

Para la instrumentación del equipo se tuvieron en cuenta las mediciones a obtener. Como las medicio-nes que se quieren son micro deformaciones de la probeta al aplicarle una carga de tensión, se hace

necesario el uso de instrumentos de alta sensibilidad para obtener este tipo de mediciones.

Por eso se utilizaron galgas extensiométricas o Stra-in Gages que son instrumentos especiales para este tipo de aplicaciones. Cuando el material se alarga el alambre del strain gages aumenta de longitud y dis-minuye de diámetro, haciendo que la resistencia eléc-trica del medidor aumente. Midiendo la corriente que pasa a través de un medidor bien calibrado, la defor-mación puede determinarse precisa y continuamente a medida que la carga aumenta.

En el caso específico de este proyecto se utiliza una roseta para medición de micro deformaciones con las siguientes características:

• Strain Gages estándar

• Con dos grillas de medición en T (a 90°)

• Material de la rejilla en constantan y material de recubrimiento en Polyamida.

• Longitud de la grilla 3 mm

• Resistencia de 120 ohmios.

Todos estos parámetros se eligieron teniendo en cuen-ta el material al que se va a fijar la galga, la resistencia a la que trabajan los equipos a usar en la práctica, el espacio con que se cuenta para la adhesión de la galga y la clase de medición que se quiere obtener.

La roseta utilizada en el banco de tensión es presen-tada figura 6.

Otro instrumento que se implementó en la estación de trabajo para la obtención de resultados de la práctica fue una tarjeta de adquisición de datos la cual sirvió como puente entre la estación de trabajo y la interfaz entre el usuario y la PC. Esta tarjeta tuvo como fun-ción tomar las lecturas de deformaciones que la galga obtenía al aplicar diferentes cargas y convertirlas en señales leídas por un programa de computador donde se le muestra al usuario las lecturas de deformacio-nes obtenidas.

Además de las galgas y de la tarjeta de adquisición de datos se instrumentó el banco con un computador de alta tecnología para la muestra al usuario de los datos obtenidos en la práctica.

Figura 5. Simulación de la probeta de tensión.

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5. APLICACIÓN DE SOFTWARE

El software para la adquisición de datos y para la reali-zación de cálculos y gráficas, de las dos estaciones de trabajo, se desarrolló en plataforma Lab VIEW®, éste consta principalmente de la interfaz de usuario don-de se cuenta con un ambiente gráfico, en el cual se muestra los valores obtenidos de los deformímetros conectados en la forma de puente completo, además del cálculo experimental de la relación de Poisson. En la otra parte se encuentra el diagrama de bloques que en sí la programación del entorno gráfico.

Antes de utilizar la adquisición de datos los instru-mentos virtuales se deben completar varios pasos. Los dispositivos deben se configurados para las com-putadoras a ser utilizadas.

1. El software NI-DAQ (la plataforma de Adquisición de datos en LabVIEW) debe estar instalado en la computadora.

2. Debe tener instalado una tarjeta E-series DAQ (tarjeta de adquisición de datos) y esta debe ser configurada usando el explorador de Automatización y Mediación.

La programación en el diagrama de bloques tiene la forma en que se muestra en la figura 7, donde el ele-mento inicial es la recepción de los datos a través de la tarjeta.

El programa de análisis para la prueba de tensión consta de varias partes como lo es: indicadores don-de se muestra la deformación unitaria en tiempo real; análisis de datos que es la curva esfuerzo deforma-ción y por último generar y guardar datos, donde se crea un archivo en Microsoft Office Excel® para visua-lizar y procesar los datos obtenidos de la tabla. La figura 8 muestra la ventana de los indicadores.

La figura 9 muestra la ventana de análisis de datos, en esta ventana se encuadra el esfuerzo sometido y el histórico de la deformación de la probeta.

Figura 6. Roseta biaxial HBM.

Figura 7. Algoritmo de programación

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Adicionalmente se presenta el diseño del software para adquisición de datos de la estación para ensa-yos de tensión, constituido por una zona de indicado-res de datos y otra zona para guardar y graficar los datos obtenidos. En las figuras 10 y 11 se muestran las áreas en mención.

Se muestra una toma de señales externas, luego una adquisición de datos por medio de la tarjeta y su contro-lador, a partir de allí se realizan los análisis y por último una representación gráfica y un informe de los datos obtenidos y almacenados en una hoja de cálculo.

6. DESARROLLO DE PRUEBAS EXPERIMENTALES

Realizado el montaje del banco y desarrollado el pro-grama se realizaron pruebas experimentales con el fin de obtener los datos de microdeformación que se registraban con los diferentes valores de carga para la probeta (0 – 15 Kg). Una vez realizado este proce-dimiento se compara con los datos obtenidos de las simulaciones para la probeta y además se comparan con los datos teóricos.

Para cada carga se obtiene una microdeformación y se gráfica la deformación unitaria vs. carga colocada.

Se realizan las pruebas varias veces para verificar la linealidad de los valores encontrados durante los en-sayos. Los valores varían alrededor del 2% con res-pecto a los valores obtenidos del primer ensayo. Esto indica que no se salen de los parámetros de diseño.

Figura 8. Ventana de indicadores. Figura 9. Ventana de análisis de datos.

Figura 10. Zona de indicadores de datos.

Figura 11. Zona de graficación y guardado de datos.

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Figura 12. Representación gráfica de pruebas

Figura 13. Representación gráfica de resultados

7. CONCLUSIONES

El proyecto brinda la posibilidad de analizar el com-portamiento superficial de materiales a partir de plan-teamientos teóricos, simulaciones computacionales y pruebas experimentales, enriqueciendo las estrate-gias académicas de aprendizaje para el área del dise-ño en ingeniería mecánica.

El laboratorio automatizado para resistencia de mate-riales ha permitido mejorar académicamente el desa-

rrollo de temas referentes al área de diseño en inge-niería mecánica.

En el presente trabajo se presentan las estaciones de trabajo de flexión y torsión; la totalidad del proyecto incluye una estación para la medición de esfuerzos de torsión y una estación para medir esfuerzos com-binados.

A partir de los resultados obtenidos se han plantea-do nuevas proyecciones implementando sistemas de medición automatizados con strain gages.

Actualmente se están desarrollando análisis estruc-turales en aeronaves de la Policía de Colombia instru-mentando con strain gages.

Dispositivos de medición para variables como fuerzas de desprendimiento de viruta en fabricación de piezas y presiones hidráulicas en sistemas de redes, son al-gunos de los actuales campos de acción del grupo DETECAL (Ing. Mecánica Unilibre Bogotá D.C.) recono-cido en Categoría A por COLCIENCIAS.

REFERENCIAS

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BEER, Ferdinand P. Mecánica de Materiales, 2 ed. México: Mc Graw Hill. 1993.

DOEBELIN, Ernest O. Measurements Systems: Aplication and Design, 4 ed. New York: Mc Graw Hill. 1990.

SHIGLEY, Joseph E. Diseño en ingeniería mecánica, 5 ed. México: Mc Graw Hill. 1986.

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CIPAMOCHA GARAVITO, José S. Selección y construcción de un dinamómetro para medición de fuerzas en el torneado. Bogotá. 1985, 160 p. Trabajo de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería.

MIRANDA GARZÓN, Juan C. Diseño y construcción de un transductor de torque dinámico. Bogotá. 1995, 174 p. Trabajo de grado (Ingeniero Mecánico). Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería.

REVISIÓN EN INTERNET

http://www.measurementsgroup.com

http://www.kyowa-ei.co.jp/English/tech_inf/index_ch1_2.htm

http://www.straingage.com

http://www.omega.com

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