INSTITUTO TECNOLGICO DE LA LAGUNA

TALLER SOLIDWORKS SIMULATION

Foro acadmico 2010 |

Juan Manuel Jimnez Israel Montoya Prez Ricardo Casas Carrillo Ricardo Vargas Garca Omar Adolfo Carrillo Castro Ruth Yadira Vidaa Morales Ismael Arellano Ruiz David Morales Morales

ndiceIntroduccin3 Dibujando la biela..4 Introduccin a Solidworks Simulation12 Introduccin al anlisis esttico..12 Clculos preliminares para anlisis esttico12 Anlisis esttico13 Anlisis de fatiga..17 Introduccin a Ensamblajes...28

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Introduccin. Solidworks Simulation es una poderosa herramienta para el diseo en ingeniera mecnica ya que permite someter sus diseos a las condiciones que se enfrentaran en el mundo real y ver como se comportaran ante estas, brindndonos la posibilidad de optimizarlos con un mximo rendimiento, ahorro y reduciendo el tiempo considerablemente. En este curso se pretende darle al estudiante de ingeniera Mecnica/Mecatrnica la capacidad de usar los anlisis estticos y de fatiga incluidos en Solidworks Simulation para analizar el comportamiento de distintos elementos mecnicos determinando los esfuerzos mximos a los que se someter una pieza, las deformaciones que presenta, los factores de seguridad, as como la realizacin de ensamblajes y simulacin de movimiento entre los distintos elementos de un sistema mecnico. Qu es CAE? Ingeniera asistida por computadora (CAE), es el conjunto de programas informticos que permiten analizar y simular los diseos de ingeniera realizados con la computadora para valorar sus caractersticas, propiedades, viabilidad y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo y consecuentes costos de fabricacin y reducir al mximo las pruebas para la obtencin del producto deseado. Anlisis del elemento finito En la ingeniera mecnica, analizar vigas, barras simples, y otras piezas se puede realizar con una dificultad relativamente baja por medio de mtodos analticos, pero en la vida real, las piezas y estructuras suelen tener una complejidad tan alta que obliga al diseador a recurrir a mtodos de aproximacin, experimentacin o mtodos numricos. En diseo de elementos mecnicos es comn el uso de programas computacionales para el diseo asistido por computadora (CAD) que incluyen el Mtodo del elemento finito (FEM), cuyas aproximaciones a los resultados suelen ser muy precisas. La tcnica de anlisis por elementos finitos (AEF) consiste en dividir la geometra en la que se quiere resolver una ecuacin diferencial de un campo escalar o vectorial en un dominio, en pequeos elementos, teniendo en cuenta unas ecuaciones de campo en cada elemento, los elementos del entorno de vecindad y las fuentes generadoras de campo en cada elemento. Habitualmente, esta tcnica es muy utilizada en el mbito de la ingeniera debido a que muchos problemas fsicos de inters se formulan mediante la resolucin de una ecuacin diferencial en derivadas parciales, a partir de cuya solucin es posible modelar dicho problema (transmisin del calor, electromagnetismo, clculo de estructuras, etc). Esta tcnica se encuentra incluida en distintos programas de computadora comerciales, entre ellos, Solidworks.

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Dibujando la biela 1. Hacemos clic sobre la pestaa Croquis, y luego sobre el icono Croquis en el lado izquierdo.

2. Insertamos un croquis sobre el plano alzado.

3. Insertamos un circulo de 21mm de radio en con centro en el origen.

4. Creamos un circulo cuyo centro tenga relacin vertical con el origen con un radio de 7.5mm

5. 160mm

Acotamos la distancia entre centros de ambos crculos con un calor de

4

6.

Fijamos la posicin de ambos crculos dando clic derecho sobre la

circunferencia y despus en el icono

7.

Ahora trazaremos una lnea constructiva entre centros.

8. Creamos un circulo concntrico de r=15mm sobre el crculo de arriba, y uno de r=30mm sobre el crculo de abajo.

9. Seleccionamos la opcin lnea, colocamos el cursor sobre el contorno del crculo exterior de arriba y creamos una lnea tendiendo hacia la izquierda (es importante no hacerla paralela a la lnea constructiva)

10. Agregamos una cota y le asignamos un valor de 120mm a la lnea, y creamos otra lnea del otro lado del circulo acotada del mismo modo.

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11. Acotamos el valor del dimetro del crculo exterior de arriba con un valor de 30mm de dimetro.

12. Agregamos una relacin Tangente a el circulo superior con respecto a cada lnea, para despus efectuar la misma operacin con el circulo inferior.

13. Acotamos el ngulo de inclinacin de ambas lneas con respecto a la lnea constructiva vertical con un ngulo de 2.

14. Agregamos una lnea horizontal que cruce con el centro del crculo inferior acotando la distancia de cada punto de sus extremos con respecto a el centro a una distancia de 45 mm.

15. Desde cada uno de los extremos de la lnea, creamos una lnea hacia arriba acotada a 15mm

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16. Insertamos un arco tres puntos entre los extremos de la lnea de 15 cm y la lnea tangente con un radio aproximado al que se muestra en la imagen.

17. Aqu se muestra una vista del croquis terminado

18. Procedemos a extruir el croquis en dos direcciones (7mm a cada lado), seleccionando los contornos mostrados en la imagen.

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19. Cambiamos la vista de la pieza a la cara frontal como se muestra en la siguiente figura e insertamos un croquis sobre dicha cara.

20. Dibujamos el siguiente croquis sobre la cara seleccionada.

21. Agregamos un redondeo con 5mm de radio a las cuatro esquinas del rectngulo

22. Sin cerrar el croquis, seleccionamos la operacin Extruir-Corte con una profundidad de 5mm.

23. Insertamos un croquis en la cara frontal y realizamos el siguiente dibujo, insertando un circulo, convirtiendo entidades de la pieza y dndole una relacin de tangencia a el circulo externo con los arcos tres puntos.

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24. Seleccionamos los contornos mostrados en la imagen y procedemos a extruir a 5mm.

25. Realizamos la misma accin para el circulo superior, tomando en cuenta que los dos crculos que se dibujan sobre este son concntricos, y que el de mayor dimetro debe ser co-radial con el radio de la parte superior de la pieza, como se muestra en la imagen, una vez dibujado el croquis procedemos a extruir 5mm.

26. Agregamos un redondeo de 4mm a las aristas mostradas en la imagen.

27. Agregamos un redondeo de 2mm a las aristas mostradas en esta imagen

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28. En este momento, nuestra biela debe lucir de la siguiente manera:

29. Procedemos a aplicar simetra de operaciones con respecto al plano Alzado, y seleccionando todas las operaciones anteriormente realizadas, con lo cual obtenemos el siguiente resultado.

30. Por ultimo insertamos un croquis en cualquiera de las dos caras planas inferiores y dibuamos un circulo con acotaciones como muestra la imagen, y aplicamos simetra de croquis con respecto a la lnea constructiva.

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31. Sin cerrar el croquis, seleccionamos Extruir corte Por todo como se muestra en la imagen.

32. Una vez terminada la biela debe tener el siguiente aspecto:

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SolidWorks SimulationSolidWorks Simulation es una poderosa herramienta para el diseo en ingeniera mecnica, ya que permite probar los productos antes de ser construidos con la finalidad de encontrar defectos en los mismos dndonos la oportunidad de optimizar el diseo y conocer con gran precisin en qu momento nuestros productos fallaran. Por medio de Solidworks Simulation el estudiante podr someter sus diseos a las mismas condiciones que enfrentarn en el mundo real, esfuerzos, calor, flujo de aire, y mucho ms. No hay necesidad de esperar a que un producto ha sido fabricado para comenzar a probar nuestro producto. En este curso, se utilizaran las herramientas Anlisis esttico y Anlisis de fatiga incluidas en Solidworks Simulation para disear una biela de un motor obteniendo los esfuerzos a los que se somete la pieza, el Factor de Seguridad mnimo, la deformacin mxima, adems de el tiempo de vida de la pieza por medio del anlisis de fatiga.

Introduccin al Anlisis estticoUna vez dibujada la pieza, se someter a las condiciones de trabajo a las que se enfrentara mientras el motor est trabajando. Para realizar dicho procedimiento se requiere que el estudiante lea con atencin cada paso indicado a continuacin.

Clculos preliminaresAntes de comenzar a resolver en anlisis debemos tomar en cuenta las consideraciones de trabajo a las que se somete el motor. Sabemos que un motor con una cilindrada como la del diseo al que aplicaremos usualmente presenta una potencia de 44.74kW (60 hp) a 9000 rpm, con lo cual podemos obtener el Par mximo de la siguiente manera:

Una vez obtenido el torque se procede a determinar las cargas F1 que sera en el peor de los casos, es decir, si se llegara a realizar una pre ignicin, ya que la carga sera completamente axial.

Adems se calculo la carga F2 cundo el pistn se encuentra a la mitad de la carrera. Haciendo el anlisis del mecanismo para dicha posicin obtenemos un ngulo entre la biela y el cigeal de 75.52, por lo tanto.

A continuacin se muestran los pasos para la realizacin del anlisis esttico de F2.

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Anlisis esttico1. Selecciona la pestaa Simulation en el Administrador de comandos.

2. Haz clic en la flecha debajo del icono Estudio y selecciona la opcin Nuevo Estudio

3.

Aparecern las siguientes opciones en el Property Manager, en el cual se selecciona la opcin Esttico y se le asigna el nombre de Anlisis de F2 (1140.33N) como se muestra en la imagen.

4. Para agregar las condiciones frontera del problema, primeramente se selecciona la operacin Geometra Fija, dentro del men Sujeciones en el administrador de comandos.

5.

Se abrir la siguiente ventana, y a continuacin se seleccionara en las reas donde hacen contacto los pernos.

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6. Se repetir el paso cuatro, pero ahora seleccionando la opcin Bisagra Fija y seleccionando el rea en que la biela hace contacto con el cigeal.

7.

Una vez definidas las condiciones frontera de la biela, se procede a agregar las fuerzas a las que ser sometida la biela, utilizando la operacin Fuerza en el men Cargas externas del administrador de comandos.

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8. Una vez realizado el paso 7, el siguiente men se har visible en el Property Manager, y para aplicar la F2y se seleccionar la cara que hace contacto con el pistn, en seguida se activa la opcin Direccin Seleccionada y en el Feautre Manager se selecciona el plano Planta. Por ltimo se escribe el valor de la Fuerza y si es necesario, se activa la casilla invertir direccin para que la fuerza quede hacia abajo (como muestran las flechas moradas en el rea de aplicacin de la carga).

9.

Para agregar la carga F1x se repiten los pasos 7 y8, pero con las variaciones indicadas en la siguiente imagen:

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10. Una vez aplicadas las cargas, se procede a realizar el anlisis seleccionando la operacin Ejecutar en el men Ejecutar del administrador de comandos. A continuacin se mostrara una barra de tiempo con el nombre Mallando que indica que se est creando la malla para realizar los clculos por medio del mtodo del elemento finito. Una vez completada, se mostrara otra barra de tiempo llamada Anlisis esttico lineal la cual efecta los clculos necesarios. Una vez completada, se muestran en el Feature Manager los resultados obtenidos, los cuales se pueden observar haciendo doble clic sobre ellos.

En esta imagen se muestran los tres resultados obtenidos por default al realizar un estudio esttico, a continuacin se muestran las imgenes de los resultados obtenidos en cada uno.

11.-Para obtener los Factores de seguridad en la pieza se selecciona la opcin Factor de seguridad en el submen Nuevo trazado del men de Resultados en el administrador de comandos.

Al realizar esta operacin, aparecer en el Feature Manager otra pestaa indicando el resultado del anlisis de Factores de seguridad.

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Anlisis de Fatiga Para realizar un anlisis de Fatiga en SolidWorks, primeramente es necesario haber realizado un anlisis esttico, el cual se usara como un suceso o evento al realizar el anlisis. A continuacin se muestra un ejemplo de un anlisis de fatiga a la biela con la que anteriormente hemos estado trabajando.

1. Primeramente, se selecciona la opcin Aplicar/Editar material como lo muestra la imagen

2. A continuacin se muestra el siguiente men, en el cual se seleccionan las opciones que se muestran subrayadas:

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3. Para agregar un suceso, se selecciona la opcin con el mismo nombre como se muestra en la imagen.

4. A continuacin, se muestra el siguiente men en el Feature Manager:

Para este ejemplo, se establecen 1000 ciclos para comprobar el dao y los ciclos de vida restantes despus de mil ciclos de uso de la biela. En tipo de Carga seleccionamos con base en 0 ya que la carga va desde 1140 a compresin, hasta 0.

5. Una vez agregado el suceso, presionamos el botn en el administrador de comandos, para que Solidworks realice los clculos necesarios para mostrar el dao y la vida despus de el nmero de ciclos a las cargas indicadas. Lo cual nos genera los siguientes resultados:

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Como podemos ver, para dichas cargas y numero de ciclos, el dao por fatiga es mnimo, y como nos lo muestra la segunda imagen, la vida mnima de la pieza sera de un milln de ciclos mas. Para poder notar los efectos que causa la fatiga sobre la pieza se ha decidido incremental los esfuerzos multiplicndolos por 1000, al igual que el nmero de ciclos, obteniendo los siguientes resultados:

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Ensamblajes A lo largo del curso, se llev a cabo el dibujo de una biela, para despus realizar los anlisis tanto esttico como de fatiga con la finalidad de entender el comportamiento de la misma al someterla a sus condiciones reales de trabajo. Como ltimo paso en este curso se llevara a cabo el ensamble de la pieza en su entorno de trabajo, de manera que mas delante se pueda llevar a cabo un anlisis del movimiento de los distintos mecanismos presentes.

La realizacin de ensamblajes consiste bsicamente en definir relaciones de posicin entre unos elementos con otros, permitindoles o bloquendoles ciertos movimientos. Existen distintas clases de relaciones de posicin. Entre las estndar se encuentran: Coincidente Paralela Perpendicular Tangente Concntrica Bloquear Distancia Angulo Adems existen las relaciones de posicin mecnicas entre las cuales se encuentran: Leva Bisagra Engranaje Pin de cremallera Tornillo Junta universal

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Cabe mencionar el que tambin existen las relaciones de posicin avanzadas, las cuales no se mencionaran en este tutorial.

Procedimiento para ensamblar la biela 1. Primeramente, seleccionamos la opcin Insertar componente en el administrador de comandos, entonces se muestra el siguiente men, donde se muestran las piezas abiertas, entonces seleccionamos la biela y la arrastramos al ensamblaje.

2. Ocultamos las piezas que no impiden la vista de la seccin donde se ensambla la biela. Para ocultar las piezas, das clic derecho sobre ella en el gestor de diseo y seleccionas el icono ocultar . Las piezas a ocultar son el monoblock, la camisa, la tapa lateral y la cabeza ( si es necesario se pueden ocultar todas las dems que obstruyan la visin, otra forma de ocultarlas es dando clic sobre ellas y seleccionando el mismo icono Ocultar)

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3. Como primer paso en el ensamblaje, seleccionamos las aristas donde se ubicaran los pernos tanto en la biela como en la base de la biela. Dando clic en el icono seleccionamos la opcin Coincidentes, ocasionando que la figura quede de la siguiente manera.

4. Ahora seleccionamos las caras de la biela y la base mostradas en la imagen, y agregamos una relacin de coincidencia entre ellas.

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5. Como podemos ver en esta imagen, el movimiento de la biela aun no est completamente definido, ya que aun puede tener movimiento sobre el eje Z.

Para evitar esto tenemos que restringir completamente el movimiento de la misma, as que ahora agregaremos una relacin de concentricidad entre la arista interior de la parte superior de la biela, y la arista del perno ensamblado anteriormente en el pistn.

6. Como ltimo paso, daremos una relacin de posicin de coincidencia entre las caras de la biela y el seguro mostradas en la imagen, de esta manera, el movimiento de la biela quedara

completamente definido.

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Procedimiento para ensamblar los balancines En el ensamble anterior pudimos ver la aplicacin de algunas relaciones de posicin estndar. Mas sin embargo, en la mayora de los casos, al simular maquinas, es necesario aplicar otro tipo de relaciones, conocidas como relaciones mecnicas. Para este ejemplo, se tratar de explicar de la manera mas clara posible el manejo de la relacin Leva y el cmo transmitir el movimiento de la misma de un elemento a otro. Como sabemos, en este mecanismo el rbol de levas gira generando un movimiento del balancn o seguidor en funcin de la posicin de la leva, transmitiendo ese movimiento oscilatorio en un movimiento lineal que abre o cierra las vlvulas de admisin o escape.

1. Una vez insertada la pieza en el ensamble, se acerca a la seccin donde ser ensamblado como se muestra en la figura, y lo giramos para ponerlo aproximadamente en la posicin que se

ensamblara utilizando la funcin Girar componente

.

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2. Como siguiente paso, seleccionamos las aristas de la Flecha de Balancn 2 y del balancn mostradas en la imagen y agregamos una relacin de coincidencia.

3. Ahora damos clic derecho en la leva que har contacto con el balancn y seleccionamos la opcin

Seleccionar tangencia. Una vez hecho esto, seleccionamos relaciones de posicin Leva. En el cuadro empujador de, seleccionamos la cara del balancn mostrada en la imagen:

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Una vez seleccionadas cuales son la leva y cual el empujador de leva, el ensamble tomara automticamente la siguiente posicin.

Como podemos apreciar en esta imagen, ya se aplico la relacin leva y seguidor, ahora al girar el rbol de levas el balancn cambiara su posicin en relacin con la de la leva, mas sin embargo a un no se ha relacionado con la vlvula, es decir, aun movindose el balancn, la vlvula no presenta ningn movimiento 4. Para relacionar el movimiento del balancn con el de la leva, utilizaremos la relacin seleccionando la cpula debajo del balancn y la cara superior de la vlvula, como se muestra en las siguientes imgenes:

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Al agregar esta relacin, quedara listo nuestro ensamble convirtiendo el movimiento rotatorio del rbol de levas en un movimiento axial. En la siguiente imagen se muestra el ensamble final.

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Procedimiento para ensamblar la correo

Antes de comenzar, cabe mencionar que aunque la apariencia de la correa usada en este modelo es cosmtica, cumple perfectamente con su funcin de transmitir el movimiento del cigeal al rbol de levas. La relacin de velocidad entre cada polea fue definida desde su diseo, dndole a la polea del cigeal el doble de dimetro que la del rbol de levas consiguiendo as que por cada dos vueltas del cigeal se genere una vuelta del rbol de levas, mas sin embargo, en caso de que esta relacin no fuera precisa, se puede agregar al crear la correa. Para crear la correa se deben seguir los siguientes pasos:

1. Seleccionamos la opcin Correa/Cadena ensamblaje del Administrador de comandos.

en Operaciones de

2. En la seccin del men llamada miembros de correa seleccionamos las caras externas de los engranes como se muestra en la figura.

Polea del cigeal

Polea del monoblock

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Una vez seleccionadas las caras externas de las poleas, la correa tomara la siguiente forma:

3. Como se mencionaba en la introduccin a la relacin de la correa, se pueden definir fcilmente los dimetros de las poleas al insertar la correa, pero para este caso ya que los dimetros de las poleas fueron diseados en base a la relacin 2 a 1 que se requiere, se dejaran lo dimetros que se muestran por default.

4. Activamos las casillas Crear pieza de correa y Usar espesor de la correa agregndole un espesor de 5mm.

5. Para convertir la lnea que se muestra en el ensamble en un slido, cerramos el ensamblaje. Se pedir guardar el archivo de la correa, presionamos el botn Guardar.

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6. En la ventana que se abrir a continuacin seleccionamos Guardad externamente, seleccionamos especificar ruta y le damos la misma ubicacin del ensamblaje.

7. Abrimos el documento de la correa y dibujamos el siguiente croquis en el plano Vista Lateral

En esta imagen podemos visualizar el croquis de la correa indicado con la flecha roja y el croquis, la posicin no es importante.

8. Ahora seleccionamos el centro del rectngulo y cualquier lnea de la correa agregndoles una relacin de posicin Perforar croquis. y guardamos el

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9. Ahora hacemos un barrido utilizando como perfil el cuadrado que dibujamos y como trayectoria el croquis de la correa.

10. Editamos el color de la pieza seleccionando negro. Guardamos la pieza y al reconstruir el motor la banda ya tendr la forma esttica.

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Anlisis trmico del monobloc Una de las aplicaciones mas importantes de Solidworks Simulation es la capacidad de realizar anlisis trmicos con la finalidad de conocer la distribucin de temperatura sobre una pieza dndonos la posibilidad de redisear de mejor manera para lograr una distribucin ms uniforme. Para realizar el anlisis trmico del monoblock se siguen los siguientes pasos:

1.- En la pieza monoblock y aplicamos un nuevo estudio, Trmico.

2.- Sobre la opcin Cargas trmicas seleccionamos Radiacin.

3.- En la opcin Tipo seleccionamos superficie a ambiente, y seleccionamos el rea interna del monoblock sealada en la figura:

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4.- En los parmetros de radiacin aplicaremos una temperatura de 300 C y un 1 en radiacin y en factor de vista y damos clic en aceptar.

5.- Ahora damos clic en la opcin Temperatura en Carga Trmica, y seleccionamos las caras superiores e inferiores de todos los nervios como se indica en la figura. En el valor de temperatura seleccionamos 50 C y damos clic en aceptar.

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6.- Damos clic en Ejecutar y obtenemos una imagen trmica de como vara la temperatura en la pieza.

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Anlisis esttico del cigeal en caso de preignicin 1.-Abrimos la pieza y creamos un nuevo estudio, Esttico 2.- Hacemos clic en Aplicar material, y luego en Archivos de biblioteca, seleccionamos la opcin SolidWorks materials y luego en Aceros, damos click en AISI 1010 Barra de acero laminado en caliente y damos click en aceptar.

3.- En sujeciones, seleccionamos la opcin Geometra fija y seleccionamos las caras donde van colocados los rodamientos, como se indica en la figura.

4.- En Cargas externas seleccionamos la opcin Fuerza. Seleccionamos la cara donde va la biela, y en direccin seleccionada, seleccionamos el plano Planta.

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5.- En el cuadro Fuerza asignamos en la opcin normal al plano un valor de 5000N y activamos la casilla invertir direccin

6.- Damos click en Ejecutar y obtenemos el anlisis.

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7.- En Resultados seleccionamos Nuevo trazado, Factor de seguridad. Damos click en aceptar y obtendremos un nuevo anlisis del factor de seguridad del cigeal.

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