Balance de torques en productos roscados incluyendo elasticidad torsional basado en modelos de elementos finitos

Abstract

En este estudio se utiliza el método de elementos finitos mediante programa computacional para investigar el balance de torques en un producto roscado incluyendo el efecto de la elasticidad torsional. El estudio comprende un ensamble de tornillo comercial de acero con una resistencia de 74 Kpsi, módulo de elasticidad de 30 Mpsi. y relación de Poisson de 0.3 de dimensiones estándar de ¼ - 20 UNC (1A) y una base roscada (1B) de acero al carbono AISI 1045. Basados en estudios previos teóricos (León, F., 1998), se analizan y comparan resultados de un modelo bidimensional axisimétrico y de un modelo tridimensional original de ese de tipo ensamble roscado típico y de amplia aplicación en la industria. El modelo bidimensional axisimétrico (MBA), de amplio uso en el análisis de elementos roscados, ofrece ventajas de facilidad de modelado y costo computacional bajo. Los resultados obtenidos del MBA indican, para el caso de apriete seleccionado, la precarga y la distribución de deformaciones, valores que se comparan con los resultados teóricos. Sin embargo, el MBA presenta limitaciones particulares para este tipo de estudio que son analizadas y evaluadas para finalmente demostrar que el modelo es inadecuado y que se justifica la realización de un modelo tridimensional más apto. El modelo tridimensional (MT) es costoso en cuanto a modelado y a tiempo computacional, razones éstas que han limitado su difusión en publicaciones especializadas. Sin embargo, un MT de un ensamble roscado ofrece la ventaja de permitir simular, "como en la realidad", la aplicación de torques y el proceso de apriete del elemento roscado. Más aún, el avance angular de la parte roscada -léase el movimiento relativo entre roscas, las deformaciones torsionales y las axiales pueden ser calculadas y analizadas conjuntamente para las condiciones de apriete seleccionadas. El MT aquí presentado se basa en uno previamente publicado (F. León, 2002), con un concepto diferente en cuanto a la realización de la malla de elementos para lograr resultados confiables de fuerza, desplazamientos axiales y angulares así como esfuerzos que sean comparables o validados debidamente con resultados teóricos y/o experimentales.