ANLISIS DE LA RESPUESTA MODAL DE UN EJE .fatigue, crack, mechanical vibrations, ... 1.2 Objetivos

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  • DEPARTAMENTO DE INGENIERA MECNICA

    INGENIERA TCNICA INDUSTRIAL: MECNICA

    PROYECTO FIN DE CARRERA

    ANLISIS DE LA RESPUESTA MODAL DE UN EJE FERROVIARIO HUECO

    CON GRIETAS

    Autor: Mario Fradejas Reviejo

    Tutor: Dr. Higinio Rubio Alonso

    Legans, Julio de 2014

  • Ttulo: Anlisis de la Respuesta Modal de un Eje Ferroviario Hueco con Grietas

    Autor: Mario Fradejas Reviejo Director: Dr. Higinio Rubio Alonso

    EL TRIBUNAL Presidente: Vocal: Secretario: Realizado el acto de defensa y lectura del Proyecto Fin de Carrera el da __ de _______ de 20__ en Legans, en la Escuela Politcnica Superior de la Universidad Carlos III de Madrid, acuerda otorgarle la CALIFICACIN de

    VOCAL.

    SECRETARIO. PRESIDENTE.

  • Anlisis de la Respuesta Modal de un Eje Ferroviario Hueco con Grietas

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    Gracias a mi familia por su paciencia y respaldo.

    Gracias a Isaac por su apoyo incondicional.

    Gracias a mi tutor, Higinio, por su cercana y experiencia compartida durante el proceso.

  • Anlisis de la Respuesta Modal de un Eje Ferroviario Hueco con Grietas

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    Resumen

    Este proyecto; Anlisis de la Respuesta Modal de un eje Ferroviario Hueco con Grietas, tiene como objetivo principal analizar las variaciones de los modos propios de vibracin de un eje hueco ferroviario con discontinuidad estructural. Mediante anlisis de elementos finitos realizados por computador con el software Creo Elements/Pro, se obtienen las frecuencias propias de vibracin del eje con grietas de tamao progresivo y en distintas posiciones del mismo.

    La memoria del proyecto, comienza con un breve captulo de introduccin y sigue con la presentacin del marco terico, que introduce los conceptos cientfico-tcnicos en los que se basa el desarrollo del proyecto; principalmente, vibraciones mecnicas y fenmeno de fatiga. Se incluye un breve captulo dedicado al mtodo de elementos finitos y la herramienta de clculo, el software Creo Elements/Pro, resumiendo sus funciones y caractersticas.

    Asimismo, se explica con detalle la metodologa del proyecto; caractersticas del eje, forma y tamaos de la grieta que simula un fallo por fatiga mecnica, posiciones en el eje de estas grietas, desarrollo de la creacin del modelo del eje y configuracin de los parmetros de los anlisis.

    El captulo de resultados, presenta los datos obtenidos en tablas, grficas y con

    varios clculos estadsticos, destacando los valores ms significativos. Se busca la relacin entre el rea de grieta y la diferencia de las frecuencias propias respecto del eje nuevo. Posteriormente, se desarrollan las conclusiones y se proponen trabajos futuros.

    El proyecto, sigue una lnea de investigacin activa en el Departamento de

    Ingeniera Mecnica de la Universidad Carlos III de Madrid sobre defectologa de ejes ferroviarios.

    Palabras clave

    Eje ferroviario, eje hueco, anlisis modal, frecuencias propias, resonancia compensada, fatiga, grieta, vibraciones mecnicas, Creo Elements/Pro, Pro/Engineer.

  • Anlisis de la Respuesta Modal de un Eje Ferroviario Hueco con Grietas

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    Abstract

    This project; 'Modal Response Analysis of a Railway Hollow Axle with Crack', has as main purpose to analyze natural modes of vibration variations of a railway hollow axle with structural discontinuity. Using finite element analysis performed by computer with software 'Creo Elements/Pro', axle natural frequencies of vibration with progressive size cracks and in different positions are obtained.

    The project report begins with a brief introductory chapter and continues with the presentation of the theoretical framework, introducing the scientific and technical development in which the project is based, mainly mechanical vibration and fatigue phenomenon concepts. There is a brief chapter about finite elements method and the calculation software, 'Creo Elements/Pro', summarizing its functions and features.

    Also, project methodology will be explained in detail; axle characteristics, shape and sizes cracks that simulates a mechanical fatigue failure, axle positions of these cracks, model creation by software and analysis parameters configuration.

    The results chapter presents the data in tables, graphs and various statistical

    calculations, highlighting the most significant values. The purpose is to search relation between the crack area and the differences of the natural frequencies regarding the axle without crack. Subsequently, conclusions are developed and future works are proposed.

    The project follows an active research line in the Mechanical Engineering

    Department of the University Carlos III of Madrid on railway axles defectology.

    Keywords Railway axle, hollow axle, modal analysis, natural frequencies, compensated resonance, fatigue, crack, mechanical vibrations, Creo Elements/Pro, Pro/Engineer.

  • Anlisis de la Respuesta Modal de un Eje Ferroviario Hueco con Grietas

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    NDICE GENERAL

    Captulo 1. Objetivos y Contenido del Proyecto ................................................................. 1

    1.1 Introduccin ..............................................................................................................................3

    1.2 Objetivos del Proyecto .............................................................................................................. 5

    1.3 Etapas de Desarrollo del Proyecto ............................................................................................ 6

    1.4 Estructura del Documento ........................................................................................................ 7

    Captulo 2. Terminologa Ferroviaria ................................................................................... 9

    2.1 Introduccin ............................................................................................................................11

    2.2 Eje Ferroviario .........................................................................................................................14

    Captulo 3. Introduccin a las Vibraciones Mecnicas. Mtodo PCRT ............................. 17

    3.1 Introduccin ............................................................................................................................19

    3.2 Conceptos Bsicos ...................................................................................................................21

    3.3 Anlisis Modal .........................................................................................................................25

    3.4 Resonancia Mecnica ..............................................................................................................28

    3.5 Estado del Arte ........................................................................................................................30

    3.5.1 Process Compensated Resonance Testing (PCRT) ...........................................................30

    3.5.2 Anlisis de fatiga mecnica mediante sistemas PCRT ......................................................33

    Captulo 4. Introduccin a la Fatiga Mecnica ................................................................... 37

    4.1 Introduccin ............................................................................................................................39

    4.2 Historia del Estudio de la Fatiga Mecnica..............................................................................41

    4.2.1 Desde principios de siglo XX a la actualidad ...................................................................43

    4.3 Fundamentos de la Fatiga .......................................................................................................45

    4.3.1 Diagrama S-N ....................................................................................................................45

    4.3.2 Fases de propagacin de la grieta y rotura ......................................................................48

    4.4 Estado del Arte ........................................................................................................................50

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    Captulo 5. Mtodo de Elementos Finitos. El software: Creo Elements/Pro ................... 53

    5.1 Introduccin al Mtodo de Elementos Finitos ........................................................................55

    5.1.1 Conceptos bsicos ............................................................................................................57

    5.2 Proceso de Anlisis con Elementos Finitos .............................................................................60

    5.3 Aplicaciones del Mtodo .........................................................................................................62

    5.4 Ventajas y Limitaciones ...........................................................................................................63

    5.5 Introduccin a Creo Elements/Pro ..........................................................................................64

    5.6 Capacidades del Programa ......................................................................................................66

    5.6.