Diseño Óptimo El diseño óptimo consiste en diseñar o idear un plan para satisfacer una necesidad. En principio, una necesidad que habrá de ser satisfecha puede estar bien determinada. A continuación se dan dos ejemplos de necesidades apropiadamente definida

El diseño óptimo de un elemento mecánico es la selección del material y de los valores de los parámetros geométricos independientes, con el objetivo explícito de minimizar un efecto indeseable o de maximizar un requerí miento funcional, teniendo en cuenta que el elemento satisfaga otros requerimientos funcionales y que otros efectos indeseables sean mantenidos dentro de sus límites tolerables.

En la práctica de diseño de componentes mecánicos se analizan los aspectos funcionales, se dimensiona y calculan los esfuerzos debidos a las cargas que soportarán.

Además se analizan los aspectos del proceso de manufactura que influyen directamente con la forma última del producto.

El diseño de sistemas mecánicos de calidad debe basarse en un amplio conocimiento de la teoría del cálculo de fuerzas, dibujo aplicado a la ingeniería y de diversos estándares y recomendaciones existentes en la particular área de diseño, así como de la propia experiencia del diseñador. Actualmente las computadoras suelen asistir el proceso de creación de cualquier equipo mecánico complejo, tanto en la primera etapa del diseño (CAD), como en la última de la manufactura (CAM). En el caso del diseño y manufactura de sistemas mecánicos complejos, el proceso de diseño debería fundamentarse en un modelo computarizado especialmente desarrollado de la estructura mecánica. El diseño de ingeniería mecánica incluye el diseño mecánico, pero es un estudio de mayor amplitud que abarca todas las disciplinas de la ingeniería mecánica, incluso las ciencias térmicas y de los fluidos. A parte de las ciencias fundamentales se requieren, las bases del diseño de ingeniería mecánica son las mismas que las del diseño mecánico.

A menudo se describe el proceso total de diseño, desde que empieza hasta que se termina como un nuevo producto o solo re-estructurado. Principia con la identificación de una necesidad y con una decisión de hacer algo al respecto.

Después de muchas iteraciones, el proceso finaliza con la presentación de los planes para satisfacer tal necesidad. En las secciones siguientes se examinarán en detalle estos pasos del proceso de diseño.

Proceso de Optimización

Las técnicas de optimización, conjuntamente con los sistemas informáticos, se han convertido en una poderosa herramienta para el diagnóstico y solución de múltiples problemas complejos, presentes en las ciencias de la administración, convirtiéndose en elemento decisivo, que aporta elementos importantes en la toma de decisiones.

En principio, los estudios de optimización pueden llevarse a cabo por experimentación directa con el sistema. Así, las variables independientes del sistema o proceso pueden fijarse en valores seleccionados, el sistema puede operar en estas condiciones y se puede evaluar el índice de rendimiento del sistema utilizando el rendimiento observado. Después tendría que utilizarse la metodología de optimización para predecir opciones mejoradas de los valores de las variables independientes y continuar de esta manera los experimentos. En la práctica la mayor parte de los estudios de optimización se efectúan con ayuda de un modelo, que es una representación matemática simplificada del sistema real. Se utilizan modelos porque es muy costoso, lento y arriesgado usar el sistema real para llevar a cabo el estudio. Comúnmente se utilizan modelos en ingeniería de diseño, porque ofrecen la forma más barata y rápida de estudiar los efectos de cambios en variables clave del diseño sobre el rendimiento del sistema.

El tópico de investigación “Optimación de Sistemas Mecánicos” está dividida en dos sub-tópicos: “Comportamiento Estático y Dinámico de Sistemas Mecánicos” y “Modificación de Propiedades de Sistemas Mecánicos”, los cuales se establecieron para responder a la necesidad de analizar conjunta y/o separadamente una amplia variedad de problemas existentes en el proceso de diseño, construcción o rediseño de máquinas y sistemas mecánicos, con sus elementos y uniones. Se abordan temáticas relacionadas con el análisis estático y dinámico de sistemas mecánicos, que han incluido estudios de elementos deformables en uniones mecánicas y de fenómenos de vibración, amortiguamiento, esfuerzos y deformaciones, como los causados por el impacto de componentes mecánicos; también se han abordado problemas de tribología (lubricantes) como lo son el desgaste, la fricción y los ajustes de componentes mecánicos.

Normalmente se realiza la investigación en una serie de etapas, iniciando con modelos simples de elementos o sistemas mecánicos y posteriormente incrementando la complejidad del modelo, hasta aproximarse lo más posible a condiciones reales de operación.

La experimentación comúnmente requiere diseñar estrategias de medición, diseñar y construir piezas y bancos de prueba, desarrollar sistemas para la adquisición de datos e idear métodos para la interpretación de resultados experimentales. En la actualidad, la línea de Optimación de Sistemas Mecánicos ha profundizado en el uso del método de elementos finitos, ya que es una técnica versátil con amplias posibilidades de aplicación en problemas referentes a los procesos de diseño y rediseño de máquinas y de sus componentes.

Metodología de las Técnicas de Optimización

Las Técnicas de optimización de procesos y productos, aparecen en los años 50, a partir de entonces comienza a desarrollarse la metodología para su utilización. Esta metodología se sustenta en los siguientes supuestos:

Alternativa en las decisiones; Posibilidades de crear una base informática; Posibilidades mínimas de no poder aplicar los resultados.

En este proceso existe una secuencia de pasos para llegar a la obtención de los objetivos propuestos:

Observación e identificación del problemaFormulación generalConstrucción del modelo Generación de una solución; Prueba y evaluación de la solución; Implantación; Perfeccionamiento y desarrollo.

Solución, análisis y corrección de resultados

Teniendo en cuenta el desarrollo de los sistemas informáticos, es posible acceder fácilmente a software profesionales para dar solución a los modelos matemáticos diseñados. De igual manera, diseñar sistemas mecánicos especiales es otra práctica común en estos tiempos. En este sentido, este punto se ha ido por encima de la formulación y del planteamiento. Una vez obtenida la solución se requiere hacer determinadas comprobaciones que confirmen los resultados. Estas comprobaciones repercuten en la formulación y planteamiento del problema y en la verificación de los parámetros utilizados, los cuales ya han sido determinados previamente mediante una base informática preestablecida, es decir; mediante las estadísticas del diseño.

Por lo general se tienen que tomar en cuenta varios factores en un caso de diseño determinado. En ocasiones, alguno de esos factores será crítico y, si se satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar los demás.

Por ejemplo, suelen tenerse en cuenta los factores siguientes:

Resistencia Confiabilidad Condiciones térmicas Corrosión Desgaste

Fricción o rozamiento Procesamiento Utilidad Costo Seguridad Peso Ruido Estilización forma Tamaño flexibilidad Control Rigidez acabado de superficies Lubricación Mantenimiento Volumen

SELECCIÓN DE MATERIALES

Actualmente existe disponible una gran variedad de materiales cada uno con sus propias características, aplicaciones, ventajas y limitaciones. Los siguientes son los tipos generales de materiales usados actualmente en la manufactura ya sea individualmente o combinados. Materiales ferrosos. Al carbón, aleados, inoxidables, aceros para herramientas.

Aleaciones y materiales no ferrosos. Aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, súper aleaciones, materiales refractarios, berilio, zirconio.

Cerámicos. Vidrios, grafito, diamante.

Materiales compuestos. Plásticos reforzados, compuestos con matriz metálica o cerámica, estructuras de panal.

Criterios De Falla

Al diseñar elementos mecánicos que resistan las fallas se debe estar seguro de que los esfuerzos internos no rebasan la resistencia del material. Si el que se empleará es dúctil, entonces lo que más interesa es la resistencia de fluencia, ya que una deformación permanente sería considerada como falla; sin embargo, existen excepciones a esta regla. Muchos de los materiales más frágiles o quebradizos, como los hierros colados, no poseen un punto de fluencia, así que debe utilizarse la resistencia última como criterio de falla. Al diseñar elementos que han de hacerse de material frágil, también es necesario recordar que la resistencia última a la compresión es mucho mayor que a la tensión. Las resistencias de los materiales dúctiles son casi las mismas a tensión que a compresión.

Normas y Estándares para diseño mecánico.

AGMALa Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes AGMA o es el grupo comercial de las empresas de fabricación de engranajes y ruedas de fricción. AGMA fue fundada en 1916, actualmente hay alrededor de 430 empresas miembros AGMA.AGMA está acreditado por el American National Standards Institute (ANSI) para escribir todos los estándares de Estados Unidos en el engranaje. En 1993, se convirtió en AGMA la Secretaría del Comité Técnico 60 (TC 60) de la ISO. TC 60 es el comité responsable del desarrollo de todas las normas internacionales de apalancamiento. Además de la posición de la Secretaría, AGMA también preside una tercera parte de los activos de los grupos de trabajo de ISO relacionados con el engranaje.

AISCAmerican Institute of Steel Construction

AISILa norma AISI/SAE (también conocida por SAE-AISI) es una clasificación de aceros y aleaciones de materiales no ferrosos. Es la más común en los Estados Unidos.AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y el acero), mientras que SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers(Sociedad de Ingenieros Automotores).En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros donde se estableció una nomenclatura y composición de los aceros que posteriormente AISI expandió.En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero especifica la aleación principal, el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se conoce la cantidad de carbono presente en la aleación.

ANSI(American National Standards Institute - Instituto Nacional Americano de Estándares). Organización encargada de estandarizar ciertas tecnologías en EEUU. Es miembro de la ISO, que es la organización internacional para la estandarización.

ANSI es una organización privada sin fines de lucro, que permite la estandarización de productos, servicios, procesos, sistemas y personal en Estados Unidos. Además, ANSI se coordina con estándares internacionales para asegurar que los productos estadounidenses puedan ser usados a nivel mundial.

Los estándares ANSI buscan que las características y la performance de los productos sean consistentes, que las personas empleen las mismas definiciones y términos, y que los productos sean testeados de la misma forma.

ASME

ASME es el acrónimo de American Society of Mechanical Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Es una asociación de profesionales, que ha generado un código de diseño, construcción, inspección y pruebas para equipos, entre otros, calderas y recipientes sujetos a presión. Este código tiene aceptación mundial y es usado en todo el mundo. Hasta el 2006, ASME tenía 120.000 miembros.

ASTMSociedad americana para prueba de materiales.ASTM o ASTM International es un organismo de normalización de los Estados Unidos de América.Algunos elementos de uso común, tales como los que conectan el contador de agua potable a la tubería, probablemente están elaborados con un procedimiento de forjado conforme a ASTM A 105, en la práctica, un acero de buena calidad, mientras que los tubos quizás respondan a la norma ASTM A 589. Las láminas de plástico que se usan para envolver los alimentos, si no se rompen, probablemente han sido fabricadas y comprobadas con la norma ASTM D 682. Las ollas de acero inoxidable, posiblemente respondan a la ASTM A 240 Tp 304 o 321; y si son de calidad superior, cumplirán la norma 316.

AWS American Welding SocietySociedad americana de soldadura que ofrece más de 200 normas para soldadura en todo el mundo.

BSILa British Standards Institution, cuyas siglas corresponden a BSI, es una multinacional cuyo fin se basa en la creación de normas para la estandarización de procesos. BSI es un organismo colaborador de ISO y proveedor de estas normas, son destacables la ISO 9001, ISO 14001 e ISO 27001. Entre sus actividades principales se incluyen la certificación, auditoría y formación en las normas.

SAESAE Internacional (SAE - Society of Automotive Engineers), formalmente Sociedad de Ingenieros de Automoción, es la organización enfocada en la mobilidad de los profesionales en la ingeniería aeroespacial, automoción, y todas las industrias comerciales especializadas en la construcción de los vehículos. El principal objetivo de la sociedad es el desarrollo de los estándares para todos los tipos de vehículos, incluyendo coches, camiones, barcos, aviones, etc. Cada uno que se interese por los factores humanos y los estándares ergonómicos, puede ser miembro de esta organización.