Alguna vez te has preguntado si los aparatos que usas a diario como tu celular, los tenis con los que haces deporte o el automóvil en el que te transportas, han sido sometidos a análisis de cargas cíclicas, es decir, a estudios de fatiga. La fatiga es un término que asociamos fácilmente con un exceso de cansancio, una sensación desagradable, molestia, etc. Si yo preguntará por fatiga en el ámbito de mecánica de materiales se podría vincular con una máquina que falla por exceso de trabajo o por el fallo de alguno de sus componentes; no son conceptos que están muy ajenos de la realidad.

En el campo de la ingeniería y el diseño de productos, entender y predecir cómo los materiales se comportan bajo cargas cíclicas es fundamental para garantizar la seguridad y la durabilidad de los componentes. La fatiga es un fenómeno crítico que puede llevar a la falla de materiales y estructuras, lo que resulta en costosas reparaciones, pérdida de vidas humanas y daños a la reputación de una empresa. En esta sección, exploraremos en detalle qué es la fatiga en mecánica de materiales y destacaremos la importancia realizar pruebas de fatiga antes de crear un producto.

Primero definamos, ¿qué es la fatiga en mecánica de materiales?

La fatiga en mecánica de materiales es un proceso de falla progresiva que ocurre cuando un material se somete a cargas cíclicas o repetitivas. A diferencia de la carga estática, donde un material puede soportar una carga constante durante un tiempo determinado, la fatiga se produce debido a las fluctuaciones de carga, incluso si estas están por debajo del límite de resistencia estática del material. Con el tiempo, estas fluctuaciones de carga generan tensiones repetitivas que pueden resultar en la formación y propagación de grietas microscópicas en el material. A medida que estas grietas se expanden, la estructura se debilita hasta que finalmente se produce la fractura.

La fatiga en mecánica de materiales tiene aplicaciones en una amplia variedad de situaciones y sectores. Algunas de los sectores comunes en los que se puede aplicar el análisis de fatiga son los siguientes:

Industria automotriz: Los componentes de los vehículos están sujetos a cargas cíclicas debido a las vibraciones, irregularidades en la carretera y las condiciones de funcionamiento normales. El análisis de fatiga ayuda a garantizar la resistencia y durabilidad de los componentes, evitando fallas prematuras.  

Industria aeroespacial: En la industria aeroespacial, donde la seguridad es primordial, el análisis de fatiga es crítico. Los aviones, cohetes y satélites están sujetos a condiciones extremas y cargas cíclicas durante su funcionamiento, como cambios de presión, vibraciones y cargas aerodinámicas. El análisis de fatiga ayuda a predecir la vida útil de las estructuras, evitar fallas en vuelo y garantizar la integridad estructural de los vehículos espaciales.  

Construcción y estructuras civiles: En el diseño y construcción de estructuras civiles, como puentes, edificios, torres y estructuras offshore, el análisis de fatiga desempeña un papel crucial. Estas estructuras están expuestas a cargas cíclicas debido a factores como el viento, las olas y las cargas vivas. El análisis de fatiga permite evaluar la vida útil de los materiales estructurales, detectar áreas críticas y realizar modificaciones en el diseño para garantizar la seguridad y la durabilidad a largo plazo.  

Industria de la energía: En sectores como la generación de energía, los componentes utilizados en turbinas, generadores, estructuras de soporte y tuberías están sujetos a ciclos de carga debido a la vibración, la fluctuación de temperaturas y las cargas dinámicas. El análisis de fatiga garantiza la resistencia y la vida útil de estos componentes críticos.  

Industria naval: En el diseño y construcción de barcos y estructuras marinas, los barcos están sujetos a cargas ondulatorias, vibraciones y fuerzas de impacto. El análisis de fatiga ayuda a predecir y evitar fallas estructurales en embarcaciones y estructuras marinas.  

Estos son solo algunos ejemplos de las aplicaciones de la fatiga en la mecánica de materiales. En general, cualquier situación en la que los materiales estén expuestos a cargas cíclicas o repetitivas puede beneficiarse del análisis de fatiga para garantizar la seguridad, durabilidad y rendimiento confiable de los productos y estructuras.

Con SOLIDWORKS Simulation tenemos la posibilidad de analizar este tipo de estructuras a través de su módulo de fatiga y en este blog veremos una breve y muy útil demostración de esta herramienta.

Para este ejemplo, utilizaremos como modelo un aro de básquetbol, al cual vamos a simular que se cuelga un jugador de básquetbol y someter este comportamiento al material del aro durante 10,000 ciclos, lo que equivaldría aproximadamente a 6 años de vida útil.

Como hemos visto a través del video, realizar pruebas de fatiga antes de crear un producto es esencial y aquí van algunas más razones:

Evaluación de la vida útil del material: Las pruebas de fatiga permiten determinar la vida útil esperada de un material o componente bajo cargas cíclicas. Estas pruebas someten al material a ciclos de carga que simulan las condiciones reales a las que estará expuesto. Al monitorear y medir la propagación de grietas durante las pruebas, se puede predecir la vida útil y determinar cuándo el material alcanzará un punto crítico de daño.

Diseño y optimización de componentes: Las pruebas de fatiga proporcionan información valiosa sobre cómo un diseño específico se comporta bajo cargas cíclicas. Al comprender mejor el comportamiento del material, es posible optimizar la geometría, los materiales utilizados y otros factores para minimizar el riesgo de falla por fatiga.

Cumplimiento de estándares y normativas: En muchos sectores, como la industria automotriz o aeroespacial, existen estándares y normativas estrictas que exigen la realización de pruebas de fatiga. Las pruebas de fatiga proporcionan datos confiables y documentación que respalda la conformidad con los estándares y regulaciones vigentes.

Mejora de la confiabilidad y reducción de costos: Las pruebas de fatiga permiten realizar ajustes en el diseño o el proceso de fabricación antes de que el producto llegue al mercado. Al mejorar la confiabilidad y reducir el riesgo de falla por fatiga, se minimizan los costos asociados con reparaciones, reclamaciones de garantía y pérdida de reputación.

En resumen, al comprender cómo los materiales se comportan bajo cargas cíclicas, los ingenieros y diseñadores pueden crear productos más seguros, duraderos y confiables; y con esto, garantizar la calidad y el rendimiento de los productos en industrias como la construcción, la aeroespacial, la automotriz y muchas otras.​ ¡Asegura la durabilidad de tu diseño ahora con SOLIDWORKS Simulation!