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Mecánica de la fractura

Las fracturas y grietas son fallas conocidas desde que el ser humano comenzó a construir y desarrollar productos. Para entender estos fenómenos, hace años que fueron desarrollados conceptos y parámetros importantes tales como la tasa de liberación de energía (G) desarrollada por el Ingeniero aeronáutico Griffith, a comienzos del siglo XX.

Sin embargo, sólo después de a 2ª Guerra Mundial se pasó a entender mejor porque los materiales fallan y como prevenir los fallos. De este modo fue establecida el área que estudia esos procesos mecánicos, denominandola Mecánica de la Fractura.

Falla de estructura debido a la fractura

Falla de estructura debido a la fractura

Según Anderson (Anderson, T.L. Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, 3rd. Edition, 1991), se define a la Mecánica de Fractura como una disciplina de ingeniería que cuantifica las condiciones bajo las cuales un cuerpo cargado puede fallar, debido al crecimiento de una grieta dominante en este cuerpo.

Falla debida la carga cíclica

Falla debida la carga cíclica

La mecánica de fractura puede ser usada en proyectos de componentes y estructuras, en la selección de materiales, en el desarrollo de nuevos materiales y en la determinación de la criticidade de defectos.

Una de las causas de la ocurrencia de fallos proviene de métodos, procesos y materiales inovadores, ya que no siempre es posible conocer todos los aspectos de la adopción de una innovación, y esto puede llevar a una falla.

Podemos usar como ejemplo de esto a la sustitución del proceso de remachado para unión de chapas por el proceso de soldadura en la construcción naval para la construcción de navios de la clase Liberty. En este caso, no todos los efectos e influencias del proceso de soldadura en la resistencia de los navíos fueron tenidos en cuenta (baja calidad de la soldadura, fragilización del material, concentración de tensión, tenacidad del material).

El nuevo proceso era innovador y la construcción de navíos se hizo mucho más rápida, además de destacarse una evidente economía del material utilizado. Sin embargo, este cambio presentó un resultado negativo: cerca de 20 navíos se quebraron por la mitad.

Navío de la clase Liberty fracturado

Navío de la clase Liberty fracturado

Los estudios e investigaciones de ingenieros y científicos como Griffith, Irwin del NRL (Naval Research Laboratory), Wells, Rice, Paul París, entre otros, resultaron en el modelado y conocimiento del proceso que lleva la fractura del material cuando es sometido a uma carga, sea estática o dinámica, y en el desarrollo parámetros que ayuden a los ingenieros de producto a evaluar la criticidad de un defecto, como una grieta, y entender el comportamiento de la misma, permaneciendo estable o con la posibilidad de propagación de esta y de la forma en la que lo hará.

Métodos Numéricos x Mecánica de la Fractura
Muchos de los parámetros cuantificables de la mecánica de fractura son obtenidos por métodos analiticos. Estas soluciones analíticas son aplicables a casos bastante idealizados, de geometría y distribución de esfuerzos simples.

Los Métodos numéricos, como el método de elementos finitos, se mostraron más adecuados para tratar problemas con geometría y condiciones de contorno genéricas.

El software ANSYS de elementos finitos ha implementado recursos para calcular y cuantificar parámetros de la mecánica de fractura. Entre ellos la tasa de liberación de energía G, los factores de intensificación de tensiones KI, KII , KIII y la integral J. Más recientemente métodos como XFEM (eXtended Finite Element Method) fueron implementados.

En pocas palabras, el método de los elementos finitos extendidos (XFEM) es un método numérico para la aproximación de soluciones que involucran saltos (jumps), pliegues (kinks), singularidades, discontinuidades o partes (en un dominio mayor) que exhiban grandes gradientes en las cantidades de interés medidas. Se pueden considerar aplicaciones típicas: la simulación de grietas, bandas de cizalladura, discordancias, problemas multifásicos e interacción fluido-estructura.

mecánica de la Fractura

En el método clásico de elementos finitos (FEM), el dominio es generalmente continuo y el método depende de la construcción de mallas. Discontinuidades como grietas, considerando el FEM, demandan alteraciones en las mallas (inclusive durante el procesamiento) y un esfuerzo adicional del analista.

En el método XFEM, discontinuidades tales como saltos y pliegues dentro de los elementos son tenidos en cuenta y tratados con precisión óptima sin la necesidad de alteración de malla (remeshing, por ejemplo). El tratamiento de las discontinuidades es hecho por el enriquecimiento del espacio aproximado (la malla de elementos finitos) del FEM clásico. Este enriquecimiento (de los grados de libertad en el modelo) implica un uso de funciones de desplazamiento que llevan en cuenta los “saltos” en la región de discontinuidad (grieta). Como resultado del XFEM se verifica como la grieta se propaga.

Mayores detalles pueden ser obtenidos en http://www.xfem.rwth-aachen.de/index.php y en la documentación de ANSYS. Un ejemplo que muestra el crecimiento de una grieta es presentado en https://www.youtube.com/watch?v=7pqaofQAcqg.

Los métodos numéricos han sido muy relevantes al momento de estudiar el comportamiento de estructuras constituidas con materiales compuestos, en especial plásticoes reforzados con diferentes fibras, en las industrias aeronáutica, deportiva, energía eólica, de Oil & Gas, entre otras.

Estos nuevos materiales demandan un esfuerzo de la comunidad científica e industrial para entender sus mecanismos de falla. Algunas de las metodologías específicas para el estudio del fallo en materiales compuestos, tales como Virtual Crack Closing Technique (VCCT) y Cohesive Zone Modeling (CZM), ya están implementadas en los softwares ANSYS.

De hecho, muchos recursos asociados a la Mecánica de Fractura, hace años que están disponibles en ANSYS APDL (clásico) y fueron implementados en ANSYS Mechanical, permitiendo al analista realizar modelados y configuraciones de forma rápida y automatizada de grietas. También permite, visualizar respuestas a partir de recursos gráficos que ayudan a analizar la región de interés.

Grieta arbitraria configurada automáticamente en ANSYS Mechanical 17

Grieta arbitraria configurada automáticamente en ANSYS Mechanical 17

Menús dedicados la configuración de grietas y método XFEM (vea ACT – ANSYS Customization Tool) en ANSYS Mechanical 17

Menús dedicados la configuración de grietas y método XFEM (vea ACT – ANSYS Customization Tool) en ANSYS Mechanical 17

Modelado aplicado al Estudio de Fractura en la Industria
Industrias como la aeroespacial, la naval, la nuclear, la de turbinas, de equipamientos y tuberías para la explotación de gas y petróleo (Oil & Gas), y muchas otras, han invertido en investigación dedicada la mecánica de fractura y usan herramientas de cálculo y análisis tales como ANSYS Workbench.

Estas industrias utilizan los métodos numéricos para analizar diferentes aspectos de sus proyectos. Un ejemplo de esto es el análisis de durabilidad y tolerancia al daño (D&DT), que son críticos en el desarrollo de diversos componentes de la industria aeronáutica, donde la búsqueda de vehículos más livianos, eficientes y seguros es constante. En estos caso la mecánica de fractura es una disciplina y herramienta fundamental!

Diversas herramientas y recursos para el cálculo dedicados la Mecánica de Fractura fueron y continúan siendo implementados en los softwares ANSYS, y están la disposición de los usuarios y empresas que los necesiten.

Desea conocer esas herramientas y como ellas pueden ayudarlo a desarrollar productos y equipos más seguros y eficientes? Entre en contacto con uno de nuestros consultores y conozca los beneficios de esas herramientas.



Analista de CAE

Ingeniero naval y magister especialista en ingeniería naval y oceánica de la Universidad de São Paulo (USP) y estudiante de doctorado en el Instituto de Tecnológico de Aeronáutica (ITA), en Brasil. Amplia experiencia en estructuras aeronáuticas, lo que incluye materiales compuestos, y manejo de softwares basado en el método de elementos finitos.


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