Diseño a fatiga multiaxial y desgaste en componentes mecánicos a elevada temperatura

Abstract

In this thesis, a failure prediction study in mechanical components subject to very high frequency loads and high temperature is considered. In a first stage, the fatigue phenomenon in metallic materials is studied from the experimental point of view, through the stress vs. number of cycles curves in the gigacycle regime, as well as from the numerical point of view by multiaxial fatigue criterions and finite element models. The experimental tests were performed using the ultrasonic fatigue technique. The stress vs. number of cycles curves of an austenitic steel used in internal combustion engines at room and at high temperature, 600ºC and 700ºC were obtained. By using the experimental results, new valve geometries were generated. In a second stage, different contact algorithms were analyzed to study the wear and friction processes. A flexible-rigid contact algorithm with an augmented Lagrangian was developed. With this algorithm, validation and application examples have been proposed. Then, a node-segment contact algorithms for flexible-flexible bodies with the subdivision surfaces interpolation technique was studied. Finally, a mortar contact algorithm was proposed. This algorithm passes the contact patch tests with a uniform stress field at the contact zone. The proposed algorithm was validated with analytical and numerical solutions, and was used in an application example of internal combustion engine valves.

En esta Tesis se considera el estudio de predicción de fallas en componentes mecánicos que se encuentran sujetos a cargas de muy alta frecuencia y elevada temperatura. En una primera etapa, se estudia el fenómeno de fatiga de materiales metálicos abordado desde el punto de vista experimental, con la obtención de curvas de tensión vs. número de ciclos en el régimen gigacíclico, y desde el punto de vista numérico a través de criterios de fatiga multiaxial y modelos de elementos finitos. Los ensayos experimentales se realizaron con la técnica de fatiga ultrasónica. Las curvas de tensión vs. número de ciclos fueron obtenidas a temperatura ambiente y a elevada temperatura, 600ºC y 700ºC, en un acero austenítico utilizado en válvulas de motores de combustión interna. Con los resultados experimentales se generaron nuevas geometrías de válvulas. En una segunda etapa, se analizaron diferentes algoritmos de contacto para estudios de desgaste y fricción. Se desarrolló un algoritmo de contacto flexible-rígido con un lagrangiano aumentado. Con este algoritmo se han propuesto ejemplos de validación y aplicación. Luego, se estudiaron los algoritmos de contacto flexible-flexible del tipo nodo-segmento con una técnica de interpolación de superficies de contacto basada en subdivisión de superficies. Finalmente, se propuso un algoritmo de contacto tipo mortar. Estos algoritmos superan los test de la parcela. El algoritmo propuesto fue validado con soluciones analíticas, numéricas y utilizado en un ejemplo de aplicación de una válvula de motor de combustión interna.