Análisis con Elementos Finitos de problemas de Contacto Elasto-Plástico
En este trabajo se estudia un problema de contacto entre dos esferas considerando el régimen plástico del material. La resolución de este problema se ha llevado a cabo mediante MEF, haciendo uso del programa comercial Abaqus/Standard. La plasticidad del material se ha representado haciendo uso del m...
| Autor: | |
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| Tipo de recurso: | tesis de maestría |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Institución: | Universidad de Sevilla (US) |
| Repositorio: | idUS. Depósito de Investigación de la Universidad de Sevilla |
| OAI Identifier: | oai:idus.us.es:11441/180906 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/11441/180906 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Elementos finitos Contacto Elasto-Plástico |
| Sumario: | En este trabajo se estudia un problema de contacto entre dos esferas considerando el régimen plástico del material. La resolución de este problema se ha llevado a cabo mediante MEF, haciendo uso del programa comercial Abaqus/Standard. La plasticidad del material se ha representado haciendo uso del modelo de endurecimiento Navarro-Madrigal, y se ha implementado dentro del programa a través de una subrutina UMAT (User-defined MATerial behaviour). La subrutina utilizada sigue un esquema de integración explícita para asegurar una evolución de las propiedades del material coherente a la deformación plástica desarrollada por la pieza. Respecto a la resolución del problema de contacto, se ha utilizado un método de discretización – dónde y qué restricciones de contacto se aplican – superficie a superficie con contacto rígido, y una formulación lagrangiana aumentada – método para aplicar dichas restricciones –. El esquema de resolución numérica ha sido validado mediante la resolución de una serie de problemas de referencia, presentados en los anexos: un cubo elastoplástico sometido a una carga cíclica – para validar la implementación de la UMAT dentro del programa –, y dos cubos elásticos en contacto – para validar los parámetros de contacto elegidos –. El caso de estudio seleccionado es un problema clásico de contacto hertziano entre dos esferas, considerando que una de ellas sigue una ley de comportamiento plástica. Se ha analizado las distribuciones de presión, normal y tangencial, que se generan en la zona de interacción de las dos esferas, y el tamaño de la zona de contacto. La elección de este caso se justifica por la existencia de una solución previa documentada, usada como referencia para validar los resultados obtenidos. Asimismo, esta solución de referencia se ha utilizado para analizar la influencia que el modelo de endurecimiento del material tiene sobre la solución final. Se ha analizado, además, la influencia de los siguientes factores sobre la solución del caso de estudio propuesto: el límite elástico de la pieza elastoplástica; y el coeficiente de rozamiento en la superficie de contacto de los sólidos. En último lugar, se ha planteado un problema de concepto, para evaluar las diferencias entre usar un modelo de comportamiento elástico frente a uno elastoplástico, en el caso de que la otra esfera – aquella que siempre sigue una ley de comportamiento elástica – tenga una rigidez infinita. Los resultados obtenidos en el caso de estudio llevan a las siguientes conclusiones: • Las diferencias entre este proyecto y el estudio de referencia impiden realizar una comparación directa entre los resultados de ambos estudios. Las soluciones obtenidas son dispares, y no se puede aislar el efecto del modelo de endurecimiento sobre la solución del problema si, por un lado, los dos trabajos no contemplan el mismo sistema de cargas aplicado sobre las dos esferas y si, por otro, se desconoce cómo el estudio de referencia ha implementado su modelo de endurecimiento dentro del programa. • El límite elástico del material tiene una influencia significativa sobre la solución del problema. Valores más elevados de este parámetro conducen a distribuciones de presión normal más próximas a la solución puramente elástica del contacto. Por el contrario, valores más bajos del límite elástico generan una distribución de presiones más achatada y una zona de contacto más amplia, reflejo del mayor grado de deformación plástica en la región de contacto. • El coeficiente de rozamiento no presenta una influencia significativa en el problema elastoplástico cuando únicamente se aplica una carga normal entre los sólidos en contacto. La solución obtenida es prácticamente idéntica en términos de la distribución de presiones normales y del tamaño de la región de contacto, independientemente del valor asignado al coeficiente de rozamiento. Además, en todos los casos evaluados, los valores de la distribución de presión tangencial resultan tan próximos al cero numérico que no es posible extraer conclusiones precisas sobre su influencia en este contexto. Por su parte, los resultados obtenidos en el problema de concepto llevan a las siguientes conclusiones: • Con el modelo elástico se obtiene una distribución de presiones normales por encima de la solución analítica. Esta diferencia se debe a que el modelo numérico considera rozamiento en la superficie de contacto, mientras que la solución analítica parte de la suposición de un contacto sin fricción. En el caso del modelo elastoplástico, la distribución de presiones normales resulta más aplanada, y se observa un aumento en el tamaño de la zona de contacto. Cabe destacar que, en todos los casos - elástico y elastoplástico -, la distribución de presiones normales es independiente del coeficiente de rozamiento definido en la zona de contacto. • En lo referente a la distribución de presiones tangenciales, las diferencias entre el modelo elástico y el modelo elastoplástico están inversamente relacionadas con el valor del coeficiente de rozamiento: a menor coeficiente de rozamiento, mayor es la discrepancia entre ambas soluciones. No obstante, en todos los casos analizados, un incremento del coeficiente de rozamiento conduce a una aumento de la zona de deslizamiento y, por ende, una disminución de la zona de adhesión. |
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