La fatiga por vibración es un término de ingeniería mecánica que describe la fatiga del material , causada por una vibración forzada de naturaleza aleatoria . Una estructura excitada responde de acuerdo con sus modos de dinámica natural , lo que da como resultado una carga de tensión dinámica en los puntos del material. [1] El proceso de fatiga del material está, por lo tanto, regido en gran medida por la forma del perfil de excitación y la respuesta que produce. Como los perfiles de excitación y respuesta se analizan preferiblemente en el dominio de la frecuencia, es práctico utilizar métodos de evaluación de la vida útil por fatiga , que pueden operar sobre los datos en el dominio de la frecuencia , como la densidad espectral de potencia (PSD) .
Una parte crucial de un análisis de fatiga por vibración es el análisis modal , que expone los modos y frecuencias naturales de la estructura vibratoria y permite una predicción precisa de las respuestas de tensión locales para la excitación dada. Solo entonces, cuando se conocen las respuestas de tensión , se puede caracterizar con éxito la fatiga por vibración.
El enfoque más clásico de evaluación de la fatiga consiste en el recuento de ciclos, utilizando el algoritmo rainflow y la suma mediante la hipótesis de daño lineal de Palmgren-Miner , que suma apropiadamente los daños de los ciclos respectivos. Cuando no se conoce el historial de tiempo, porque la carga es aleatoria ( por ejemplo, un automóvil en una carretera en mal estado o una turbina eólica ), esos ciclos no se pueden contar. Se pueden simular múltiples historiales de tiempo para un proceso aleatorio dado , pero dicho procedimiento es engorroso y computacionalmente costoso . [2]
Los métodos de fatiga por vibración ofrecen un enfoque más eficaz, que estima la vida útil por fatiga en función de los momentos de la PSD . De esta manera, se estima un valor que, de otro modo, se calcularía con el enfoque del dominio del tiempo . Cuando se trabaja con muchos nodos de material, que experimentan diferentes respuestas ( por ejemplo , un modelo en un paquete FEM ), no es necesario simular los historiales temporales. Entonces, con el uso de métodos de fatiga por vibración, resulta viable calcular la vida útil por fatiga en muchos puntos de la estructura y predecir con éxito dónde es más probable que se produzca la falla.
En un proceso aleatorio, la amplitud no puede describirse como una función del tiempo debido a su naturaleza probabilística . Sin embargo, se pueden extraer ciertas propiedades estadísticas de una muestra de señal que representan la realización de un proceso aleatorio, siempre que este último sea ergódico . Una característica importante para el campo de la fatiga por vibración es la función de densidad de probabilidad de amplitud , que describe la distribución estadística de las amplitudes de pico. Idealmente, la probabilidad de las amplitudes de ciclo, que describen la severidad de la carga, podría deducirse directamente. Sin embargo, como esto no siempre es posible, la probabilidad buscada a menudo se estima empíricamente.
La excitación aleatoria de la estructura produce diferentes respuestas, dependiendo de la dinámica natural de la estructura en cuestión. Se excitan diferentes modos naturales y cada uno afecta en gran medida la distribución de la tensión en el material. El procedimiento estándar es calcular las funciones de respuesta de frecuencia para la estructura analizada y luego obtener las respuestas de tensión , en función de la carga o excitación dadas. [3] Al excitar diferentes modos, la distribución de la energía de vibración en un rango de frecuencia afecta directamente la durabilidad de la estructura. Por lo tanto, el análisis de la dinámica estructural es una parte clave de la evaluación de la fatiga por vibración.
El cálculo de la intensidad del daño es sencillo una vez que se conoce la distribución de amplitud de ciclo. Esta distribución se puede obtener a partir de un historial temporal simplemente contando ciclos. Para obtenerla a partir de la PSD se debe adoptar otro enfoque.
Varios métodos de fatiga por vibración estiman la intensidad del daño basándose en los momentos de la PSD , que caracterizan las propiedades estadísticas del proceso aleatorio. Las fórmulas para calcular dicha estimación son empíricas (con muy pocas excepciones) y se basan en numerosas simulaciones de procesos aleatorios con PSD conocida . Como consecuencia, la precisión de esos métodos varía, dependiendo de los espectros de respuesta analizados, los parámetros del material y el método en sí mismo: algunos son más precisos que otros. [4]
El método más comúnmente utilizado es el desarrollado por T. Dirlik en 1985. [5] Investigaciones recientes sobre métodos de dominio de frecuencia para la estimación de la vida por fatiga [4] compararon métodos bien establecidos y también métodos recientes; la conclusión mostró que los métodos de Zhao y Baker, desarrollados en 1992 [6] y de Benasciutti y Tovo, desarrollados en 2004 [7] también son muy adecuados para el análisis de vibración-fatiga. Para la aproximación de banda estrecha de procesos aleatorios, Miles proporciona una expresión analítica para la intensidad del daño. [8] Existen algunos enfoques con adaptación de la aproximación de banda estrecha; Wirsching y Light propusieron el factor de corrección empírico en 1980 [9] y Benasciutti presentó α 0,75 en 2004. [10] En 2008, Gao y Moan publicaron un método espectral que combina tres procesos de banda estrecha. [11] La implementación de esos métodos se proporciona en el paquete de código abierto FLife [12] de Python .
Los métodos de fatiga por vibración se utilizan siempre que la estructura esté sometida a una carga causada por un proceso aleatorio . Pueden ser las fuerzas que los golpes de la carretera ejercen sobre el chasis del coche , el viento que sopla sobre la turbina eólica , las olas que golpean una construcción en alta mar o un buque marino . Dichas cargas se caracterizan primero estadísticamente, mediante medición y análisis. A continuación, los datos se utilizan en el proceso de diseño del producto . [13]
La eficacia computacional de los métodos de vibración-fatiga en contraste con el enfoque clásico, permite su uso en combinación con paquetes de software FEM , para evaluar la fatiga después de que se conoce la carga y se ha realizado el análisis dinámico. El uso de los métodos de vibración-fatiga es adecuado, ya que el análisis estructural se estudia en el dominio de la frecuencia .
En la industria automotriz, la práctica habitual es el uso de pruebas de vibración acelerada . Durante la prueba, una pieza o un producto se expone a vibraciones que están en correlación con las esperadas durante la vida útil del producto. Para acortar el tiempo de prueba, se amplifican las amplitudes. Los espectros de excitación utilizados son de banda ancha y se pueden evaluar de forma más eficaz utilizando métodos de fatiga por vibración.
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