Tema V Cilindros de pared gruesa. Ecuaciones fundamentales para el caso de un cuerpo sometido a...
-
Upload
chus-del-campo -
Category
Documents
-
view
49 -
download
1
Transcript of Tema V Cilindros de pared gruesa. Ecuaciones fundamentales para el caso de un cuerpo sometido a...
Tema V
Cilindros de pared gruesa
Ecuaciones fundamentales para el Ecuaciones fundamentales para el caso de un cuerpo sometido a cargas caso de un cuerpo sometido a cargas
simétricas (con respecto al eje Z)simétricas (con respecto al eje Z)
TE
TE
TE
rzz
zr
zrr
1
1
1
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
TE
TE
TE
rz
r
rr
1
1
Haciendo σz=0 se tiene que:
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
212
212
212
1
1
1
ETJG
ETJG
ETJG
zz
rr
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
TE
TE
TE
rzz
z
zrr
r
11211
11211
11211
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Las ecuaciones anteriores también pueden ser escritas así:
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
Haciendo σz=0 se tiene que:
0
11
11
2
2
z
r
rr
TE
TE
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
La deformación axial puede escribirse también como:
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
TE
rz
1
Haciendo z=0 se tiene:
ETE
ETE
r
rr
11
11
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Haciendo z=0 se tiene:
ecuaciones fundamentalesecuaciones fundamentales
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
ETE
ETE
r
rr
11121
11121
Ecuación de equilibrio para un Ecuación de equilibrio para un elemento de volumen simétricoelemento de volumen simétrico
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
ecuación de equilibrioecuación de equilibrio
02
2
drdzrdFdzddrrdd
drdzdzrd rrrr
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
0
rrr F
dr
d
r
Dividiendo entre (rdΦdrdz) se obtiene:
Caso general de esfuerzo plano (Caso general de esfuerzo plano (σσzz=0) =0)
considerando espesor constante considerando espesor constante (t=ctte)(t=ctte)
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
2
2
22
2 11
1
rF
rotacióndeinerciadefuerzalaesFdonde
FEdr
rdT
r
ru
dr
rdu
rdr
rud
r
r
r
caso general de esfuerzo planocaso general de esfuerzo plano
Integrando dos veces con respecto a r obtendríamos:
2
21222
22122
2
21
322
118
31
118
3
8
11
1
1
1
r
ECECrrETrdrrT
r
E
r
ECECrrdrrT
r
E
r
CrCr
ErdrrT
rru
r
r
r
r
r
r
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Caso general de deformación plana Caso general de deformación plana ((zz=0) con espesor constante (t=ctte)=0) con espesor constante (t=ctte)
211
2
121
121118
21
11
121118
23
1
18
121
1
1
122
22122
2
22122
2
21
32
1
1
1
CEr
rET
r
ECECr
rETdrrT
r
E
r
ECECrdrrT
r
E
r
CrCr
EdrrT
rru
z
r
r
r
r
r
r
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros de pared gruesa sometidos Cilindros de pared gruesa sometidos a presión interna y externaa presión interna y externa
Cilindros sometidos a esfuerzo plano σz=0, cilindros abiertos o cortos (discos).
Cilindros sometidos a deformación plana z=0, extremos del cilindro restringidos o cilindros muy largos.
Cilindros con tapas (σz y z diferentes de cero).
Cilindro de pared gruesa sometido a presión interna solamente.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindro de pared gruesa sometido a presión externa solamente.
Cilindro de pared gruesa con presión interior y exterior iguales.
Cilindro dentro de un medio elástico infinito.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
cilindros de pared gruesa sometidos a cilindros de pared gruesa sometidos a presión interna y externapresión interna y externa
Cilindro sometido a esfuerzo plano Cilindro sometido a esfuerzo plano σσzz=0,cilindros abiertos o cortos =0,cilindros abiertos o cortos
(discos)(discos)
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
cilindro sometido a esfuerzo planocilindro sometido a esfuerzo plano
r
CrCru 2
1
0
11
11
221
221
z
r
r
ECEC
r
ECEC
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
A partir de las ecuaciones de esfuerzo plano, haciendo T(r)=0 y w=0
Condiciones de bordeCondiciones de borde
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
21
22
12
122
22
21
22
212
22
11
1
1
rr
PrPr
EC
rr
PPrr
EC
DesplazamientoDesplazamiento
2
2
1
222
1
2
11
21
22
22
21
11
1111
rr
PKy
rr
PKdonde
r
rr
E
K
r
rr
E
Kru
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
EsfuerzosEsfuerzos
0
11
11
2
12
2
21
2
12
2
21
z
r
r
rK
r
rK
r
rK
r
rK
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
21
12
2
21
2
12
2
21
2
1111
1111
KKE
r
r
E
K
r
r
E
K
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a deformación Cilindros sometidos a deformación plana plana zz=0; extremos del cilindro =0; extremos del cilindro
restringidos o cilindros muy largosrestringidos o cilindros muy largos
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
cilindros sometidos e deformación planacilindros sometidos e deformación plana
r
CrCru 2
1
211
2
1211
1211
1
221
221
CE
r
ECEC
r
ECEC
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
A partir de las ecuaciones de deformación plana tenemos haciendo T(r)=0 y w=0 tenemos:
Condiciones de borde
2
12
2
212
22
12
21
22
12
122
21
1
211
rr
PPrr
EC
rr
PrPr
EC
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Desplazamiento en función de las Desplazamiento en función de las presiones interna y externapresiones interna y externa
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
rrr
PPrr
Er
rr
PrPr
Eru
112112
12
2
212
22
12
12
2
12
122
2
Esfuerzos en función de las Esfuerzos en función de las presiones interna y externapresiones interna y externa
21
22
22
212
1
21
22
222
211
221
22
122
22
1
21
22
222
211
221
22
122
22
1
2
1
1
rr
PrPr
rr
rPrP
rrr
PPrr
rr
rPrP
rrr
PPrr
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
2
2
1
222
1
2
11
21
2
2
22
2
1
11
21211
rr
PKy
rr
PKdonde
r
rrK
r
rrK
Eru
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Los esfuerzos y deformaciones anteriores pueden ser escritos también de la siguiente manera
EsfuerzosEsfuerzos
21
2
12
2
21
2
12
2
21
2
11
11
KK
r
rK
r
rK
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
0
21211
21211
2
12
2
21
2
12
2
21
z
r
r
rK
r
rK
E
r
rK
r
rK
E
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros con tapas (Cilindros con tapas (σσzz y y zz diferentes diferentes
de cero)de cero)
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros con tapas (Cilindros con tapas (σσzz y y zz diferentes de diferentes de
cero)cero)
z
r
r
r
z
r
r
r
r
ECECrrETdrrT
r
E
r
ECECrdrrT
r
E
r
CrCru
1118
31
1118
3
22122
2
22122
2
21
1
1
Condiciones de bordeCondiciones de borde
2
12
2
212
22
12
21
22
22
212
11
1
1
rr
PPrr
EC
Err
PrPr
EC z
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Desplazamiento en función de las Desplazamiento en función de las presiones interna y externapresiones interna y externa
r
Errr
PPrr
Er
rr
PrPr
Eru z
111
21
22
212
22
12
12
2
22
212
1
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzos en función de las Esfuerzos en función de las presiones interna y externapresiones interna y externa
21
22
222
211
21
22
222
211
221
22
122
22
1
21
22
222
211
221
22
122
22
1
1
1
rr
rPrP
rr
rPrP
rrr
PPrr
rr
rPrP
rrr
PPrr
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
2
2
1
222
1
2
11
21
22
22
21
11
121121
rr
PKy
rr
PKdonde
r
rr
E
K
r
rr
E
Kru
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Los esfuerzos y deformaciones anteriores pueden ser escritos también de la siguiente manera
EsfuerzosEsfuerzos
21
2
12
2
21
2
12
2
21
11
11
KK
r
rK
r
rK
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
21
2
12
2
21
2
12
2
21
21
121121
121121
KKE
r
r
E
K
r
r
E
K
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindro de pared gruesa sometido a Cilindro de pared gruesa sometido a presión interna solamentepresión interna solamente
Cilindros sometidos a presión interior en esfuerzo plano σz=0.
Cilindros sometidos a presión interior en deformación plana z=0.
Cilindros sometidos a presión interior con tapas σz y z diferentes de cero.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión interior Cilindros sometidos a presión interior en esfuerzo plano en esfuerzo plano σσzz=0=0
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rr
E
Kru
11 22
21
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
12
1
2
11
rr
PKdonde
EsfuerzosEsfuerzos
0
1
1
2
21
2
21
z
r
r
rK
r
rK
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
1
2
21
2
21
2
11
11
KE
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzo tangencial máximo y Esfuerzo tangencial máximo y mínimomínimo
12min
2
1
211max
2
1
Krr
r
rKrr
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Espesor relativoEspesor relativo
1
12
21
2
1
2
21
12
rr
rr
rrrr
r
t
pro
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Distribución de los esfuerzos en un Distribución de los esfuerzos en un cilindro de pared gruesa sometido a cilindro de pared gruesa sometido a
presión interiorpresión interior
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Valores para cilindro hueco, sometido Valores para cilindro hueco, sometido a presión interiora presión interior
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión interior Cilindros sometidos a presión interior en deformación plana en deformación plana zz=0=0
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rrK
Eru
22
2
1
211
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
12
1
2
11
rr
PKdonde
Esfuerzos
1
2
21
2
21
2
1
1
K
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
0
211
211
2
21
2
21
z
r
r
rK
E
r
rK
E
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión interior Cilindros sometidos a presión interior con tapas con tapas σσzz y y zz diferentes de cero diferentes de cero
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rr
E
Kru
121 22
21
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
12
1
2
11
rr
PK
EsfuerzosEsfuerzos
1
2
21
2
21
1
1
K
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
1
2
21
2
21
21
121
121
KE
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindro de pared gruesa sometido a Cilindro de pared gruesa sometido a presión externa solamentepresión externa solamente
Cilindros sometidos a presión exterior en esfuerzo plano σz=0.
Cilindros sometidos a presión exterior en deformación plana z=0.
Cilindros sometidos a presión exterior con tapas σz y z diferentes de cero.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Distribución de los esfuerzos en un Distribución de los esfuerzos en un cilindro de pared gruesa sometido a cilindro de pared gruesa sometido a
presión exteriorpresión exterior
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión Cilindros sometidos a presión exterior en esfuerzo plano exterior en esfuerzo plano σσzz=0=0
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rr
E
Kru
11 21
22
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
2
2
1
22
1
rr
PK
EsfuerzosEsfuerzos
0
1
1
2
12
2
12
z
r
r
rK
r
rK
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
2
2
12
2
12
2
11
11
KE
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzo tangencial máximo y Esfuerzo tangencial máximo y mínimomínimo
2
2
2
12min
2max
1
2
Pt
r
r
rK
K
propro
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Valores para un cilindro sometido a Valores para un cilindro sometido a presión exteriorpresión exterior
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión Cilindros sometidos a presión exterior en deformación plana exterior en deformación plana zz=0=0
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rrK
Eru
21
2
2
211
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
2
2
1
22
1
rr
PK
EsfuerzosEsfuerzos
2
2
12
2
12
2
1
1
K
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
0
211
211
2
12
2
12
z
r
r
rK
E
r
rK
E
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros sometidos a presión Cilindros sometidos a presión exterior con tapas exterior con tapas σσzz y y zz diferentes diferentes
de cerode cero
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DesplazamientoDesplazamiento
r
rr
E
Kru
121 21
22
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
2
2
1
22
1
rr
PK
EsfuerzosEsfuerzos
2
2
12
2
12
1
1
K
r
rK
r
rK
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
2
2
12
2
12
21
121
121
KE
r
r
E
K
r
r
E
K
z
r
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros de pared gruesa con Cilindros de pared gruesa con presión interior y exterior igualespresión interior y exterior iguales
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
P
Pr
Cilindro dentro de un medio elástico Cilindro dentro de un medio elástico infinitoinfinito
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
EsfuerzosEsfuerzos
1
2
1
1
2
1
Pr
r
Pr
rr
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
DeformacionesDeformaciones
1
2
1
11
1
1
Pr
r
E
Pr
r
Er
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzo Cortante MáximoEsfuerzo Cortante Máximo
2231
maxr
rrr
PPrr 11
12
2
212
22
1max
En vista de que σθ normalmente es de tensión, mientras que σr es de compresión y ambos exceden a σz en magnitud, por lo tanto:
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cambio de las dimensiones del Cambio de las dimensiones del cilindrocilindro
Cambio de diámetro
Cambio de longitud
zrE
rrD
22
rzz E
LLL
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros compuestosCilindros compuestos
El método de solución para cilindros compuestos es descomponer el problema en tres efectos separados:
- Presión por contracción sólo en el cilindro interior (cilindro).
- Presión por contracción sólo en el cilindro exterior (camisa).
- Presión interna sólo en el cilindro compuesto.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros compuestosCilindros compuestosMecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Cilindros compuestosCilindros compuestos
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
(Ea, a)
(Eb, b)
Esfuerzos tangenciales para el Esfuerzos tangenciales para el cilindrocilindro
12
22
12
3
21
22
23
21
22
21
22
2
121
23
21
23
21
22
22
1
'
'
2
Prrr
rrrP
rr
rrrr
Prr
rrP
rr
rrr
c
c
B
c
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzos tangenciales para la Esfuerzos tangenciales para la camisacamisa
3121
23
21
22
23
22
2122
21
23
21
22
23
22
23
22
23
22'
'
rrenPrr
rP
rr
r
rrenPrrr
rrrP
rr
rr
c
c
A
B
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzos radiales para el cilindroEsfuerzos radiales para el cilindro
212
22
12
3
21
22
23
11
'
'
rrenPrrr
rrrP
rrenP
cr
r
B
C
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Esfuerzos radiales para la camisaEsfuerzos radiales para la camisa
3
2122
21
23
21
22
23
0'
'
rren
rrenPrrr
rrrP
A
B
r
cr
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Presión de contactoPresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
En el diseño de cilindros compuestos es importante relacionar la diferencia de diámetro de los cilindros acoplados con los esfuerzos que se producirán. Esta diferencia de diámetros (tolerancia) se obtiene generalmente por contracción, es decir, calentando el cilindro exterior hasta que se deslice libremente en el cilindro interior, cuando el cilindro exterior se enfría y se contrae sobre el cilindro interior se obtiene la presión de contacto
presión de contactopresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Sea δb y δa los cambios de diámetro del cilindro exterior e interior respectivamente, y puesto que la deformación perimetral es igual a la deformación diametral, se tiene que:
abrr ab 22
presión de contactopresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
22
22
1
1
rrrrE
rrrrE
bbb
aaa
rbb
raa
cilindro
camisa
donde
presión de contactopresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
cr
c
Prr
Prr
rrrr
a
a
2
21
22
21
22
2
El esfuerzo tangencial y radial para el cilindro viene dado por:
presión de contactopresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
cr
c
Prr
Prr
rrrr
b
b
2
22
23
23
22
2
El esfuerzo tangencial y radial para la camisa viene dado por:
presión de contactopresión de contacto
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
bb
c
aa
c
rr
rr
E
P
rr
rr
E
P
b
a
22
23
23
22
21
22
21
22
Sustituyendo los esfuerzos anteriores en las ecuaciones de deformaciones obtenemos:
Presión de contactoPresión de contacto
bb
aa
c
rrrr
Er
rrrr
Er
rP
22
23
23
222
21
22
21
222
bb
ca
a
c
rr
rr
E
Pr
rr
rr
E
Prr
22
23
23
222
21
22
21
222
Donde:
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
presión de contactopresión de contacto
2
12
3
22
23
21
22
322 rr
rrrr
r
rEPc
Si Ea = Eb = E y a = b =
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Ajustes de interferenciaAjustes de interferencia
Los ajustes de interferencia so aquellos en los que la pieza interior es mas grande que la exterior y requiere la aplicación de una fuerza “F” durante el ensamble. Una vez terminado el ensamble se presenta cierta deformación de las piezas y existe presión (presión de contacto) en la superficie que se ensambla. Después del ensamble no se genera movimiento entre las piezas, pero no existe un requisito particular para la presión resultante entre las piezas que se ajusten. Los ajustes de interferencia pueden ser de dos clases: ajustes forzados y ajustes por encogimiento.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Ajustes forzadosAjustes forzados
FN1: Ajuste de impulso ligero. Sólo se requiere ligera presión para ensamblar las piezas. Se utilizan para partes frágiles y donde no deban transmitirse fuerzas considerables mediante unión.
FN2: Ajuste de impulso medio. Clase de propósito general que se emplea a menudo para piezas de acero cuya sección es moderada.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Ajuste forzadoAjuste forzado
FN3: Ajuste de impulso pesado. Se utiliza para piezas de acero pesadas.
FN4: Ajuste de fuerza. Se utiliza para ensambles de alta resistencia donde se requiere altas presiones resultantes.
FN5: Ajuste de fuerza. Similar a la clase FN4 pero se utiliza cuando se requiere presiones mas altas.
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Ajustes de fuerza y por encogimientoAjustes de fuerza y por encogimiento
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Ajustes de fuerza y por encogimiento Ajustes de fuerza y por encogimiento (continuación de la tabla)(continuación de la tabla)
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa
Fuerza normal, Fuerza de fricción Fuerza normal, Fuerza de fricción entre las superficies de contacto y entre las superficies de contacto y torque máximo admisible antes de torque máximo admisible antes de
que se produzca deslizamientoque se produzca deslizamiento
LrPrFT
LrPNF
LrPN
c
c
c
222
2
2
2
2
2
Mecánica de materiales-Cilindros de pared gruesa