INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA LAGUNA
TALLER SOLIDWORKS SIMULATION
Foro académico 2010 |
Juan Manuel Jiménez Israel Montoya Pérez Ricardo Casas Carrillo Ricardo Vargas García Omar Adolfo Carrillo Castro Ruth Yadira Vidaña Morales Ismael Arellano Ruiz David Morales Morales
Índice Introducción…………………………………………………………………………………………………………………………………………3 Dibujando la biela………………………………………………………………………………………………………………………………..4 Introducción a Solidworks Simulation…………………………………………………………………………………………………12 Introducción al análisis estático…………………………………………………………………………………………………………..12 Cálculos preliminares para análisis estático…………………………………………………………………………………………12 Análisis estático……………………………………………………………………………………………………………………………………13 Análisis de fatiga………………………………………………………………………………………………………………………….……….17 Introducción a Ensamblajes…..…………………………………………………………………………………………………………….28
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Introducción. Solidworks Simulation es una poderosa herramienta para el diseño en ingeniería mecánica ya que permite someter sus diseños a las condiciones que se enfrentaran en el mundo real y ver como se comportaran ante estas, brindándonos la posibilidad de optimizarlos con un máximo rendimiento, ahorro y reduciendo el tiempo considerablemente. En este curso se pretende darle al estudiante de ingeniería Mecánica/Mecatrónica la capacidad de usar los análisis estáticos y de fatiga incluidos en Solidworks Simulation para analizar el comportamiento de distintos elementos mecánicos determinando los esfuerzos máximos a los que se someterá una pieza, las deformaciones que presenta, los factores de seguridad, así como la realización de ensamblajes y simulación de movimiento entre los distintos elementos de un sistema mecánico. ¿Qué es CAE? Ingeniería asistida por computadora (CAE), es el conjunto de programas informáticos que permiten analizar y simular los diseños de ingeniería realizados con la computadora para valorar sus características, propiedades, viabilidad y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo y consecuentes costos de fabricación y reducir al máximo las pruebas para la obtención del producto deseado. Análisis del elemento finito En la ingeniería mecánica, analizar vigas, barras simples, y otras piezas se puede realizar con una dificultad relativamente baja por medio de métodos analíticos, pero en la vida real, las piezas y estructuras suelen tener una complejidad tan alta que obliga al diseñador a recurrir a métodos de aproximación, experimentación o métodos numéricos. En diseño de elementos mecánicos es común el uso de programas computacionales para el diseño asistido por computadora (CAD) que incluyen el Método del elemento finito (FEM), cuyas aproximaciones a los resultados suelen ser muy precisas. La técnica de análisis por elementos finitos (AEF) consiste en dividir la geometría en la que se quiere resolver una ecuación diferencial de un campo escalar o vectorial en un dominio, en pequeños elementos, teniendo en cuenta unas ecuaciones de campo en cada elemento, los elementos del entorno de vecindad y las fuentes generadoras de campo en cada elemento. Habitualmente, esta técnica es muy utilizada en el ámbito de la ingeniería debido a que muchos problemas físicos de interés se formulan mediante la resolución de una ecuación diferencial en derivadas parciales, a partir de cuya solución es posible modelar dicho problema (transmisión del calor, electromagnetismo, cálculo de estructuras, etc). Esta técnica se encuentra incluida en distintos programas de computadora comerciales, entre ellos, Solidworks.
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Dibujando la biela 1. Hacemos clic sobre la pestaña Croquis, y luego sobre el icono Croquis en el lado izquierdo.
2. Insertamos un croquis sobre el plano alzado.
3. Insertamos un circulo de 21mm de radio en con centro en el origen.
4. Creamos un circulo cuyo centro tenga relación vertical con el origen con un radio de 7.5mm
5. 160mm
Acotamos la distancia entre centros de ambos círculos con un calor de
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6.
Fijamos la posición de ambos círculos dando clic derecho sobre la
circunferencia y después en el icono
7.
Ahora trazaremos una línea constructiva entre centros.
8. Creamos un circulo concéntrico de r=15mm sobre el círculo de arriba, y uno de r=30mm sobre el círculo de abajo.
9. Seleccionamos la opción línea, colocamos el cursor sobre el contorno del círculo exterior de arriba y creamos una línea tendiendo hacia la izquierda (es importante no hacerla paralela a la línea constructiva)
10. Agregamos una cota y le asignamos un valor de 120mm a la línea, y creamos otra línea del otro lado del circulo acotada del mismo modo.
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11. Acotamos el valor del diámetro del círculo exterior de arriba con un valor de 30mm de diámetro.
12. Agregamos una relación Tangente a el circulo superior con respecto a cada línea, para después efectuar la misma operación con el circulo inferior.
13. Acotamos el ángulo de inclinación de ambas líneas con respecto a la línea constructiva vertical con un ángulo de 2°.
14. Agregamos una línea horizontal que cruce con el centro del círculo inferior acotando la distancia de cada punto de sus extremos con respecto a el centro a una distancia de 45 mm.
15. Desde cada uno de los extremos de la línea, creamos una línea hacia arriba acotada a 15mm
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16. Insertamos un arco tres puntos entre los extremos de la línea de 15 cm y la línea tangente con un radio aproximado al que se muestra en la imagen.
17. Aquí se muestra una vista del croquis terminado
18. Procedemos a extruir el croquis en dos direcciones (7mm a cada lado), seleccionando los contornos mostrados en la imagen.
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19. Cambiamos la vista de la pieza a la cara frontal como se muestra en la siguiente figura e insertamos un croquis sobre dicha cara.
20. Dibujamos el siguiente croquis sobre la cara seleccionada.
21. Agregamos un redondeo con 5mm de radio a las cuatro esquinas del rectángulo
22. Sin cerrar el croquis, seleccionamos la operación “Extruir-Corte” con una profundidad de 5mm.
23. Insertamos un croquis en la cara frontal y realizamos el siguiente dibujo, insertando un circulo, convirtiendo entidades de la pieza y dándole una relación de tangencia a el circulo externo con los arcos tres puntos.
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24. Seleccionamos los contornos mostrados en la imagen y procedemos a extruir a 5mm.
25. Realizamos la misma acción para el circulo superior, tomando en cuenta que los dos círculos que se dibujan sobre este son concéntricos, y que el de mayor diámetro debe ser co-radial con el radio de la parte superior de la pieza, como se muestra en la imagen, una vez dibujado el croquis procedemos a extruir 5mm.
26. Agregamos un redondeo de 4mm a las aristas mostradas en la imagen.
27. Agregamos un redondeo de 2mm a las aristas mostradas en esta imagen
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28. En este momento, nuestra biela debe lucir de la siguiente manera:
29. Procedemos a aplicar simetría de operaciones con respecto al plano Alzado, y seleccionando todas las operaciones anteriormente realizadas, con lo cual obtenemos el siguiente resultado.
30. Por ultimo insertamos un croquis en cualquiera de las dos caras planas inferiores y dibuamos un circulo con acotaciones como muestra la imagen, y aplicamos simetría de croquis con respecto a la línea constructiva.
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31. Sin cerrar el croquis, seleccionamos Extruir corte Por todo como se muestra en la imagen.
32. Una vez terminada la biela debe tener el siguiente aspecto:
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SolidWorks Simulation SolidWorks Simulation es una poderosa herramienta para el diseño en ingeniería mecánica, ya que permite probar los productos antes de ser construidos con la finalidad de encontrar defectos en los mismos dándonos la oportunidad de optimizar el diseño y conocer con gran precisión en qué momento nuestros productos fallaran. Por medio de Solidworks Simulation el estudiante podrá someter sus diseños a las mismas condiciones que enfrentarán en el mundo real, esfuerzos, calor, flujo de aire, y mucho más. No hay necesidad de esperar a que un producto ha sido fabricado para comenzar a probar nuestro producto. En este curso, se utilizaran las herramientas Análisis estático y Análisis de fatiga incluidas en Solidworks Simulation para diseñar una biela de un motor obteniendo los esfuerzos a los que se somete la pieza, el Factor de Seguridad mínimo, la deformación máxima, además de el tiempo de vida de la pieza por medio del análisis de fatiga.
Introducción al Análisis estático Una vez dibujada la pieza, se someterá a las condiciones de trabajo a las que se enfrentara mientras el motor está trabajando. Para realizar dicho procedimiento se requiere que el estudiante lea con atención cada paso indicado a continuación.
Cálculos preliminares Antes de comenzar a resolver en análisis debemos tomar en cuenta las consideraciones de trabajo a las que se somete el motor. Sabemos que un motor con una cilindrada como la del diseño al que aplicaremos usualmente presenta una potencia de 44.74kW (60 hp) a 9000 rpm, con lo cual podemos obtener el Par máximo de la siguiente manera:
Una vez obtenido el torque se procede a determinar las cargas F1 que sería en el peor de los casos, es decir, si se llegara a realizar una pre ignición, ya que la carga sería completamente axial.
Además se calculo la carga F2 cundo el pistón se encuentra a la mitad de la carrera. Haciendo el análisis del mecanismo para dicha posición obtenemos un ángulo entre la biela y el cigüeñal de 75.52°, por lo tanto.
A continuación se muestran los pasos para la realización del análisis estático de F2.
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Análisis estático 1.
Selecciona la pestaña Simulation en el Administrador de comandos.
2. Haz clic en la flecha debajo del icono Estudio y selecciona la opción Nuevo Estudio
3.
Aparecerán las siguientes opciones en el Property Manager, en el cual se selecciona la opción Estático y se le asigna el nombre de “Análisis de F2 (1140.33N)” como se muestra en la imagen.
4. Para agregar las condiciones frontera del problema, primeramente se selecciona la operación Geometría Fija, dentro del menú Sujeciones en el administrador de comandos.
5.
Se abrirá la siguiente ventana, y a continuación se seleccionara en las áreas donde hacen contacto los pernos.
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6. Se repetirá el paso cuatro, pero ahora seleccionando la opción Bisagra Fija y seleccionando el área en que la biela hace contacto con el cigüeñal.
7.
Una vez definidas las condiciones frontera de la biela, se procede a agregar las fuerzas a las que será sometida la biela, utilizando la operación Fuerza en el menú Cargas externas del administrador de comandos.
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8. Una vez realizado el paso 7, el siguiente menú se hará visible en el Property Manager, y para aplicar la F2y se seleccionará la cara que hace contacto con el pistón, en seguida se activa la opción Dirección Seleccionada y en el Feautre Manager se selecciona el plano Planta. Por último se escribe el valor de la Fuerza y si es necesario, se activa la casilla invertir dirección para que la fuerza quede hacia abajo (como muestran las flechas moradas en el área de aplicación de la carga).
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Para agregar la carga F1x se repiten los pasos 7 y8, pero con las variaciones indicadas en la siguiente imagen:
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10. Una vez aplicadas las cargas, se procede a realizar el análisis seleccionando la operación Ejecutar en el menú Ejecutar del administrador de comandos. A continuación se mostrara una barra de tiempo con el nombre “Mallando” que indica que se está creando la malla para realizar los cálculos por medio del método del elemento finito. Una vez completada, se mostrara otra barra de tiempo llamada “Análisis estático lineal” la cual efectúa los cálculos necesarios. Una vez completada, se muestran en el Feature Manager los resultados obtenidos, los cuales se pueden observar haciendo doble clic sobre ellos.
En esta imagen se muestran los tres resultados obtenidos por default al realizar un estudio estático, a continuación se muestran las imágenes de los resultados obtenidos en cada uno.
11.-Para obtener los Factores de seguridad en la pieza se selecciona la opción Factor de seguridad en el submenú Nuevo trazado del menú de Resultados en el administrador de comandos.
Al realizar esta operación, aparecerá en el Feature Manager otra pestaña indicando el resultado del análisis de Factores de seguridad.
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Análisis de Fatiga Para realizar un análisis de Fatiga en SolidWorks, primeramente es necesario haber realizado un análisis estático, el cual se usara como un “suceso” o “evento” al realizar el análisis. A continuación se muestra un ejemplo de un análisis de fatiga a la biela con la que anteriormente hemos estado trabajando.
1. Primeramente, se selecciona la opción Aplicar/Editar material como lo muestra la imagen
2. A continuación se muestra el siguiente menú, en el cual se seleccionan las opciones que se muestran subrayadas:
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3. Para agregar un suceso, se selecciona la opción con el mismo nombre como se muestra en la imagen.
4. A continuación, se muestra el siguiente menú en el Feature Manager:
Para este ejemplo, se establecen 1000 ciclos para comprobar el daño y los ciclos de vida restantes después de mil ciclos de uso de la biela. En tipo de Carga seleccionamos con base en 0 ya que la carga va desde 1140 a compresión, hasta 0.
5. Una vez agregado el suceso, presionamos el botón en el administrador de comandos, para que Solidworks realice los cálculos necesarios para mostrar el daño y la vida después de el número de ciclos a las cargas indicadas. Lo cual nos genera los siguientes resultados:
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Como podemos ver, para dichas cargas y numero de ciclos, el daño por fatiga es mínimo, y como nos lo muestra la segunda imagen, la vida mínima de la pieza sería de un millón de ciclos mas. Para poder notar los efectos que causa la fatiga sobre la pieza se ha decidido incremental los esfuerzos multiplicándolos por 1000, al igual que el número de ciclos, obteniendo los siguientes resultados:
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Ensamblajes A lo largo del curso, se llevó a cabo el dibujo de una biela, para después realizar los análisis tanto estático como de fatiga con la finalidad de entender el comportamiento de la misma al someterla a sus condiciones reales de trabajo. Como último paso en este curso se llevara a cabo el ensamble de la pieza en su entorno de trabajo, de manera que mas delante se pueda llevar a cabo un análisis del movimiento de los distintos mecanismos presentes.
La realización de ensamblajes consiste básicamente en definir relaciones de posición entre unos elementos con otros, permitiéndoles o bloqueándoles ciertos movimientos. Existen distintas clases de relaciones de posición. Entre las estándar se encuentran:
Coincidente Paralela Perpendicular Tangente Concéntrica Bloquear Distancia Angulo Además existen las relaciones de posición mecánicas entre las cuales se encuentran:
Leva Bisagra Engranaje Piñón de cremallera Tornillo Junta universal
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Cabe mencionar el que también existen las relaciones de posición avanzadas, las cuales no se mencionaran en este tutorial.
Procedimiento para ensamblar la biela 1. Primeramente, seleccionamos la opción “Insertar componente” en el administrador de comandos, entonces se muestra el siguiente menú, donde se muestran las piezas abiertas, entonces seleccionamos la biela y la arrastramos al ensamblaje.
2. Ocultamos las piezas que no impiden la vista de la sección donde se ensambla la biela. Para ocultar las piezas, das clic derecho sobre ella en el gestor de diseño y seleccionas el icono “ocultar” . Las piezas a ocultar son el monoblock, la camisa, la tapa lateral y la cabeza ( si es necesario se pueden ocultar todas las demás que obstruyan la visión, otra forma de ocultarlas es dando clic sobre ellas y seleccionando el mismo icono “Ocultar”)
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3. Como primer paso en el ensamblaje, seleccionamos las aristas donde se ubicaran los pernos tanto en la biela como en la base de la biela. Dando clic en el icono seleccionamos la opción Coincidentes, ocasionando que la figura quede de la siguiente manera.
4. Ahora seleccionamos las caras de la biela y la base mostradas en la imagen, y agregamos una relación de coincidencia entre ellas.
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5. Como podemos ver en esta imagen, el movimiento de la biela aun no está completamente definido, ya que aun puede tener movimiento sobre el eje Z.
Para evitar esto tenemos que restringir completamente el movimiento de la misma, así que ahora agregaremos una relación de concentricidad entre la arista interior de la parte superior de la biela, y la arista del perno ensamblado anteriormente en el pistón.
6. Como último paso, daremos una relación de posición de coincidencia entre las caras de la biela y el seguro mostradas en la imagen, de esta manera, el movimiento de la biela quedara
completamente definido.
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Procedimiento para ensamblar los balancines En el ensamble anterior pudimos ver la aplicación de algunas relaciones de posición estándar. Mas sin embargo, en la mayoría de los casos, al simular maquinas, es necesario aplicar otro tipo de relaciones, conocidas como relaciones mecánicas. Para este ejemplo, se tratará de explicar de la manera mas clara posible el manejo de la relación “Leva” y el cómo transmitir el movimiento de la misma de un elemento a otro. Como sabemos, en este mecanismo el árbol de levas gira generando un movimiento del balancín o seguidor en función de la posición de la leva, transmitiendo ese movimiento oscilatorio en un movimiento lineal que abre o cierra las válvulas de admisión o escape.
1. Una vez insertada la pieza en el ensamble, se acerca a la sección donde será ensamblado como se muestra en la figura, y lo giramos para ponerlo aproximadamente en la posición que se
ensamblara utilizando la función “Girar componente”
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.
2. Como siguiente paso, seleccionamos las aristas de la Flecha de Balancín 2 y del balancín mostradas en la imagen y agregamos una relación de coincidencia.
3. Ahora damos clic derecho en la leva que hará contacto con el balancín y seleccionamos la opción
“Seleccionar tangencia”. Una vez hecho esto, seleccionamos relaciones de posición “Leva”. En el cuadro “empujador de, seleccionamos la cara del balancín mostrada en la imagen:
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Una vez seleccionadas cuales son la leva y cual el empujador de leva, el ensamble tomara automáticamente la siguiente posición.
Como podemos apreciar en esta imagen, ya se aplico la relación leva y seguidor, ahora al girar el árbol de levas el balancín cambiara su posición en relación con la de la leva, mas sin embargo a un no se ha relacionado con la válvula, es decir, aun moviéndose el balancín, la válvula no presenta ningún movimiento 4. Para relacionar el movimiento del balancín con el de la leva, utilizaremos la relación seleccionando la cúpula debajo del balancín y la cara superior de la válvula, como se muestra en las siguientes imágenes:
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Al agregar esta relación, quedara listo nuestro ensamble convirtiendo el movimiento rotatorio del árbol de levas en un movimiento axial. En la siguiente imagen se muestra el ensamble final.
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Procedimiento para ensamblar la correo
Antes de comenzar, cabe mencionar que aunque la apariencia de la correa usada en este modelo es cosmética, cumple perfectamente con su función de transmitir el movimiento del cigüeñal al árbol de levas. La relación de velocidad entre cada polea fue definida desde su diseño, dándole a la polea del cigüeñal el doble de diámetro que la del árbol de levas consiguiendo así que por cada dos vueltas del cigüeñal se genere una vuelta del árbol de levas, mas sin embargo, en caso de que esta relación no fuera precisa, se puede agregar al crear la correa. Para crear la correa se deben seguir los siguientes pasos:
1. Seleccionamos la opción “Correa/Cadena” ensamblaje del Administrador de comandos.
en Operaciones de
2. En la sección del menú llamada “miembros de correa seleccionamos las caras externas de los engranes como se muestra en la figura.
Polea del cigüeñal
Polea del monoblock
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Una vez seleccionadas las caras externas de las poleas, la correa tomara la siguiente forma:
3. Como se mencionaba en la introducción a la relación de la correa, se pueden definir fácilmente los diámetros de las poleas al insertar la correa, pero para este caso ya que los diámetros de las poleas fueron diseñados en base a la relación 2 a 1 que se requiere, se dejaran lo diámetros que se muestran por default.
4. Activamos las casillas “Crear pieza de correa” y “Usar espesor de la correa” agregándole un espesor de 5mm.
5. Para convertir la línea que se muestra en el ensamble en un sólido, cerramos el ensamblaje. Se pedirá guardar el archivo de la correa, presionamos el botón Guardar.
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6. En la ventana que se abrirá a continuación seleccionamos “Guardad externamente”, seleccionamos especificar ruta y le damos la misma ubicación del ensamblaje.
7. Abrimos el documento de la correa y dibujamos el siguiente croquis en el plano “Vista Lateral”
En esta imagen podemos visualizar el croquis de la correa indicado con la flecha roja y el croquis, la posición no es importante.
8. Ahora seleccionamos el centro del rectángulo y cualquier línea de la correa agregándoles una relación de posición “Perforar” croquis.
y guardamos el
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9. Ahora hacemos un barrido utilizando como perfil el cuadrado que dibujamos y como trayectoria el croquis de la correa.
10. Editamos el color de la pieza seleccionando negro. Guardamos la pieza y al reconstruir el motor la banda ya tendrá la forma estética.
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Análisis térmico del monobloc Una de las aplicaciones mas importantes de Solidworks Simulation es la capacidad de realizar análisis térmicos con la finalidad de conocer la distribución de temperatura sobre una pieza dándonos la posibilidad de rediseñar de mejor manera para lograr una distribución más uniforme. Para realizar el análisis térmico del monoblock se siguen los siguientes pasos:
1.- En la pieza “monoblock” y aplicamos un nuevo estudio, “Térmico”.
2.- Sobre la opción “Cargas térmicas” seleccionamos “Radiación”.
3.- En la opción “Tipo” seleccionamos “superficie a ambiente”, y seleccionamos el área interna del monoblock señalada en la figura:
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4.- En los parámetros de radiación aplicaremos una temperatura de 300 °C y un 1 en radiación y en factor de vista y damos clic en aceptar.
5.- Ahora damos clic en la opción “Temperatura” en “Carga Térmica”, y seleccionamos las caras superiores e inferiores de todos los nervios como se indica en la figura. En el valor de temperatura seleccionamos 50° C y damos clic en aceptar.
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6.- Damos clic en Ejecutar y obtenemos una imagen térmica de como varía la temperatura en la pieza.
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Análisis estático del cigüeñal en caso de preignición 1.-Abrimos la pieza y creamos un nuevo estudio, “Estático” 2.- Hacemos clic en “Aplicar material”, y luego en “Archivos de biblioteca”, seleccionamos la opción “SolidWorks materials” y luego en Aceros, damos click en AISI 1010 Barra de acero laminado en caliente y damos click en aceptar.
3.- En sujeciones, seleccionamos la opción “Geometría fija” y seleccionamos las caras donde van colocados los rodamientos, como se indica en la figura.
4.- En “Cargas externas” seleccionamos la opción Fuerza. Seleccionamos la cara donde va la biela, y en dirección seleccionada, seleccionamos el plano “Planta”.
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5.- En el cuadro “Fuerza” asignamos en la opción “normal al plano” un valor de 5000N y activamos la casilla “invertir dirección”
6.- Damos click en “Ejecutar” y obtenemos el análisis.
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7.- En “Resultados” seleccionamos “Nuevo trazado”, “Factor de seguridad”. Damos click en aceptar y obtendremos un nuevo análisis del factor de seguridad del cigüeñal.
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