Estudio del efecto de pregarga en la deformación de una junta atornillada

Abstract

RESUMEN: El presente estudio se enfoca en evaluar cómo se relaciona la deformación radial de una tuerca estándar al ser apretada con la carga de tensión obtenida en el tornillo planteando un método alterno que aporte al conocimiento científico una herramienta complementaria para el cálculo de juntas atornilladas. Se analizan de manera teórica y experimental tuercas y tornillos estándar industriales tipo SAE Grado 2. Utilizando el método de elemento finito en ANSYS® se analizaron las deformaciones presentes en una tuerca al aplicar cargas estáticas axiales escalonadas, las cuerdas en la tuerca fueron simuladas utilizando elementos de contacto de fricción tipo “bolt thread” que distribuye las cargas y esfuerzos de acuerdo con los parámetros ingresados para el paso y diámetro de paso de la cuerda. Al aplicar las cargas se obtuvieron los valores y direcciones de las deformaciones unitarias presentes en la tuerca confirmando cualitativamente el fenómeno, demostrando analíticamente que al aplicar una carga se presenta una deformación radial en la tuerca. Se diseñó un experimento para medir dichas deformaciones directamente en la tuerca. El experimento permitió medir torque aplicado, tensión de apriete obtenida en el tornillo, elongación en el tornillo y deformaciones radiales en la tuerca. Se utilizó un equipo de ultrasonido y una celda de carga para las mediciones en el tornillo y torquímetro. Un micrómetro fue empleado para las mediciones en la tuerca. Los resultados de la experimentación fueron analizados estadísticamente para obtener la regresión lineal en Minitab® del fenómeno de deformación para después validar con experimentación adicional. ABSTRACT: The subject study is intended to evaluate how the radial nut deformation (also known as nut dilation) relates to the preload obtained in the bolt to provide the engineers alternate methods of accurately calculating the bolted joint during the design process. This study analyzes the tightening process both analytically and experimentally on standard SAE Grade 2 nuts and bolts. Utilizing finite element analysis ANSYS® the nut and bolt were subjected to static stepped axial loads, the threads on the nut and bolt were simulated using 3D “bolt thread” solid friction contact elements which distribute the loads and stresses based on input values for pitch and pitch diameter. The results of the analysis were used to verify how the nut deforms radially when applying an axial load on the bolt. An experiment was then designed to physically measure such deformations on the nut; during the experiment, the applied torque was controlled using a torque wrench and the preload, bolt elongation and nut dilation were measured using ultrasonic testing equipment, a load cell and digital micrometers. The results of the measurements were then analyzed statistically using Minitab® to obtain lineal regressions which were later validated using additional testing.