Métodos de Optimización en el Diseño de Ingeniería
La optimización del diseño en ingeniería implica la aplicación de diversos métodos y consideraciones para lograr soluciones eficientes y seguras. A continuación, se describen algunos de los métodos clave:
Elaboración de Variantes
Consiste en explorar diferentes métodos o alternativas para encontrar soluciones racionales a un problema de diseño. Esto permite evaluar múltiples opciones y seleccionar la más adecuada.
Método de Inversión
Implica invertir la función, forma y disposición de las piezas en un sistema o estructura. Esta técnica puede revelar nuevas perspectivas y soluciones innovadoras.
Método de Semejanza
Se utiliza ampliamente en la construcción de motores de combustión interna. Se basa en la similitud geométrica y considera parámetros como resistencia, rigidez y carga térmica para escalar diseños.
Series Unificadas
Se refiere a la fabricación de motores con cilindros individuales, en lugar de agrupados en un bloque. Esto permite crear motores con diferentes números de cilindros, ofreciendo flexibilidad en la producción.
Consideraciones Críticas en el Diseño Estructural
Además de los métodos de optimización, es fundamental considerar varios factores críticos que afectan la integridad y el rendimiento de las estructuras:
Sección Crítica
Es el área de una pieza o estructura donde se combinan momentos de torsión, momentos flectores, cargas, tensiones normales y tensiones tangenciales. Identificar las secciones críticas es crucial para adoptar un diseño de cuadro adecuado.
Concentración de Tensiones
Se produce debido a variaciones bruscas de sección y entalladuras. Esta concentración puede dar origen a fisuras. Se calcula como: Tensión máxima = Coeficiente de forma (Ak) * Tensión media.
Desgarre Laminar
Ocurre debajo de cordones de soldadura, especialmente en chapas con espesores superiores a 25 mm. Es causado por concentraciones térmicas en juntas soldadas. Se detecta mediante ensayos no destructivos, como el ultrasonido.
Secciones Racionales
Implica dar a las piezas la forma que mejor aproveche la resistencia mecánica y la rigidez, según el tipo de carga aplicada. Esto permite obtener diseños con menor peso y volumen.
Cargas Racionales
Aplicar cargas racionales sobre las piezas permite una mejor utilización del material y reduce el peso de la construcción. Por ejemplo, en un perfil doble T sometido a flexión, la soldadura debe realizarse en el centro, no en los extremos. Si la viga está en voladizo, la soldadura debe ubicarse en el centro y en los extremos para evitar cargas perpendiculares en la placa vertical.
Influencia de la Rigidez
Es crucial dar a las construcciones formas racionales que aumenten su rigidez y disminuyan su elasticidad. La rigidez influye significativamente en la magnitud de las tensiones, la estabilidad de la construcción y las condiciones de aplicación de la carga.
Orden de Cálculo para Verificación de Resistencia y Rigidez
El orden de cálculo es una secuencia sistemática para verificar la resistencia y rigidez de un elemento estructural. Se basa en los siguientes datos y pasos:
Datos
- Geometría de la pieza o estructura.
- Cargas actuantes.
- Propiedades mecánicas de los materiales.
- Grado de seguridad a adoptar (coeficientes de seguridad por resistencia (S) y rigidez (Fadm)).
- Vida útil de la estructura.
- Sobreespesor por corrosión.
- Evaluación económica (costos de fabricación y mantenimiento).
Cálculo (según norma DIN 19.704)
- Verificación de resistencia: Determinación de esfuerzos y tensiones principales.
- Verificación de rigidez: Cálculo de deformaciones máximas.
- Verificación de secciones críticas: Identificación de puntos con tensiones combinadas y concentración de tensiones.
- Verificación de estabilidad: Determinación de esfuerzos críticos principales.
- Cálculo de resistencia a la fatiga.
Este proceso iterativo asegura que el diseño cumpla con los requisitos de seguridad y rendimiento establecidos.