Diseño de un metamodelo para la selección automatizada de materiales usando gráficos de Ashby en el desarrollo de un nuevo producto

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

The selection of materials based on mechanical strength criteria is one of the most important stages in the design process, as an inadequate selection can directly affect the performance, durability, and economic viability of a product. Currently, there are various methods available to guide designers in selecting a specific material, taking into account the requirements of the developing design; methods range from the traditional approach, where the designer's experience is the main criterion for selection, to methods that use CAD and CAE programs to simulate the design under various scenarios and determine the most suitable material. However, the latter method involves significant use of computational resources and time because the designer must conduct a simulation for each available material to analyze the behavior of each one and thereby evaluate which is most appropriate for the design in question. Therefore, this work proposes a metamodel that allows the designer to save computational resources and time through a method where a standard parameter is obtained from finite element analysis of a single material. This parameter adjusts to test conditions, thereby providing approximate values of maximum Von Mises stress for a list of materials to be analyzed. This tool advises on material selection by providing predictions of maximum stresses for all available materials with only one finite element analysis execution. The first chapter of this document discusses the motivation behind its creation, the reasons for the research, and the objectives set forth. The second chapter provides context on the importance of materials throughout history, methodologies for designing a new product, methods used in material selection, and the definition and significance of metamodels. The third chapter presents the models and metamodels of Ashby's traditional method for mechanical strength criteria, as well as the model and metamodel for material selection based on finite element analysis results. At the end of this chapter, a model and metamodel are proposed to provide designers with approximate global information on the most suitable material to meet mechanical strength requirements based on estimated maximum Von Mises stresses. These values are estimated using specific proposed parameters derived from a single finite element analysis simulation. Finally, the limitations of the proposed metamodel are presented along with conclusions and bibliographic references.

Descripción

La selección de materiales bajo el criterio de resistencia mecánica es una de las etapas más importantes en el proceso de diseño ya que una inadecuada selección del mismo, puede afectar directamente el rendimiento, la durabilidad y la viabilidad económica de un producto. En la actualidad existen diversos métodos disponibles que permiten guiar a los diseñadores hacia la selección de un determinado material teniendo en cuenta los requerimientos que debe cumplir el diseño en desarrollo; métodos que van desde el enfoque tradicional, donde la experiencia del diseñador es el principal criterio de elección, hasta métodos donde utilizan programas CAD y CAE con el fin de simular el diseño ante diversos escenarios y determinar el material más adecuado. No obstante, este último método requiere un uso considerable de recursos computacionales y tiempo, ya que implica que el diseñador debe realizar una simulación para cada material disponible, con el fin de analizar el comportamiento de cada uno y de esta manera evaluar cuál es el más apropiado para el diseño en cuestión. Por lo tanto, en el presente trabajo se propone un metamodelo que permita ahorrar recursos computacionales y tiempo al diseñador mediante un método en el cual, a partir del análisis de elementos finitos de un único material, se obtenga un parámetro estándar que se ajuste a las condiciones de prueba y así se puedan obtener valores aproximados del esfuerzo máximo de Von Mises para una lista de materiales a analizar. Esta herramienta aconsejaría que material podría seleccionar ya que le permitiría tener la predicción de los esfuerzos máximos de todos los materiales disponibles a seleccionar con solo haber ejecutado una vez el análisis de elementos finitos. El primer capítulo de este documento expone la motivación detrás de su elaboración, las razones que respaldaron la investigación y los objetivos planteados. El segundo capítulo ofrece un contexto sobre la importancia de los materiales a través de la historia, las metodologías para el diseño de un producto nuevo, los métodos empleados en la selección de materiales y la definición e importancia de los metamodelos. En el tercer capítulo presenta los modelos y metamodelos del método tradicional de Ashby para el criterio de resistencia mecánica, además del modelo y metamodelo de la selección de materiales basado en los resultados de elementos finitos. Al concluir este capítulo, se presenta un modelo y metamodelo que proporciona al diseñador una visión global aproximada sobre qué material sería más adecuado para satisfacer los requisitos de resistencia mecánica, basándose en la aproximación de los esfuerzos máximos de Von Mises. Estos valores se estiman utilizando parámetros específicos propuestos los cuales se alimentan de la información suministrada por la realización de una sola simulación de análisis de elementos finitos. Finalmente, se presentan las limitaciones del metamodelo propuesto junto con las conclusiones y las referencias bibliográficas.

Palabras clave

Selección de materiales, Resistencia mecánica, Análisis de elementos finitos, Metamodelo, Esfuerzos Von Mises, Gráficos de Ashby

Materias

Ingeniería Industrial -- Tesis y disertaciones académicas , Selección de materiales , Metamodelo y elementos finitos , Gráficos de Ashby

Citación