Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 7 (1): e302. Enero-Marzo, 2024. https://doi.org/10.37636/recit.v7n1e302
ISSN: 2594-1925
1
Artículo de investigación
Control del mallado con FEM para caracterizar una junta
mecánica en aplicaciones de investigación y prototipaje
Mesh control with FEM to characterize a mechanical joint in
research and prototyping applications
Jesús Vicente González-Sosa , Enrique Ávila-Soler
Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Av. San Pablo 420, Col. Nueva El Rosario, Alcaldía
Azcapotzalco, C.P. 02128, Ciudad de México
Autor de correspondencia: Jesús Vicente González-Sosa, Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Av.
San Pablo 420, Col. Nueva El Rosario, Alcaldía Azcapotzalco, C.P. 02128, Ciudad de México. E-mail: jvgs@azc.uam.mx.
ORCID: 0000-0002-1325-0266
Recibido: 17 de Agosto del 2023 Aceptado: 22 de Enero del 2024 Publicado: 5 de Febrero del 2024
Resumen. - Una de las características clave de los sellos mecánicos es lograr una estanqueidad efectiva entre dos piezas
mecánicas para evitar el desplazamiento y las fugas de refrigerante en aplicaciones industriales. Actualmente la mayoría de
estos elementos se producen utilizando neopreno, cartón comprimido, papel alquitranado, grafito laminado, por lo que
buscamos producirlos utilizando materiales ABS y PLA. Para el diseño se utilizó software CAD con licencia educativa
destinada a educadores e investigadores, posteriormente se realiza un análisis de elementos finitos según las especificaciones
del producto. En este sentido, se ha identificado la importancia del FEM como herramienta de evaluación en el contexto de
esta tendencia de utilizar tecnologías innovadoras para la investigación. Como parte de los resultados, los datos obtenidos
permiten seleccionar tanto las variables como las propiedades físicas de la biela y pueden ser utilizados para desarrollar
proyectos y estudios de esta naturaleza aplicables en casos de estudio relacionados con la Ingeniería mecánica, mecatrónica,
industrial y electrónica. Finalmente, las variables Factor de Seguridad (FS), Von Mises Stress (VM) y YZ Stress, se analizan
después de la simulación mediante FEM, proporcionando un rango de valores para su uso en aplicaciones de ingeniería con
diferentes técnicas en las que se utilizan bielas, FS [ 0,55, 12,26], VM [1,63, 36,45], YZ [-1,36, 10,13]. En cuanto a los demás
resultados presentados en este estudio, el coeficiente de correlación se utiliza como parte estadística con gráficos para evaluar
la simulación, la dependencia de variables y parámetros relevantes para el estudio de caso, por lo que se observó una fuerte
relación entre las variables; esfuerzo plano, deformación, desplazamiento y el esfuerzo de Von Mises, cuyos valores oscilan
entre 0,87 y 0,99, mostrando una fuerte relación entre estas variables y, para las demás, se debe considerar mejorar la
relación y aumentar el coeficiente.
Palabras clave: Caracterización; Elemento finito; Manufactura aditiva; Impresión 3D; Simulación computacional.
Abstract. One of the key features of mechanical seals is to achieve effective sealing between two mechanical parts to prevent
displacement and coolant leakage in industrial applications. Currently most of these elements are produced using neoprene,
compressed cardboard, tar paper, laminated graphite, so we sought to produce them using ABS and PLA materials. For the
design we used CAD software with educational license intended for educators and researchers, then a finite element analysis
is performed according to the specifications of the product. In this sense, the importance of FEM as an evaluation tool has
been identified in the context of this trend of using innovative technologies for research. As part of the results, the data obtained
allow the selection of both variables and physical properties of the connecting rod and can be used to develop projects and
studies of this nature applicable in case studies related to mechanical, mechatronic, industrial and electronic engineering.
Finally, the variables Factor of Safety (FS), Von Mises Stress (VM) and YZ Stress, are analyzed after simulation by FEM,
providing a range of values for use in engineering applications with different techniques in which connecting rods are used,
FS [ 0.55, 12.26], VM [1.63, 36.45], YZ [-1.36, 10.13]. As for the other results presented in this study, the correlation coefficient
is used as a statistical part with graphs to evaluate the simulation, the dependence of variables and parameters relevant to the
case study, so a strong relationship was observed between the variables; plane stress, deformation, displacement and Von
Mises stress, whose values range between 0.87 and 0.99, showing a strong relationship between these variables and, for the
others, it should be considered to improve the relationship and increase the coefficient.
Keywords: Characterization; Finite element; Additive manufacturing; 3D printing; Computational simulation.
2 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
1. Introducción
Una de las características que presentan las juntas
mecánicas es la función que realizan al momento
de ejecutar una acción en la aplicación
determinada, por lo que en muchas ocasiones no
se contemplan análisis previos a la fabricación de
las juntas para una acción determinada,
considerando su uso como parte elemento de
unión. Con ello se plantea llevar a cabo un
estudio con el Método de Elementos Finitos
(FEM) para obtener los parámetros viables y
diseño óptimo del elemento. Se analizará un
diseño básico de una junta aplicando diferentes
cargas en un punto de acción, para la junta
mecánica, realizando las modificaciones
pertinentes de acuerdo con el diseño, parámetros
y variables en la simulación de FEM, con este
análisis se obtendrán datos que se utilizarán para
futuras investigaciones y aplicaciones de las
juntas mecánicas en las áreas de investigación y
prototipaje. En la fabricación de las juntas se
utilizan equipos de manufactura aditiva con
impresión 3D, utilizando materiales como el
ABS y PLA.
En las simulaciones aplicando FEM, se obtienen
modelos con variables modales que abordan
mejoras cuando se aplican de forma adecuada en
la optimización de las variables [1]. En el
presente trabajo se identifican las variables
pertinentes para el desarrollo de un análisis y
simulación con mayor precisión en donde los
resultados sean satisfactorios para la aportación
de la ingeniería aplicada.
Una característica esencial de los FEM radica en
ser modular el efecto de las cargas por medio de
mejoras en la cantidad de nodos y elementos
dentro de la simulación [2]. Con respecto a la
impresión 3D, utilizada en este trabajo, es
importante tomar en cuenta las propiedades
mecánicas de cada uno de los materiales
utilizados [3], para favorecer las condiciones de
simulación con los parámetros considerados al
momento de realizar las simulaciones.
En cada estudio realizado con FEM se debe
considerar si el modelo y su comportamiento es
lineal o no lineal [4], para identificar la
aplicación tanto teórica como de simulación. Al
realizar los modelos en tres dimensiones y
analizarlos con FEM, se puede modelar el efecto
mecánico del espécimen de trabajo [5],
reduciendo los tiempos de análisis comparándolo
con los procesos experimentales y teóricos.
Además, la importancia de analizar de manera
específica el comportamiento de los materiales
[6], mostrando el efecto de las variables físicas
que se deben evaluar para los casos de estudio o
especímenes de prueba [7]. Lo cual, proporciona
perspectivas sustanciales del comportamiento
mecánico de los modelos en estudio [8].
La comparación de las variables que se deben
seleccionar para su uso en simulaciones tiene la
importancia de lograr, a futuro, la optimización
de los especímenes [9], ya sea para elegir otro
material o modificar los diseños en un espécimen
de prueba, los investigadores a la fecha trabajan
en mejorar la teoría con los softwares de
simulación [10], identificando las aplicaciones
en ingeniería [11]. Es indudable que el FEM
proporciona aproximaciones, por medio de
sistemas computacionales, en el análisis de un
espécimen o sistema [12], que se pueden
comparar con la experimentación o modelos
matemáticos para fortalecer la investigación en
ingeniería [13].
Realizando el uso de las simulaciones por medio
de FEM se logran desarrollar permutaciones
[14], con el propósito de mejorar el
aprovechamiento del software modificando el
tipo de mallado y la cantidad de elementos para
optimizar los resultados [15]. Es por ello que en
[16] al igual que [17] mantienen latente el hecho
2 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
de mejorar las condiciones de procesamiento en
las simulaciones para optimizar el resultado en
cada uno de los casos de estudio que les compete.
Utilizar aplicaciones tangibles como parte de los
casos de estudio, tiene un acercamiento, virtual,
por lo que se ha encontrado un área de
oportunidad en las simulaciones con FEM [18],
fortaleciendo los conceptos experimentales para
ofrecer alternativas de solución al problema que
se presente en los requerimientos de los modelos
de prueba, manteniendo la cercanía con las
aplicaciones de la ingeniería [19].
El uso de algoritmos para la aplicación de FEM
utiliza un sistema determinístico para optimizar
las soluciones y eliminar en lo posible las
incertidumbres presentes en las variables por
analizar de acuerdo con [20], de aquí la
importancia de fomentar el uso de las
simulaciones con FEM para disminuir los
incidentes al momento de realizar evaluaciones
en modelos de prueba compartiendo opiniones
con [21]. Los resultados que muestran las
simulaciones de FEM son el reflejo de aplicar de
forma clara los conceptos generales y específicos
en cada acción para el análisis de los especímenes
como lo menciona [22].
En la mayor cantidad de los estudios realizado
con los simuladores FEM, se han encontrado
parámetros físicos como lo es la deformación y
las tensiones, que se observan en [23], tomando
en consideración aplicaciones específicas como
las estructuras identificadas por [24], partes del
cuerpo humano, pies, tobillos, cadera, huesos,
entre otros, como parte de los conceptos para la
aplicación de las simulaciones [25]. Por lo
mencionado se toma como una herramienta
fundamental para el análisis de especímenes con
aplicación en ingeniería.
En los siguientes apartados se menciona la forma
en la cual se lleva a cabo el proceso para la
evaluación con el simulador al espécimen de
prueba y el respectivo análisis.
2. Metodología
En esta sección se describen las etapas del trabajo
en cuestión, para la evaluación de la junta
mecánica con FEM en la aplicación de
prototipaje e investigación, obteniendo datos
importantes para futuras aplicaciones en la
ingeniería.
En la figura 1, se observa el procedimiento para
realizar el análisis de la junta y la forma en la cual
se estructura este trabajo de investigación.
Figura 1. Proceso para el desarrollo de la investigación y análisis de una junta mecánica con FEM.
En los siguientes párrafos de describe la
metodología plasmada en la figura 1.
3 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
2.1 Etapa 1 del proceso en la metodología.
Caso de estudio: para este trabajo de
investigación se utiliza como espécimen de
prueba una junta mecánica, la cual tendrá
aplicaciones de prototipaje e investigación y
ofrecer información a la comunidad académica
interesada en este ámbito. La junta mecánica es
un elemento de unión, la cual debe ser resistente
a efectos de impermeabilidad y esfuerzos en las
diferentes áreas en donde se aplica una carga
constante. La acción principal de la junta es
generar un sello entre dos elementos.
Propiedades: las propiedades que caracterizan a
las juntas mecánicas son la temperatura y la
presión a la que son sometidas cuando están
actuando en la aplicación determinada.
Variables: las variables que se analizan
dependerán de la función que se ejecute al
momento de utilizar la junta mecánica; algunas
de las que se incluirán en este trabajo son: a)
cargas o presión, b) nodos, c) elementos, d)
geometría, entre otros, que se analizarán como
parte de las tendencias de mejora en el espécimen
de prueba, junta mecánica.
2.2 Etapa 2 del proceso en la metodología.
Modelado en CAD: para obtener el modelo de
análisis, se parte de un bosquejo y posteriormente
se lleva a cabo el dibujo en un modelador de
CAD, que permite estructurar las variables desde
el punto de vista paramétrico y con ello lograr las
modificaciones pertinentes, cuando se requieren
en las etapas posteriores de mejora.
Simulación FEM: la simulación mediante FEM
permite establecer las condiciones de
operabilidad o funcionalidad de un objeto, para
este trabajo, una junta mecánica, en donde se
obtienen datos para validar las solicitaciones
mecánicas del espécimen de prueba, con las
condiciones previstas para su uso. En este caso se
utilizarán 5 cargas de prueba para obtener los
datos de la junta mecánica.
Aunado a esto se ha considerado el uso de los
modelos matemáticos en función de un análisis
de elasticidad plano, tomando en cuenta las
ecuaciones (1) y (2).
󰇛󰇜
󰇛󰇜 (1)
󰇟󰇠 (2)
Considerando en todo momento las
interpolaciones de las deformaciones de acuerdo
con las ecuaciones (3), (4) y (5). (3)
(4)
En donde, son las funciones de interpolación
de cada uno de los elementos para las coordenadas x, y, analizados en los campos U y
V.
Su expresión en forma matricial es:
4 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.

󰇻
(5)
De esta manera se lleva a cabo la interpolación
para realizar la mejora en cada una de las
simulaciones con la herramienta computacional
utilizada en el FEM involucrado con el caso de
estudio correspondiente a la junta mecánica, que
a continuación se describe.
En la figura 2, se observa de manera general el
mallado al aplicar FEM para la junta mecánica.
Figura 2. Mallado por medio de FEM
En la figura 3 se tienen las simulaciones
correspondientes a las cargas designadas, 5,
10,15, 20 y 25 MPa.
Figura 3. FEM para las cargas designadas.
5 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Obtención de datos: los datos después de aplicar
FEM para cada uno de los casos se muestra en la
tabla 1.
Tabla 1. Datos obtenidos de la simulación con FEM
Carga representada en Presión
5 MPa
10MPa
20MPa
Factor de seguridad
2.743
1.372
0.6859
12.26
6.129
3.064
Von Mises [MPa]
1.632
3.263
6.526
7.29
14.58
29.16
Deformación [%]
0.0008196
0.001639
0.003278
0.005236
0.01047
0.02094
Desplazamiento [mm]
0
0
0
0.009918
0.01984
0.03967
Esfuerzo plano [MPa]
-1.364
-2.729
-5.458
2.026
4.052
8.105
La taba 1 está mostrando desde el punto mínimo
hasta el máximo de acuerdo con cada uno de los
parámetros físicos analizados en la simulación
FEM.
2.3 Etapa 3 del proceso en la metodología
Optimización: esta parte de la etapa consiste en
mejorar las condiciones en la simulación FEM
para la junta mecánica y con ello mostrar las
nuevas alternativas de evaluación y análisis de
los especímenes de prueba.
Para la optimización de los especímenes, junta
mecánica, se tienen diferentes variables a
considerar para obtener la mejora, lo cual se
identifica en la tabla 2.
Tabla 2. Variables de optimización.
Variables
Descripción
Efecto
Material
Cambiar y realizar juntas con diferentes
materiales utilizados en la manufactura
aditiva para enriquecer las simulaciones,
obteniendo una mayor cantidad de datos en
la evaluación del producto.
Un porcentaje mayor de variables y
parámetros para mejorar las condiciones
de funcionalidad en la aplicación de la
junta mecánica.
Rediseño
Dimensionamiento en el área de la junta,
cumpliendo con las mismas solicitaciones
físicas para su función.
Mejora sustancial en cantidad de material
a utilizar, obteniendo los mismos
resultados en las simulaciones de FEM.
Parámetros
de simulación
Establecer nuevas cantidades de nodos y
elementos dentro de las simulaciones para
lograr un efecto satisfactorio en el análisis
del espécimen.
El mallado que se obtiene en las
simulaciones tendrá una dependencia con
las variables mencionadas, permitiendo
mejorar el proceso de simulación para
FEM.
6 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Tendencias: lo relacionado con trabajos a futuro
en esta línea de investigación y desarrollo, se
enfocan en contar con una mayor cantidad de
productos, especímenes de prueba, y evaluarlos
con FEM, con el propósito de establecer estudios
concretos para la funcionalidad de un producto.
Por otra parte, los datos obtenidos sirven para el
diseño y rediseño de productos para un uso en
específico dentro de la ingeniería y fomentar su
uso como prototipos en aplicaciones de
investigación.
Para generalizar la metodología y lograr la
repetibilidad del proceso en simulaciones de
otros especímenes de prueba en las diferentes
áreas de la ingeniería, se muestra el diagrama de
flujo en la figura 4, el cual contempla las tres
etapas descritas como parte trascendental en esta
investigación, mostrando tomas de decisión para
la adquisición de datos, control de variables,
ajuste de modelos 3D, identificación de mejoras
en las simulaciones por FEM y asignación de
nuevas alternativas para mejorar la condición
física y experimental del espécimen.
Figura 4. Diagrama de flujo del proceso para el desarrollo de las simulaciones.
El uso de los algoritmos, como el diagrama de
flujo mostrado en la figura 4, tiene la
característica de ser robusto y permitir la
retroalimentación para aplicar de manera
correcta los modelos matemáticos inmersos en
las simulaciones realizadas con FEM,
compaginando con la información que ofrecen
los investigadores en el trabajo [26], sin
embargo, es necesario asimilar que los modelos
matemáticos son el resultado de identificar de
7 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
manera correcta las propiedades físicas que
permiten conocer las solicitaciones de los
ensayos mecánicos, reflejados en la parte
experimental, traducido a la simulación con FEM
como se ha identificado con [27].
3. Resultados y Discusiones
Como parte de los resultados habrá que resaltar
que los datos obtenidos permiten generar una
serie de gráficas para identificar la tendencia de
mejora para el caso de estudio y ser utilizado de
manera satisfactoria como prototipo en
investigación y aplicaciones académicas. La
mayor cantidad de investigaciones de esta índole
ofrecen diagramas y gráficas con los datos
obtenidos a partir de llevar a cabo las
simulaciones, por ejemplo, [28] establece que la
carga límite de extracción en un espécimen
aumenta con el incremento de la relación de
esbeltez y la densidad relativa. Por otro lado,
como valor agregado se tiene la experiencia de
[29], indicando que un parámetro importante en
los desarrollos experimentales y por ende en las
simulaciones, es la velocidad en la ejecución de
las simulaciones con cada uno de los
especímenes. Las simulaciones tienen la
importancia de ofrecer información en dos y tres
dimensiones con una gama de colores que
favorecen la interpretación de los fenómenos
físicos, cuando se aplican cargas a los
especímenes de prueba [30]. En la tabla 3 se
observan los resultados representativos de las
simulaciones aplicadas a la junta mecánica, con
los valores óptimos en el caso de estudio.
Tabla 3. Valores óptimos extraídos de la simulación con FEM para la junta mecánica.
Factor de seguridad
Von Mises
Deformación
Desplazamiento
Esfuerzo Plano
5 [kN]
---------
--------
0.0008196
0.009918
--------
10 [kN]
--------
--------
--------
--------
--------
15 [kN]
0.9145
--------
--------
--------
20 [kN]
--------
--------
--------
--------
8.105
25 [kN]
--------
36.45
--------
--------
--------
La interpretación que se da a la tabla 3, es sobre
los valores óptimos que ofrece la simulación al
momento de hacer coincidir las variables
predominantes de la junta mecánica, como lo es
el mallado, el tiempo de ejecución de la
simulación y niveles de convergencia. Se observa
en la tabla 3 que los valores representativos los
tiene la simulación con 5 kN para el
desplazamiento y la deformación, para el
esfuerzo plano son 20 kN, Von Mises 25 kN y
Factor de seguridad con 15 kN.
En la figura 5 se tienen gráficas representando los
datos obtenidos en la simulación por medio de
FEM.
8 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Figura 5. Gráficos de dispersión como resultados
En la figura 5 se tienen representadas los datos de
las simulaciones que relacionan la presión
ejercida sobre la junta mecánica, con respecto al
factor de seguridad (FS), esfuerzo Von Mises
(VM) y esfuerzo en el plano de aplicación de
acuerdo con el modelador de CAD (YZ).
Los resultados muestran que el FS es
satisfactorio con la línea de tendencia mientras
que las demás gráficas tienen mayor dispersión
con respecto a la línea de mejora, indicando que
se deben desarrollar nuevas simulaciones con
9 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
parámetros cuya solicitación mostrara la
optimización de los especímenes de prueba.
En la tabla 4, se muestran los valores del
coeficiente de correlación, con la finalidad de
establecer la relación que existe con cada una de
las variables identificadas en la figura 5.
Tabla 4. Valores del coeficiente de correlación para las variables en los resultados de las simulaciones con FEM.
Presión
FS
VM
DZ
DF
FS
-0.582
----
----
----
----
VM
0.558
0.028
----
-----
----
DZ
0.392
0.163
0.982
----
----
DF
0.505
0.073
0.998
0.992
----
YZ
0.083
0.376
0.873
0.949
0.902
Con resultados observados en la tabla 4, se
identifican las relaciones fuertes entre las
variables, indicando con ello los puntos críticos
de estudio para futuras investigaciones, las
relaciones más fuertes se ubican entre DZ-VM,
DF-VM, DF-DZ, YZ-DZ, YZ-DF y YZ-VM,
cuyo valor esta entre 0.873 y 0.998,
posteriormente se tiene FS-Presión, VM-Presión,
DF-Presión, con relación moderada, con valores
entre 0.505 y -0.582, considerada como área de
oportunidad para realizar nuevas simulaciones y
mejorar el coeficiente para estos casos. Las
demás relaciones por el momento se descartan
dado el valor menor en donde no existe relación
entre las variables.
El trabajo [31], demuestra el uso eficiente de
FEM como herramienta para la valoración de la
rigidez en elementos de unión, lo que se
interpreta como una aplicación con éxito para
conformar el estudio de parámetros con las
técnicas de simulación. Por ejemplo, para [32] se
tiene la característica de que los modelos se
deben resolver de forma lineal en cada uno de los
pasos en el tiempo, demostrando que la solución
es discreta y convergente en su caso de estudio,
ello permite estimar las tendencias en otros casos
de estudio relacionadas con las variables
utilizadas en cada simulación. En esta
investigación se formuló un proceso para mejorar
las condiciones de una junta mecánica y obtener
datos para la mejora continua del espécimen, el
cual se modifica de acuerdo con las nuevas
técnicas aplicables en cada una de las
simulaciones, presentadas igualmente por los
autores de [33], cuyo parámetro primordial es la
convergencia. En el caso de [34], se logra
apreciar que los parámetros de mejora se
interpretan cada vez que se lleva a cabo una
iteración en la simulación por lo que es
interesante utilizar las condiciones óptimas para
el caso de estudio.
Una característica que se observa en la
evaluación de modelos 3D, es la incertidumbre
de la aplicación de las cargas y su efecto en todo
el entorno, por lo que se ha considerado como un
problema en las simulaciones por medio de FEM
como se observa en el trabajo [35], aunado a esto
[36] que los modelos de aprendizaje automáticos
como lo son las simulaciones permiten resolver
problemas con valores límites, a su vez fortalece
el proceso que permite mejorar las restricciones
para análisis a futuro, en este caso, la junta
mecánica tiene la opción de anidar variables
físicas en la aplicación de las simulaciones para
obtener los valores límite que se observaron en
los datos obtenidos por el análisis. En la tabla 5,
se describen las características físicas
beneficiadas con el proceso de la simulación con
FEM, lo cual permite estructurar áreas de
oportunidad.
10 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Tabla 5. Características físicas beneficiadas al aplicar simulación con FEM.
Característica
Descripción
Resistencia a la tracción
Implica mejorar las condiciones para aplicar una mayor
cantidad de cargas que se asimilen al efecto que sufre el
espécimen al someterse a la deformación plástica.
Dureza
La simulación permite utilizar el control de diferentes
materiales en donde se puede aplicar, en su momento,
recubrimientos protectores y mejorar los resultados del
procesamiento.
Tolerancia a la temperatura
Analizar materiales especiales que se consideren estables y
resistentes a los cambios de temperatura.
Flexibilidad
Incorporar el análisis de materiales con una condición
robusta de elasticidad.
Estanqueidad
Capacidad de sellado para evitar fugas, controlando las
cargas aplicadas en cada una de las simulaciones.
Llevar a cabo un proceso de modelado y
simulación por FEM da pauta a dar pasos dentro
de la optimización de estos mismos con sistemas
computacionales que son empleados en
diferentes áreas de la ingeniería e industria por lo
que es de gran interés el formular líneas de
investigación enfocadas con este tipo de
herramientas para evaluar, en este caso, una junta
mecánica, como cualquier otro espécimen de
prototipaje, se concuerda con [37] y [38],
identificando que los FEM tienen gran
coincidencia con procesos experimentales y que
deben utilizarse de la mano para reducir los
errores en los resultados que se encuentran dentro
del 10%. En referencia a [39], la estructura de
una junta puede evaluarse con FEM en
subestructuras para focalizar las secciones de
mayor incidencia hacia la falla, lo cual representa
una tendencia a utilizar el este caso de estudio y
orientar la línea de investigación de acuerdo con
los resultados obtenidos en las simulaciones de
este trabajo de investigación.
En el trabajo en cuestión, simulación FEM para
junta mecánica, se encontró que las precisiones
de simulación en el desplazamiento son similares
en cada una de los ensayos, lo cual tienen
coincidencias con otras aplicaciones de FEM en
procesos de manufactura, en donde las tensiones
tienen que validarse con experimentación teórica
[40], [41], y asimismo intensificar la
coincidencia en resultados de esta índole para las
aplicaciones de ingeniería, en conjunto con la
simulación desarrollada en esta investigación.
La mayor cantidad de los resultados que se
muestran en este trabajo, al igual que otras
investigación se optimizan los sistemas de
ecuaciones polinómicas que se presentan en la
simulación, como lo reportan [42], las cuales
caracterizan de manera precisa el fenómeno
experimental, que ya se ha mencionado, forma
parte primordial para compaginar los resultados
de las simulaciones en cada caso de estudio[43],
además, se ha observado que conforme se
optimiza el espécimen de prueba aumenta la
probabilidad de obtener aplicaciones exitosas
con los casos de estudio, ello lo presentan en
[44], lo cual tiene razón de ser para realizar las
mejoras en este trabajo.
El análisis de la junta mecánica con FEM, se debe
comparar con datos experimentales en donde
exista una variación de la fuerza o presión axial,
11 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
como se realizó en este trabajo, con la finalidad
de obtener datos que permitan una mayor
durabilidad en la junta con respecto a la fatiga
[45], [46], además, de extrapolar las tensiones e
identificar los puntos críticos en la aplicación de
las cargas. Durante las simulaciones con FEM, se
toma la decisión de establecer una sola área de
acción y con ello garantizar que se aplican de
manera precisa en el espécimen, con esto se
puede dar indicios a nuevas evaluaciones con
uniones mecánicas, como lo son las juntas, para
las aplicaciones en investigación y prototipaje,
como parte del objetivo de este trabajo.
Parte de las limitaciones que existen en este tipo
de investigaciones es la diversidad de
aplicaciones para la junta mecánica, la cual
depende del proyecto el cual se deben utilizar
estos elementos para las uniones
correspondientes, con respecto a la parte
económica para la elaboración de las juntas en
materiales plásticos, los autores cuentan con el
equipamiento necesario, los consumibles para
desarrollar las variantes de los especímenes de
prueba que se deben simular para las futuras
tendencias de análisis con FEM y
experimentalmente.
Es evidente, desde el inicio de esta investigación,
que este trabajo esta direccionado hacia las
comunidades académicas de investigación y
desarrollo de proyectos, en donde se involucra el
prototipaje para cumplir con las solicitaciones de
sistemas aplicables a la ingeniería.
Por último, mantener la mejora continua con las
simulaciones y los experimentos para lograr la
sinergia de lo teórico con lo práctico,
desarrollando a futuro líneas de investigación
con las herramientas computacionales. Por otro
lado, contar con nuevos casos de estudio que den
la sinergia con los elementos, parámetros y
variables inmersas en la tecnología e innovación
en ingeniería.
4. Conclusiones
Cabe recalcar que el uso del FEM como
herramienta de análisis de productos con
aplicaciones de ingeniería siempre promueve la
comprensión de diversos temas, tales como:
materiales, diseño, fabricación, etc., de ahí la
importancia e interés de desarrollar trabajos e
investigaciones en este campo esencialmente en
la ingeniería aplicada.
Los resultados obtenidos en este trabajo, como el
rango de valores de desplazamiento cuando se
aplica carga, de 0.009 a 0.09 mm, proporcionan
una guía para seguir avanzando en los estudios
de simulación con FEM y el uso de diferentes
módulos de mejora que pueden intervenir en la
optimización, entre los cuales se tiene: aplicación
de diferentes cargas y modificación de elementos
en conjunto con el mallado.
El uso de un método en cada simulación permite
controlar el proceso y alcanzar tendencias
desarrolladas por la comunidad académica en
diferentes campos de la ingeniería, entendidas
como mejoras en el uso de materiales con base a
resultados obtenidos en simulación y con valores
mínimos y máximos en propiedades físicas,
como los obtenidos en este trabajo y que se
mostraron en la tabla 1 y 3.
Una característica importante de la simulación
con FEM es que permite ahorrar tiempo
realizando el análisis correspondiente, ya que
implementarlo mediante pruebas reales
conllevaría mayores costos y retrasos excesivos.
Se sabe que el FEM, a través de simuladores es
un acercamiento visual a los efectos físicos que
sufre una probeta al realizar un ensayo, un
experimento o una prueba mecánica.
Después de analizar los resultados se tiene la
convicción de seguir trabajando en esta línea,
para obtener mejoras en las simulaciones cuyos
valores permitieron destacar que se debe mejorar
12 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
la relación del factor de seguridad (FS) con la
deformación (DF) y el desplazamiento (DZ)
debido a que la relación, extraída del coeficiente
de correlación, es débil con un rango en los
valores, -0.058 a 0.0505, que para estudios
estadísticos no es funcional y debe mejorarse.
En este estudio se pretende, a futuro, modificar
algunos de los parámetros de diseño en la junta,
como lo es la geometría, espesor y material, con
la finalidad de ir mejorando las características de
aplicación de las juntas y obtener una mayor
cantidad de datos que puedan utilizar otros
investigadores en conjunto con las comunidades
académicas para seguir trabajando en esta área de
oportunidad.
Como se mencionó en los resultados, la variable
que mejor se comportó en las simulaciones fue el
factor de seguridad con un valor de 0.91 para el
caso de 15 kN y posteriormente el
desplazamiento con valor 0.009, mostrando que
se deben realizar nuevos estudios en la junta
mecánica para mejorar el proceso de simulación
y la aplicación de FEM.
Asimismo, se espera aumentar y disminuir la
malla en los nodos y elementos de la simulación,
con el objetivo de enriquecer los resultados para
nuevas aplicaciones en ingeniería.
4. Agradecimientos
Se agradece al proyecto PRODEP clave
22711711, denominado “Fabrica 4.0 para la
innovación de productos industriales basado en
prototipaje 3D para la formulación de la mejora
continua”, con el cuál se obtuvieron los modelos
de prototipaje para realizar la simulación con
FEM.
5. Reconocimiento de autoría
Jesús Vicente González Sosa: Conceptualización;
Metodología; Software; Validación; Análisis formal;
Investigación; Recursos; Curación de datos; Borrador
original; Revisión y edición; Visualización; Supervisión:
Administración del proyecto; Adquisición de
fondos. Enrique Ávila Soler: Metodología; Validación;
Análisis formal; Curación de datos; Revisión y edición;
Adquisición de fondos.
Referencias
[1] W. Vélez, D. Gómez and P. Thomson, “Ajuste de
modelos de elementos finitos”, Dyna, vol. 76, no.
158, pp. 177-189, 2009.
https://revistas.unal.edu.co/index.php/dyna/article/vi
ew/10257/10775
[2] J. O. Dávalos Ramírez, U. Caldiño Herrera, S.
Tilvaldyev, D. Cornejo Monroy and D. Luviano Cruz,
“Modelado por elemento finito de la fatiga en
engranes de reductores de velocidad con
desalineamiento radial y axial”, Rev. De Ciencias
Tecnológicas, vol. 3, no. 2, pp. 87-95, 2020.
https://doi.org/10.37636/recit.v328795
[3] A. Lanzotti, M. Grasso, G. Staiano and M.
Martorelli, “The impact of process parameters on
mechanical properties of parts fabricated in PLA with
an open-source 3-D printer”, Rapid Prototyping
Journal, vol. 25, no. 5, pp. 604-617, 2015.
https://doi.org/10.1108/rpj-09-2014-0135
[4] A. Kumar, M. Shukla and A. Kumar, “3D thermal
simulation of powder deb fusion additive
manufacturing of stainless steel”, International
Journal on Interactive Design and Manufacturing,
vol. 17, pp. 517-524, 2023.
https://doi.org/10.1007/s12008-023-01234-7
[5] J. H. Castorena-González, F. Almeraya-Calderon,
J. L. Almaral-Sánchez, J. A. Calderón-Guillén, C.
Gaona-Tiburcio and A. Martínez-Villafañe, “Análisis
con elemento finito de los esfuerzos expansivos por
corrosión en las estructuras de concreto reforzado”,
Ingeniería Investigación y Tecnología, vol. 12, no. 1,
pp. 1-7, 2011.
https://doi.org/10.22201/fi.25940732e.2011.12n1.00
1
[6] C. Pyo, E. Ha, Y. Kim and J. Kim, “Study on the
Estimation of Mechanical Properties with Porous
13 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Rate using the Representative Volume Element
Method”, Journal of the Korean Society of
Manufacturing Process Engineers, Vol. 22, no. 6, pp
76-81, 2023.
https://doi.org/10.14775/ksmpe.2023.22.06.076
[7] S. Luo, Y. Zhang, J. Shen and Z. Li, “Finite
Element Model Updating of Steel Arch Bridge Based
on First-Order Mode Test Data”, Shock and
Vibration, pp 1-11, 2023.
https://doi.org/10.1155/2023/9326195
[8] D. Maya-Anaya, G. Urriolagoitia-Sosa, B.
Romero-Ángeles, M. Martínez-Mondragón, J. M.
German-Carcaño, M. I. Correa-Corona, A. Trejo-
Enríquez, A. Sánchez-Cervantes, A. Urriolagoitia-
Luna and G. M. Urriolagoitia-Calderón, “Numerical
Analysis Applying the Finite Element Method by
Developing a Complex Three-Dimensional Biomodel
of the Biologiccal Tissues of the Elbow Joint Using
Computerized Axial Tomography”, Applied
Sciences, Vol. 13, pp 2-18, 2023.
https://doi.org/10.3390/app13158903
[9] F. Djamaluddin, “Finite element analysis and
optimization of foam filled fender under quasi static
and Dynamic responses”, Frontiers in Mechanical
Engineering, pp 01-14, 2023.
https://doi.org/10.3389/fmech.2023.1091345
[10] M. Xie, F. Yao, L. Li and Y. Li, “Research status
and development trend of energy finite element
analysis: a review”, ISSN PRINT 1392-8716, ISSN
ONLINE 2538-8460, DOI
https://doi.org/10.21595/jve.2022.22843
[11] S. H. Kim, J. W. Son, Y. Choi and J. Lee,
“Performance Analysis of the Bottom Plateo f a Smart
Shoe Cleaner Base on FE Analysis”, Journal of the
Korean of Manufacturing Process Engineers, Vol.
22, no. 7, pp 70-77. 2023.
https://doi.org/10.14775/ksmpe.2023.22.07.070
[12] A. Doicheva, “Finite Element Method for
Analysis of Off-Center Connected Continuous
Beams”, The Eurasia Proceedings of Science,
Technology, Engineering & Mathematics, Vol. 18, pp
37-45. 2022.
https://doi.org/10.55549/epstem.1192323
[13] R. Sanhueza, I. Harnisch and S. Rojo, “Método
de elementos finitos para el cálculo del campo
electromagnético alrededor de una línea de
transmisión eléctrica”, Ingeniare, Vol. 29, no. 3, pp
487-494. 2021. https://doi.org/10.4067/s0718-
33052021000300487
[14] M. W. Scroggs, J. S. Dokken, C. N. Richardson
and G. N. Wells, “Construction of arbitrary order
finite element degree-of-freedom maps on polygonal
and polyhedral cell meshes”, ACM Trans. Math.
Softw, Vol. 1, no. 1, pp 1- 23, 2022.
https://doi.org/10.1145/nnnnnnn.nnnnnnn
[15] R. Pereira, L. J. Do Nascimiento, P. M. Vieira,
C. V. Chaves and J. Baptiste, “Finite Element Modal
Analysis of Transient Water Flow in Aquifers”,
American Academic Scientific Research Journal for
Engineering, Technology, and Sciences, Vol. 90, no.
1, pp 548-567, 2023.
https://asrjetsjournal.org/index.php/American_Scient
ific_Journal/article/view/8290/2642
[16] A. Nakamura, T. Shimojima and K. Ishizaka,
“Finite-element simulation of photoinduced strain
dynamics in silicon thin plates”, Struct. Dyn, Vol. 8,
024103, 2021. https://doi.org/10.1063/4.0000059
[17] O. F. Higuera-Cobos, A. Mendoza-Cuesta, Y.
Suárez-Granados, L. C. Flores-García and C. M.
Moreno-Téllez, “Finite Element Analysis of
Constrained Groove Pressing on Strain Behavior of
Armco Iron Sheets”, Ingeniería y Competitividad,
Vol. 23, no. 2, pp 1-11, 2021. DOI:
https://doi.org/10.25100/iyc.v23i2.11262
[18] H. Sun, H. Zhang, T. Wang, K. Zheng, W.
Zhang, W. Li, W. Zhang, Y. Xu and D. Geng,
“Biomechanical and Finite-Element Analysis of
Femoral Pin-Site Fractures Following Navigation-
Assisted Total Knee Arthroplasty”, The Journal of
Bone & Joint Surgery JBJS.ORG, Vol. 104, no. 19,
pp 1738-1749, 2022.
http://dx.doi.org/10.2106/JBJS.21.01496
[19] H. H. Kwon, J. A. Shin and N. C. Cho,
“Application of Finite Element Analysis for
Structural Stability Evaluation of Modern and
Contemporary Sculptures: Eve 58-1 by Man Lin
Choi”, Journal of Conservation Science, Vol. 38, no.
4, pp 277-288. 2022.
https://doi.org/10.12654/jcs.2022.38.4.03
[20] Y. Kim and M. Hirabayashi, “A Numerical
Approach Using a Finite Element Model to Constrain
the Possible interior Layout of (16) Psyche”, The
Planetary Science Journal, Vol. 3, no. 122, pp 1-15,
2022. https://doi.org/10.3847/PSJ/ac6b39
14 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
[21] B. Yang and A. Zhou, “Eigenfunction behavior
and adaptive finite element approximations of
nonlinear eigenvalue problems in quantum physics”,
ESAIM: Mathematical Modelling and Numerical
Analysis, Vol. 55, no. 1, pp 209-227, 2021.
https://doi.org/10.1051/m2an/2020078
[22] N. Pop, M. Marin and S. Vlase, “Mathematics in
Finite element Modeling of Computational Friction
Contact Mechanics 2021-2022”, Mathematics, Vol.
11, no. 255, pp 1-5, 2023.
https://doi.org/10.3390/math11010255
[23] W. D. Lestari and N. Adyono, “Analysis of
Ankle-Foot Design for Transtibial Prosthesis
Components to Increase The Flexibility using the
Finite Element Method”, TEKNIK, Vol. 43, no. 3, pp
272-279, 2022. doi: 10.14710/teknik.v43i3.48653,
https://ejournal.undip.ac.id/index.php/teknik/article/
view/48653
[24] B. Meskhi, D. Rudoy, Y. Lachuga, V.
Pakhomov, A. Soloviev, A. Matrosov, I. Panfilov and
T. Maltseva, “Finite Element and Applied Models of
the Stem with Spike Deformation”, Agriculture, Vol.
11, no. 11, 1147, 2021.
https://doi.org/10.3390/agriculture11111147
[25] S. Dmitriev, I. Semenova and A. Shestov, “The
numerical modeling of heterogeneities by the finite
element method in 3D setting”, Mechanics and Rock
Engineering, from Theory to Practice, IOP Conf.
Series: Earth and Environmental Science, Vol. 833,
012094, 2021. https://doi.org/10.1088/1755-
315/833/1/012094
[26] H. Li, “Multidimensional Information Network
Big Data Mining Algorithm Relying on Finite
Element Analysis”, Computational Intelligence and
Neuroscience, pp 1-11, 2022.
https://doi.org/10.1155/2022/7156715
[27] E. Conde, E. Salete, J. Flores and A. Vargas,
“Application of Finite Element Method to Create a
Digital Elevation Model”, Mathematics, Vol. 11,
1522, 2023. https://doi.org/10.3390/math11061522
[28] M. S. Al-Tememy, M. A. Al-Neami and M.F.
Asswad, “Finite Element Analysis on Behavior of
Single Battered Pile in Sandy Soil Under Pullout
Loading”, International Journal of Engineering, Vol.
35, no. 6, pp 1127-1134, 2022.
https://doi.org/10.5829/ije.2022.35.06c.04
[29] A. Malciu, C. Pupaza, C.C. Puica and L.F. Pana,
“Finite element model validation for a 14.5 mm armor
piercing bullet impact on a multi-layered add-on
armor plate”, MATEC Web of Conferences, Vol. 373,
00038, 2022.
https://doi.org/10.1051/matecconf/202237300038
[30] D. Colombo, S. Drira, R. Frotscher and M. Staat,
“An element-based formulation for ES-FEM and FS-
FEM models for implementation in standard solid
mechanics finite element codes for 2D and 3D static
analysis”, Int J Numer Methods Eng. Vol. 124, pp
402-433, 2023. https://doi.org/10.1002/nme.7126
[31] P.G. Morris, J. M.M. Silva and F.J. Carvalhal,
“A Specialised Element for Finite Element Model
Updating of Moveable Joints”, Multibody System
Dynamic, Vol. 5, no. 4, pp. 375-386, 2001.
https://doi.org/10.1023/a:1011438711508
[32] Q. Ding, X. Long and S. Mao, “Convergence
analysis of a fully discrete finite element method for
thermally coupled incompressible mhd problems with
teperature-dependent coeficients”, ESAIM:
Mathematical Modelling and Numerical Analysis,
Vol. 52, pp 969-1005, 2022.
https://doi.org/10.1051/m2an/2022028
[33] F. Ozcan and S. Ersoy, “Analysis of the vehicle:
applying finite element method of 3D data”,
Mathematical Models in Engineering, Vol. 7, no. 4,
pp 63-69, 2021.
https://doi.org/10.21595/mme.2021.22328
[34] A.A. Alade and A. Ibrahim, “Application of
Finite Element Method for Mechanical
Characterization of Wood and Reconstituted
Lignocellulosic-Based Composites-A Review”,
Recent Progress in Materials, Vol. 5, no. 1, pp 1-37,
2023. https://doi.org/10.21926/rpm.2301003
[35] D. Qin, C. Chen, Y. Ouyang, J. Wu and H.
Zhang, “Finite element methods used in clinching
process”, The International Journal of Advance
Manufacturing Technology, vol. 116, pp. 2737-2776,
2021. https://doi.org/10.1007/s00170-021-07602-5
[36] W. K. Liu, S. Li and H. S. Park, “Eighty years of
the Finite Element Method: Birt, Evolution, and
Future”, Archives of Computational Methods in
Engineering, Vol. 29, no. 6, pp 4331-4453, 2022.
https://doi.org/10.1007/s11831-022-09740-9
[37] K. Kalita, D. Burande, R. K. Ghadai and S.
Chakraborty, “Finite Element Modelling, Predictive
Modelling and Optimization of Metal Inert Gas,
Tungsten Inert Gas and Friction Stir Welding
Processes: A Comprehensive Review”, Archives of
15 ISSN: 2594-1925
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 7 (1): e302.
Computational Methods in Engineering, vol.30, pp
271-299, 2023. https://doi.org/10.1007/s11831-022-
09797-6
[38] H. Tomobe, V. Sharma, H. Kimura and H.
Morikawa, “An Energy-based Overset Finite Element
Method for Pseudo-static Structural Analysis”,
Journal of Scientific Computing, Vol. 94, no. 3, pp 26,
2023. https://doi.org/10.1007/s10915-023-02113-9
[39] D. Lee, “Updating of the complete joint
characteristics of finite element model via FRF-based
substructuring of complex structures”, Journal of
Mechanical Science and Technology, Vol. 37, no. 7,
pp 3437-3444, 2023. https://doi.org/10.1007/s12206-
023-0609-0
[40] M. Hirohata, S. Nozawa and Y. Tokumaru,
“Verification of FEM simulation by using Shell
elements for fillet welding process”, International
Journal on Interactive Design and Manufacturing,
vol. 16, pp 1601-1613, 2022.
https://doi.org/10.1007/s12008-022-00858-5
[41] C. Chen, D. Qin, X. Ren and Y. Ouyang, “Finite
element analysis of the cylindrical Rivet used in flat
clinch-rivet process”, Journal of the Brazilian Society
of Mechanical Sciences and Engineering, Vol. 43, no.
12, pp 577, 2021. https://doi.org/10.1007/s40430-
021-03278-w
[42] J. Cao and Z. Zhang, “Finite element analysis
and mathematical characterization of contact pressure
distribution in bolted joints”, Journal of Mechanical
Science and Technology, vol. 33, no. 10, pp. 4715-
4725, 2019. https://doi.org/10.1007/s12206-019-
0913-x
[43] R. E. Meethal, A. Kodakkal, M. Khalil, A.
Ghantasala, B. Obst, K. Bletzinger and R. Wüchner,
“Finite element method-enhanced neural network for
forward and inverse problems”, Advanced Modelling
and Simulation i Engineering Sciences, Vol. 10, no.
6, 2023. https://doi.org/10.1186/s40323-023-00243-1
[44] J. Furstoss, C. Petit, C. Ganino, M. Bernacki and
D. Pino-Muñoz, “A new element approach to model
microscale strain localization within olivine
aggregates”, Solid Earth, Vol. 12, pp 2369-2385,
2021. https://doi.org/10.5194/se-12-2369-2021
[45] S. S. Cho, C. S. Shin, C. S. Lee, H. Chang and
K. W. Lee, “Assessment of an engine cylinder head-
block joint using finite element analysis”,
International Journal of Automotive Technology, vol.
11, no. 1, pp. 75-80, 2010.
https://doi.org/10.1007/s12239-010-0010-8
[46] P. P. Borah, S. Kashyap, S. Kirtania and S.
Banerjee, “Finite element and numerical analysis for
structural responses of natural fiber-based epoxy
composites”, International Journal on Interactive
Design and Manufacturing, 2022.
https://doi.org/10.1007/s12008-022-00915-z
Derechos de Autor (c) 2024 Jesús Vicente González-Sosa, Enrique Ávila-Soler
Este texto está protegido por una licencia Creative Commons 4.0.
Usted es libre para compartir —copiar y redistribuir el material en cualquier medio o formato — y adaptar el documento —
remezclar, transformar y crear a partir del material— para cualquier propósito, incluso para fines comerciales, siempre que
cumpla la condición de:
Atribución: Usted debe dar crédito a la obra original de manera adecuada, proporcionar un enlace a la licencia, e indicar si se
han realizado cambios. Puede hacerlo en cualquier forma razonable, pero no de forma tal que sugiera que tiene el apoyo del
licenciante o lo recibe por el uso que hace de la obra.
Resumen de licencia - Texto completo de la licencia