Diseño Optimo

4.1.-fundamentos de diseño óptimo contemplando normas y estándares

EL DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA

El diseño mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica; piezas, estructuras, mecanismos, máquinas y dispositivos e instrumentos diversos. En su mayor parte, el diseño mecánico hace uso delas matemática, las ciencias de uso materiales y las ciencias mecánicas aplicadas a la ingeniería.

El diseño de ingeniería mecánica incluye el diseño mecánico, pero es un estudio de mayor amplitud que abarca todas las disciplinas de la ingeniería mecánica, incluso las ciencias térmicas y de los fluidos.

IDENTIFICACIÓN DE NECESIDADES Y DEFINICIÓN DE PROBLEMAS

Generalmente la necesidad no es evidente. Por ejemplo, la necesidad de hace algo con respecto a una máquina empacadora de alimentos pudiera detectarse por nivel de ruido, por la vibración en el peso de los paquetes y por ligeras, pero perceptibles, alteraciones en la calidad del empaque o la envoltura.

CONSIDERACIONES O FACTORES DE DISEÑO

A veces, la resistencia de un elemento es muy importante para determinar la configuración geométrica y las dimensiones que tendrá dicho elemento, en tal caso se dice que la resistencia es un factor importante de diseño.

En ocasiones, alguno de esos factores será crítico y, si se satisfacen sus condiciones, ya no será necesario considerar los demás. Por ejemplo, suelen tenerse en cuenta los factores siguientes:

.-Resistencia

.-Confiabilidad

.-Condiciones térmicas

.- Corrosión

Desgaste

.-Fricción o rozamiento

.-Procesamiento

.-Utilidad

.-Costo

.-Seguridad

.-Peso

.-Ruido

.-Estilización

.-Forma

.-Tamaño

.-Flexibilidad

.-Control Rigidez

.-Acabado de superficies

.-Lubricación

.-Mantenimiento

.- Volumen

SELECCIÓN DE MATERIALES

Actualmente existe disponible una gran variedad de materiales cada uno con sus propias características, aplicaciones, ventajas y limitaciones.

* Materiales ferrosos. Al carbón, aleados, inoxidables, aceros para herramientas.

* Aleaciones y materiales no ferrosos. Aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superaleaciones, materiales refractarios, berilio, zirconio.

* Cerámicos. Vidrios, grafito, diamante.

* Materiales compuestos. Plásticos reforzados, compuestos con matriz metálica o cerámica, estructuras de panal.

CÓDIGOS Y NORMAS (O ESTÁNDARES)

Aluminium Association (AA)

American Gear Manufactures Association (AGMA)

American Institute of Steel Constructuion (AISC)

American Iron an Steel Institute (AISI)

American National Standards Institute (ANSI)

American Society of Mechanical Engineers (ASME)

American Society of Metals (ASM)

American Society of Testing and Materials

(ASTM)

American Welding Society (AWS)

Anti-Friction Bearing Manufactures Association (AFBMA)

Industrial Fasteners Institute (IFI)

National Bureau of Standards (NBS)

Society of Automotive Engineers (SAE)

Relación Entre Diseño Y Manufactura

El diseño y la manufactura están muy relacionados. No deben verse como disciplinas separadas. Cada parte o componente debe diseñarse no solamente cumpliendo los requerimientos y especificaciones de diseño, sino también que se puedan fabricar con relativa facilidad y economía. Este enfoque, llamado diseño para la manufactura (Design for Manufacturing DFM) mejora la productividad y permite una manufactura competitiva.

ORGANISMOS DE NORMALIZACION

En la tabla que se presenta a continuación, se indican los organismos de normalización de varias naciones.

PAIS | ABREVIATURA DE LA NORMA | ORGANISMO NORMALIZADOR

Internacional | ISO | Organización Internacional de Normalización.

España | UNE | Instituto de Racionalización y Normalización.

Alemania | DIN | Comité de Normas Alemán.

Rusia | GOST | Organismo Nacional de Normalización Soviético.

Francia | NF | Asociación Francesa de Normas.

Inglaterra | BSI | Instituto de normalización Ingles.

Italia | UNI | Ente Nacional Italiano de Unificación.

América | USASI | Instituto de Normalización para los Estados de América.

4.2. Técnicas de Optimización

Se han convertido en una poderosa herramienta para el diagnóstico y solución de múltiples problemas complejos, presentes en las ciencias de la administración, convirtiéndose en elemento decisivo, que aporta elementos importantes en la toma de decisiones. El diseño óptimo de un elemento mecánico es la selección del material y de los valores de los parámetros geométricos independientes, con el objetivo explícito de minimizar un efecto indeseable o de maximizar un requerí miento funcional, teniendo en cuenta que el elemento satisfaga otros requerimientos funcionales y que otros efectos indeseables sean mantenidos dentro de sus límites tolerables.

En la práctica la mayor parte de los estudios de optimización se efectúan con ayuda de un modelo. En el trabajo de investigación, los investigadores y alumnos diseñan y construyen los sistemas experimentales que permiten determinar el comportamiento estático y dinámico de diferentes tipos de uniones de sistemas mecánicos, máquinas y mecanismos en distintas condiciones de operación. Normalmente se realiza la investigación en una serie de etapas, iniciando con modelos simples de elementos o sistemas mecánicos y posteriormente incrementando la complejidad del modelo, hasta aproximarse lo más posible a condiciones reales de operación. De esta manera los estudiantes pueden conocer no sólo los aspectos teóricos de los problemas atacados, sino también sus aspectos prácticos

Esta metodología se sustenta en los siguientes supuestos:

* alternativa en las decisiones;

* posibilidades de crear una base informática;

* posibilidades mínimas de poder aplicar los resultados.

En este proceso existe una secuencia de pasos para llegar a la obtención de los objetivos propuestos:

* observación e identificación del problema;

* formulación general;

* construcción del modelo;

* generación de una solución;

* prueba y evaluación de la solución;

* implantación;

* perfeccionamiento y desarrollo.

Observación

Se analiza el fenómeno como tal, las interrelaciones que tiene, las posibles variables, el sistema organizativo bajo el cual se encuentra el fenómeno, se escuchan los criterios de expertos, se analiza el cumplimiento de las premisas fundamentales de las técnicas de optimización, que son:

* Alternativa de decisión.

* Condiciones de linealidad o no.

* Mínimas condiciones organizativas.

Formulación

Es un problema secuencial, se empieza con una formulación inicial basado en lo anterior y se perfecciona en la medida en que se plantea el problema y se obtienen las primeras soluciones. Muchas veces el análisis del resultado incide en la formulación. Ésta tiene dos aspectos: general y concreto.

La formulación del problema consta de los siguientes aspectos:

a) Fenómeno que se aborda.

b) Lugar y tiempo.

c) Pequeña descripción de lo que se quiere lograr.

d) Posibilidades de obtener la información y de solucionar el problema.

e) Los objetivos principales y secundarios

Planteamiento Matemático

Es una respuesta a la formulación del problema

I) Planteamiento Matemático General.

El planteamiento matemático general consta de índices, variables, parámetros, restricciones y función objetiva

Planteamiento Matemático.

Se utiliza en el proceso de aplicación y al igual que la formulación es secuencial. Puede ser corregido o perfeccionado cuándo se tiene la solución del problema.

Introducción de resultados

La introducción implica la estrategia o acción en el sistema que ha sido modelado y que va a tener en cuenta los resultados obtenidos. Claro que la dinámica productiva muchas veces en muy rápida pero para introducir los resultados en la práctica se hacen necesario su seguimiento de manera que se pueda corregir cualquier alteración que surja en el proceso.

En muchos casos se podría considerar un diseño adecuado como óptimo. Esto sucede en aquellos casos donde los efectos indeseables están relativamente lejos de sus límites de tolerancia, y donde el costo del diseño es minimizado por la aplicación de métodos de prueba -error, usando la experiencia y el buen juicio con algún análisis simple si es necesario.

A pesar de que el diseño adecuado de un elemento mecánico haya resultado en un comportamiento satisfactorio de una máquina por muchos años, en muchos casos un estudio de su diseño óptimo resultará en ahorros invaluables o en un apreciable mejoramiento del comportamiento o de la calidad del elemento. Esto permite afirmar que el sólo hecho de que un diseño sea adecuado no es criterio suficiente para descartar la posibilidad de realizar un estudio de optimización.

4.3 Diseño óptimo de elementos mecánicos típicos (ejes, engranes, etc)

El diseño de sistemas mecánicos esta aplicado a la ingeniería y de diversos estándares y recomendaciones existentes en la particular área de diseño, así como de la propia experiencia del diseñador. Actualmente

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