Diseño en ingenieria mecanica de Shigley

56 PARTE UNO Fundamentos
Figura 2-14
Compuestos ordenados por
tipo de refuerzo.
Compuesto con
partículas
Compuesto de fibras cortas
orientadas en forma aleatoria
Compuesto de fibras
continuas unidireccionales
Compuesto de
tela tejida
puestos suelen construirse con muchas capas (laminadas), donde cada una de ellas se orienta
para alcanzar la rigidez y resistencia óptimas.
Pueden lograrse altas relaciones de resistencia a peso, hasta de cinco veces más grandes
que las de los aceros de alta resistencia. También pueden obtenerse altas relaciones de rigidez
a peso, hasta de ocho veces más grandes que la de los metales estructurales. Por esta razón,
los materiales compuestos se han popularizado en aplicaciones de automóviles, aviones y
naves espaciales, donde el peso es un factor muy importante.
La direccionalidad de las propiedades de los materiales compuestos incrementa la complejidad
de los análisis estructurales. Los materiales isotrópicos están completamente definidos
por dos constantes de ingeniería: el módulo de Young, E, y la razón de Poisson, v. Sin
embargo, una sola capa de un material compuesto requiere cuatro constantes, definidas con
respecto al sistema de coordenadas de la capa. Las constantes son dos módulos de Young (el
módulo longitudinal en la dirección de las fibras, E 1 , y el modulo transversal que es normal
a las fibras, E 2 ), una relación de Poisson (v 12 , llamada la relación mayor de Poisson), y un
módulo cortante (G 12 ). Una quinta constante, la relación menor de Poisson, v 21 , se determina a
través de la relación de reciprocidad, v 21 / E 2 = v 12 / E 1 . Al combinar esto con múltiples capas
orientadas hacia diferentes ángulos hace que el análisis estructural de estructuras complejas
sea inaccesible mediante técnicas manuales. Por esta razón, existe software de computadora
para calcular las propiedades de una construcción compuesta laminada. 15
2-21 Selección de materiales
Como se estableció antes, la selección de un material para construir una parte de máquina o
un elemento estructural es una de las decisiones más importantes que debe tomar el diseñador.
Hasta este punto, en el capítulo se han estudiado muchas propiedades físicas importantes
de los materiales, distintas características de los materiales de ingeniería típicos y diferentes
procesos de producción de materiales. La selección real de un material para una aplicación
de diseño particular puede ser fácil, por ejemplo, con base en aplicaciones previas (el acero
1020 siempre es un buen candidato debido a sus múltiples atributos positivos), o el proceso
de selección puede ser tan complicado y desalentador como cualquier problema de diseño
con la evaluación de muchos parámetros físicos, económicos y de procesamiento del material.
Existen enfoques sistemáticos y de optimización para seleccionar el material. Con propósitos
ilustrativos, aquí sólo se verá cómo abordar algunas propiedades de los materiales. Una técnica
básica consiste en enlistar todas las propiedades importantes de los materiales asociadas
con el diseño, por ejemplo, resistencia, rigidez y costo. Esto puede priorizarse usando una
medida de ponderación que dependerá de cuáles propiedades son más importantes que otras.
Enseguida, para cada propiedad, se hace una lista de todos los materiales disponibles y se
15 Puede encontrar una lista sobre software para materiales compuestos en http://composite.about.com/cs/software/
index.htm