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One-Degree Imager (ODI), WIYN Observatory SolidWorks Simulation I. Tecnologico de Matamoros Abril/2014
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One-Degree Imager (ODI), WIYN Observatory
SolidWorks SimulationI. Tecnologico de Matamoros
Abril/2014
2 © 2008 Dassault Systèmes SolidWorks Corp.
¿Qué es SolidWorks Simulation?
SolidWorks Simulation es un software de análisis de diseño totalmente integrado en SolidWorks.
SolidWorks Simulation simula las pruebas del prototipo de su modelo en su entorno operativo. Puede ayudar a responder a preguntas como: ¿cómo de seguro, eficaz y económico es su diseño?
SolidWorks Simulation sirve para estudiantes, diseñadores, analistas, ingenieros y otros profesionales para producir diseños seguros, eficaces y económicos.
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Ciclo de diseño típico
Use SolidWorks para crear el modelo.
Fabrique un prototipo.
Pruebe el prototipo bajo distintas condiciones de carga. En la mayoría de casos, hacen falta instrumentos.
En función de los resultados, modifique el modelo en SolidWorks, cree un nuevo prototipo y pruébelo otra vez hasta que quede satisfecho.
SolidWorks
Prototipo
Prueba
¿Satisfecho?
Producción en masa
No
Sí
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Beneficios del análisis
Los ciclos de diseño son costosos y necesitan mucho tiempo.
El análisis reduce el número de ciclos de diseño.
El análisis reduce el coste al probar el modelo con el equipo informático en vez de costosas pruebas en el campo.
El análisis reduce el tiempo de puesta en el mercado.
El análisis puede ayudarle a optimizar sus diseños al simular rápidamente muchos conceptos y escenarios antes de tomar una decisión final.
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El método de elementos finitos
Las soluciones analíticas sólo están disponibles para problemas simples. Hacen muchas suposiciones y no resuelven la mayoría de problemas prácticos.
SolidWorks Simulation usa el método de elementos finitos (FEM). El análisis que usa el FEM se denomina Análisis de elementos finitos (FEA) o Análisis de diseño.
FEA es muy general. Se puede usar para resolver problemas simples y complejos.
FEA es adecuado para la implementación informática. Está reconocido ampliamente como el método de análisis preferido.
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Concepto principal de análisis de diseño
FEM considera un problema complejo como muchos problemas simples. Subdivide el modelo en muchas piezas pequeñas de formas simples denominadas elementos.
Modelo CAD Modelo CAD subdividido en piezas pequeñas
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Concepto principal de análisis de diseño
Los elementos comparten puntos comunes denominados nodos. El comportamiento de estos elementos se conoce ampliamente en todos los escenarios posibles de soporte y carga.
El movimiento de cada nodo se describe completamente por las traslaciones en las direcciones X, Y y Z, que se denominan grados
de libertad (DOF). Cada nodo tiene 3 DOF.
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Concepto principal de análisis de diseño
SolidWorks Simulation escribe las ecuaciones que rigen el comportamiento de cada elemento teniendo en cuenta su conectividad con otros elementos.
Estas ecuaciones relacionan las propiedades, restricciones y cargas del material desconocidas (por ejemplo, desplazamientos en el análisis de tensión) con las conocidas.
A continuación, el programa une las ecuaciones en un gran conjunto de ecuaciones algebraicas simultáneas, que pueden ser cientos de miles o incluso millones de ecuaciones.
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Concepto principal de análisis de diseño
En el análisis estático, el solucionador encuentra los desplazamientos en las direcciones X, Y y Z en cada nodo.
Ahora que se conocen los desplazamientos en cada nodo, el programa calcula las deformaciones en varias direcciones. La deformación es el cambio en la longitud dividida por la longitud original.
Por último, el programa usa expresiones matemáticas para calcular las tensiones derivadas de las deformaciones.
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Tipos de análisis: Análisis estático o de tensión
Es el tipo de análisis más común. Asume el comportamiento lineal del material e ignora las fuerzas inerciales. El cuerpo vuelve a su posición original cuando las cargas desaparecen.
Calcula los desplazamientos, las deformaciones, las tensiones y las fuerzas de reacción.
Un material falla cuando la tensión alcanza un determinado nivel. Los distintos materiales fallan a niveles de tensión diferentes. Con el análisis estático podemos probar el fallo de muchos materiales.
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Tipos de análisis: Análisis estático no lineal
Use el análisis no lineal cuando se aplique al menos una de las siguientes condiciones:
a) La relación tensión-deformación del material no es lineal.
b) Los desplazamientos incluidos son lo suficientemente grandes como para
cambiar la rigidez.c) Los contornos varían durante la carga
(como en los problemas de contacto). El análisis no lineal calcula las tensiones, los desplazamientos,
las deformaciones y las fuerzas de reacción en todos los niveles de carga deseados.
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Tipos de análisis: Análisis de pandeo
Los modelos alargados sometidos a cargas axiales de compresión tienden a sufrir una gran deformación lateral repentina. Este fenómeno se denomina pandeo.
El pandeo se puede producir antes de que el material falle debido a las altas tensiones.
El análisis de pandeo muestra el fallo debido al pandeo y predice cargas críticas.
Carga axial
Esta barra alargada
sometida a una carga axial fallará debido al pandeo antes de que el
material comience a fallar por las
altas tensiones.
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Tipos de análisis: Análisis de frecuencia
Todo cuerpo tiende a vibrar a determinadas frecuencias denominadas frecuencias naturales.
Para cada frecuencia natural, el cuerpo adopta una determinada forma denominada forma modal. El análisis de frecuencias calcula las frecuencias naturales y las
formas modales asociadas.
En teoría, un cuerpo tiene un número infinito de modos. En FEA, existen tantos modos como en DOF. En la mayoría de casos, se tienen
en cuenta los primeros modos dominantes para el análisis.
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Tipos de análisis: Análisis de frecuencia
Las tensiones excesivas se producen si un cuerpo está sometido a una carga dinámica que vibra a una de sus frecuencias naturales. Este fenómeno se denomina resonancia.
El análisis de frecuencia le puede ayudar a evitar la resonancia y a solucionar los problemas
de respuesta dinámica.
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Tipos de análisis: Análisis térmico y análisis de tensión térmica
Análisis térmico
Calcula la temperatura en cada punto del modelo en función de las cargas térmicas y los contornos térmicos. Los resultados incluyen el flujo y los gradientes térmicos.
Análisis de tensión térmica
Calcula las tensiones, las deformaciones y los desplazamientos debido a los efectos térmicos y a los cambios de temperatura.
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Tipos de análisis: Análisis de optimización
Calcula la solución óptima para un problema basado en:– Objetivo: establece el objetivo del análisis, como
la minimización de material del modelo.– Variables de diseño: especifica los intervalos aceptables
para las cotas que pueden cambiar.– Restricciones: establece las condiciones que debe reunir
el diseño óptimo, como la especificación de un valor máximo para las tensiones.
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¿Qué es la tensión?
Cuando una carga se aplica a un cuerpo, éste intenta absorber el efecto generando fuerzas internas que varían de un punto a otro.
La intensidad de estas fuerzas se denomina tensión. La tensión es la fuerza por unidad de área.
La tensión en un punto es la intensidad de la fuerza sobre una pequeña área alrededor de dicho punto.
F
A
P
P
lim F/AA
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¿Qué es la tensión?
La tensión es la cantidad de tensor descrita por la magnitud y la dirección con respecto a un plano dado. La tensión se describe completamente mediante seis componentes:
– SX: tensión normal en la dirección X– SY: tensión normal en la dirección Y– SZ: tensión normal en la dirección Z– TXY: tensión de cortadura en la
dirección Y sobre el plano YZ– TXZ: tensión de cortadura en la
dirección Z sobre el plano YZ–TYZ: tensión de cortadura en la
dirección Z sobre el plano XZ La tensión positiva indica tensión y la tensión
negativa indica compresión.
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Tensiones principales
P1: tensión normal en la primera dirección principal (la mayor).
P2: tensión normal en la segunda dirección principal (intermedia).
P3: tensión normal en la tercera dirección principal (la menor).
Las tensiones de cortadura desaparecen para algunas orientaciones. Las tensiones normales en estas orientaciones se denominan
tensiones principales.
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tensión de von Mises
La tensión de von Mises es un número escalar positivo que no tiene dirección. Describe el estado de tensión en un número.
Muchos materiales fallan cuando la tensión de von Mises supera un determinado nivel.
En términos de tensiones normales y de cortadura, la tensión de von Mises viene dada por:
VON12---
SX SY– 2 SX SZ– 2 SY SZ– 2+ + 3 TXY2 TXZ2 TYZ2+ + +
1 2
=
En términos de tensiones principales, la tensión de von Mises viene dada por:
VON12---
P1 P2– 2 P1 P3– 2 P2 P3– 2+ +
1 2
=
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Intensidad de la tensión
La intensidad de la tensión (INT) se define como la diferencia entre la tensión principal mayor y la menor:
La intensidad de la tensión es el doble de la tensión de cortadura máxima.
INT = P1 – P3
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Pasos del análisis
1. Crear un estudio para definir el tipo de análisis.
2. Definir el material para cada componente.
3. Aplicar cargas y restricciones.
4. Mallar el modelo. Se trata de un paso automático en el que el programa subdivide el modelo en muchas piezas pequeñas.
5. Ejecutar el análisis.
6. Ver los resultados.– Los pasos 2, 3 y 4 se pueden realizar en cualquier orden.
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Creación de un estudio
El primer paso en el análisis con SolidWorks Simulation es crear un estudio.
Un estudio simula un caso de prueba o un escenario hipotético. Define la finalidad (tipo), los materiales, las restricciones y las cargas del análisis.
Puede crear muchos estudios y los resultados de cada estudio se pueden visualizar en cualquier momento.
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Definición de materiales
Puede seleccionar un material de la biblioteca o puede definir las propiedades del material de forma manual.
También puede agregar sus propiedades del material para crear bibliotecas de materiales personalizados.
Los resultados dependen del material usado para cada componente.
Los materiales pueden ser isotrópicos u ortotrópicos. Los materiales isotrópicos tienen las mismas propiedades en todas las direcciones.
Los materiales ortotrópicos tienen distintas propiedades en diferentes direcciones (como la madera).
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Definición de restricciones y cargas
Se deben aplicar restricciones adecuadas para impedir el movimiento del cuerpo rígido.
Las cargas incluyen las fuerzas, la presión, el momento de torsión, los desplazamientos centrífugos, gravitacionales, prescritos no cero, y las cargas térmicas. También hay disponibles opciones especiales para las fuerzas remotas y de soporte.
Las restricciones definen cómo se soporta el modelo. Un cuerpo que no esté restringido puede moverse de forma indefinida como un cuerpo
rígido.
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Mallado
El mallado subdivide el modelo en muchas piezas pequeñas denominadas elementos para la simulación matemática.
Los elementos de menor tamaño ofrecen resultados más precisos, pero requieren más recursos informáticos.
El programa sugiere un tamaño de elemento global promedio para el mallado. Esta es la longitud promedio de un lateral del elemento.
En regiones críticas (cargas concentradas, geometría regular), puede aplicar Mesh Control (Control de malla) para reducir el tamaño del elemento y mejorar la precisión de los resultados.
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Tipos de mallado
Elija el tipo de malla cuando cree un estudio. Puede elegir: malla sólida, malla de vaciado utilizando superficies medias, malla de vaciado utilizando superficies, malla mixta y malla de viga.
Use malla sólida para los modelos de gran tamaño. Use malla de vaciado utilizando superficies medias
para modelos simples delgados con espesor constante.
Use malla de vaciado utilizando superficies para crear vaciados con distintos espesores y materiales en las caras seleccionadas.
Use malla mixta cuando tenga cuerpos de gran tamaño y delgados en el mismo modelo.
Use malla de viga para modelar miembros estructurales.
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Mallado
En función del tamaño del elemento, el programa coloca puntos (nodos) en los contornos y, a continuación, rellena el volumen con elementos tetraédricos 3D para malla sólida, o con elementos triangulares 2D para malla de vaciado.
Debe mallar el modelo después de realizar cualquier cambio en la geometría. Los cambios en el material, la restricción y la carga no requieren un nuevo mallado.
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Control de malla
Ejemplos de control de malla:
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Uso de simetría
El uso de simetría reduce el tamaño del problema y mejora los resultados.
La simetría requiere que la geometría, las cargas, las propiedades del material y las restricciones
sean simétricas. Requisitos de las restricciones de simetría:– Modelos sólidos: a todas las caras que coinciden con un plano de simetría se les impide moverse en la dirección normal.
– Modelos de vaciado: a todas las aristas que coinciden con un plano de simetría
se les debería impedir moverse en la dirección normal y rotar sobre las otras
dos direcciones ortogonales. Las restricciones de simetría se deberían evitar
en los estudios de frecuencia y pandeo.
Modelo simétrico con respecto a un plano.
Mitad del modelo con restricciones de simetría
aplicadas.
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Malla de vaciado
Puede usar la malla de vaciado en vez de una malla sólida para modelar piezas delgadas.
Los elementos de vaciado resisten las fuerzas de membrana y plegado.
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Malla de vaciado
La malla de vaciado con calidad de borrador usa elementos triangulares lineales con tres nodos en esquina.
La malla de vaciado con calidad alta usa elementos triangulares parabólicos con tres nodos en esquina y tres nodos de tamaño medio.
Cada nodo en un elemento de vaciado tiene seis DOF: tres traslaciones (dir X, Y, Z global) y tres rotaciones (sobre los ejes X, Y y Z globales)
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Métodos adaptativos para estudios estáticos
Las regiones críticas son ubicaciones de fuerzas concentradas y geometrías irregulares (esquinas pronunciadas) donde se producen las concentraciones de tensión.
En estas regiones críticas, los resultados de los nodos de elementos adyacentes comunes divergen significativamente. Los métodos adaptativos pueden mejorar la exactitud de los resultados automáticamente.
Los métodos adaptativos se basan en una estimación de error y en técnicas de ajuste de curvas.
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Métodos adaptativos para estudios estáticos
El método adaptativo p usa un orden de elementos mayor (orden polinómico del campo de desplazamiento) para reducir los errores. No cambia el tamaño del elemento.
El método adaptativo h refina la malla (tamaños de elementos más pequeños) al usar más elementos en regiones críticas.
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Ejecución de análisis
Tras definir los materiales, aplicar las restricciones y cargas, y mallar su modelo, ejecute el análisis.
Durante el análisis, el programa calcula los resultados. Este paso incluye un intenso cálculo numérico. En muchos casos, el programa resolverá cientos de miles de ecuaciones algebraicas simultáneas.
SolidWorks Simulation cuenta con solucionadores innovadores, rápidos y precisos.
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Visualización de resultados
Tras completar el análisis, puede visualizar los resultados.
SolidWorks Simulation ofrece herramientas sencillas avanzadas para visualizar los resultados en unos pocos clics.
Use trazados de sección e ISO para mirar dentro del cuerpo.
El asistente para verificación de diseño comprueba la seguridad de su diseño para estudios estáticos.
SolidWorks Simulation genera un informe estructurado preparado para Internet para sus estudios.
