• Tornillos Sólidos Pretensados con SOL101

He grabado un vídeo explicando cómo resolver en FEMAP V2019.1 problemas de contacto superficie-a-superficie con “múltiples” tornillos pretensados mallados con elementos 3-D sólidos CHEXA de 8-nodos usando el solver de Análisis Estático Lineal Simcenter Nastran (SOL101). Y aquí el uso del término “múltiple” es clave porque si el modelo de FEMAP incluyera un único tornillo sólido pretensado el cálculo estático lineal estaría bien, pero si tenemos más de un tornillo sólido pretensado el resultado que se obtiene no es correcto, sólo se pretensa un tornillo sólido de forma efectiva, el resto de tornillos no trabajan. El error ya se ha reportado al equipo de desarrollo de Simcenter Nastran. Y si el usuario es diligente en el sentido de verificar la bondad de los resultados enseguida se dará cuenta del error.

  • Pero si quieres pretensar tornillos sólidos genuinos con la versión actual de FEMAP V2019.1 sin modificar el mallado ni poder esperar a que se corrija el error, aquí tienes una solución alternativa, verás qué fácil!!.

Modelo Ejemplo

Para explicar el proceso de creación del modelo de Elementos Finitos de tornillos sólidos pretensados en FEMAP V2019.1 he “inventado” la geometría y cargas de un ejemplo bastante sencillo consistente en un ensamblaje de acero con 4 tornillos de M10 calidad 8.8 pretensados con 20 kN cada uno y una carga axial de tracción de valor 100 kN como carga de servicio:

Para el dato de precarga en los tornillos he utilizado la WEB de TRIBOLOGY-ABC.com que contiene información de gran ayuda para el ingeniero de diseño.

En el Simcenter Nastran USER’S GUIDE tenéis la descripción completa del proceso de cálculo que sigue el software Simcenter Nastran para el pretensado de tornillos …

Bolts (and certain types of threaded fasteners) are commonly tightened to levels producing very high preload forces. Preloading bolts to about 75% of their proof strength is typical. The bolt preload capability in Simcenter Nastran allows you to predict stresses in the bolts and the bolted medium that arise from bolt preload forces alone or bolt preload forces and service loads.

Historically, bolt preload was modeled using either an equivalent thermal load approach or a multipoint constraint (MPC) approach. Both methods are capable of providing accurate results. However, both methods are labor intensive requiring multiple solutions, manual capture of data, and hand calculations.

The Simcenter Nastran approach is much more efficient because the entire run is automated and allows for direct entry of the bolt preload forces. During the run, the model is solved twice. The first solution calculates the strains in the bolts resulting from bolt preload forces. The second solution uses that strain along with any other service loads as the total applied load.
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Malla con Elementos 3-D Sólidos CHEXA

La siguiente imagen muestra el modelo mallado con elementos sólidos 3-D a base de hexaedros CHEXA de 8-nodos, obteniendo una malla de excelente calidad y reducido tamaño (∼50,000 nodos y ∼39,000 elementos): en problemas de contacto crear un tamaño de modelo con el menor nº de nodos es clave, sólo es posible mallando con elementos hexaédricos CHEXA de 8-nodos, olvídate de los tetraedros CTETRA de 10-nodos, el modelo resultante sería alrededor de 10 veces mayor!! (en problemas de contacto no es lo mismo resolver un modelo con 50,000 nodos que 500,000 nodos, ojo!!). Atentos al vídeo cuando explico cómo evitar penetraciones de mallado no deseadas entre elementos de contacto!!, es clave para obtener resultados de tensiones razonables, sin que exista concentración de tensiones elevadas ni deformaciones no deseadas.

Bolt Region

El primer paso para definir en FEMAP una precarga en tornillos sólidos es usar la orden “Connect > Bolt Region” seleccionando los nodos de un plano transversal y el eje axial del tornillo sólido, con esta información el solver Simcenter Nastran calculará el área de la sección transversal y la orientación del tornillo.

Bolt Preload

A continuación se define la precarga del tornillo usando la orden “Model > Load > Bolt Preload“, esta orden se puede usar en un análisis estático lineal (SOL101), modal (SOL103), pandeo (SOL105), no lineal avanzado (SOL601) y con los nuevos módulos de análisis no lineal multi-step structural & kinematic (SOL401/402). Cada “Bolt Preload” se asocia con su correspondiente “Bolt Region” (que deberá estar definida con antelación en caso de tornillos mallados con elementos sólidos).

Truco: un Tornillo por Caso de Carga

Investigando con el GTAC (quiero dar las gracias a mi amigo David Whitehead, grande!) el error está en la entrada BOLTFOR de Simcenter Nastran: cuando más de una tarjeta BOLTFOR se escribe con un mismo SID en teoría los tornillos identificados por su ID (en el listado siguiente los tornillos 100, 101, 102 y 103) se deberían precargar todos juntos, pero esto no ocurre debido a un error de software.

La solución es crear un caso de carga por cada tornillo por separado, meter BOLT PRELOAD#1 en el LOAD CASE#1, BOLT PRELOAD#2 en el LOAD CASE#2 y así sucesivamente.

Y finalmente combinar todos los casos de carga en tornillos usando la orden “Model > Load > Combine” creando una combinación del tipo NASTRAN LOAD con un factor de escala de 1.0 aplicado a cada caso de carga primario, de esta forma tenemos una combinación que incluye todos los tornillos pretensados para utilizarla durante el cálculo.

Es clave no confundirse al crear la combinación de casos de carga, asegúrate de elegir “Nastran LOAD Combination” en vez de “Standard” (por defecto).

Si ejecutamos la orden “Model > Analysis > Preview Input” y generamos el fichero de entrada de Simcenter Nastran veremos que FEMAP usará diferente SID con cada tarjeta BOLTFOR, resolviendo el problema aparentemente.

Pero no, todavía no está resuelto el problema por completo: FEMAP no escribe el contenido de la tarjeta BOLTLD ni en el “bulk data” ni en el “case control section“, un nuevo error esta vez culpa de FEMAP causado por usar la combinación NASTRAN LOAD, así que es necesario meter su valor usando un “user defined text“.

No hay problema, en el CASE CONTROL SECTION de nastran metemos a mano el texto BOLTLD = 999

Y en el BULK DATA SECTION metemos a mano el texto siguiente (fijaros que cada campo son 8 caracteres):

$$
BOLTLD       999     1.0     1.0       1     1.0       2     1.0       3+
+            1.0       4
$$

En vez de activar el EDIT PREVIEW y pegar el texto en el fichero de entrada de nastran es más recomendable editar el estudio correspondiente y meter el texto de usuario como parte del análisis, de esta forma todo el contenido forma parte del mismo análisis, no tienes que meterlo de nuevo cada vez que ejecutas un PREVIEW INPUT.

Por ejemplo, en el estudio activo vete a “Options > Bulk Data” y haz doble-clic en cualquier campo:

Verás que se despliega la ventana del “Nastran Bulk Data Options“. En la esquina inferior derecha haz clic en “End Text” (puedes meterlo al principio o al final, a mí me gusta más al final de cada sección), quiere decir que vamos a meter un texto de usuario que se añadirá a final de la sección “NASTRAN Bulk Data” del fichero de entrada de Nastran que escriba FEMAP:

Y finalmente se abre una nueva ventana titulada “Analysis Text” donde el usuario podrá pegar el texto de la tarjeta BOLTLD:

La siguiente imagen muestra la sintaxis de la tarjeta BOLTLD, cada orden de nastran la tenéis disponible en FEMAP en “Help > Simcenter Nastran > QUICK REFERENCE GUIDE (QRG)“, el QRG es la biblia, un PDF con casi 2400 páginas!!. Es importante conocer la sintaxis de la orden BOLTLD, así en caso de tener un modelo con más de 4 tornillos podrás editar el texto de entrada correctamente, OK?.

Postprocesado de Resultados

Sólo Cargas de Servicio:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en tornillos usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo cargas de servicio: aquí no se ha definido ninguna precarga en tornillos, así que todo trabaja a tracción. Las tensiones en los tornillos rondan los 800 MPa.

Usando la creación automática de grupos por propiedades en FEMAP nos permite aislar componentes por propiedades y mostrar la leyenda de resultados ajustada únicamente a los nodos y elementos del grupo, permitiendo estudiar los desplazamientos y  tensiones en cada componentes de forma exacta. Así, activando el grupo de una de las bridas, podemos mostrar en pantalla las tensiones nodales (MPa) en la brida usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo cargas de servicio, como vemos unos 325 MPa.

Sólo Precarga en Tornillos:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en tornillos usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo precarga en tornillos. Viendo la deformada se demuestra que todos los tornillos están trabajando de forma efectiva, con una tensión alrededor de los 425 MPa.

La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en la brida usando la componente de Tensión de vonMises = 150 MPa, bajo la precarga en tornillos. Aquí la brida trabaja masivamente a compresión, por eso no pongo la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) ya que su valor es testimonial (alcanza únicamente unos 15 MPa), la brida está trabajando únicamente bajo la precarga de los tornillos a compresión.

Precarga en Tornillos + Cargas de Servicio:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en el grupo de los tornillos usando la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) bajo cargas de pretensado + servicio: nótese que la máxima tensión en los tornillos casi alcanza los 1000 MPa.

Dado que la tensión en los tornillos con la precarga de 20 kN está cerca de los 1000 MPa es recomendable usar tornillos de alta resistencia (TAR) de calidad 10.9, o cambiar directamente a tornillos de M12. También dependiendo del objetivo del diseño, por ejemplo supongamos que se busca además minimizar la separación de las bridas para conseguir una unión lo más estanca posible, entonces sería recomendable duplicar el nº de tornillos en vez de aumentar la métrica, etc… Nótese que este artículo es un TUTORIAL para enseñar cómo trabajar con tornillos pretensados usando FEMAP V2019.1 y Simcenter Nastran, no tiene mayores pretensiones sobre opciones de diseño, ¿OK?.

Y finalmente la siguiente imagen muestra las tensiones nodales (MPa) en el grupo de la brida usando la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) bajo cargas de pretensado + servicio: vemos que gracias al pretensado de los tornillos la máxima tensión principal de tracción de la brida se reduce en unos 90 MPa, pasamos de 390 MPa a menos de 300 MPa, esto demuestra que las uniones atornilladas siempre deben someterse a un proceso de pretensado, las ventajas de aumento de vida a fatiga en los componentes mecánicos es importante.

Las uniones con tornillos pretensados son más eficaces que las uniones realizadas con tornillos NO pretensados ya que resisten mejor lo efectos de fatiga al no depender su tensión directamente de las cargas de servicio. Además, el rozamiento existente evita que los tornillos trabajan a cortadura (por cierto, en este ejemplo en la propiedad de contacto no se ha incluido rozamiento, existe deslizamiento perfecto). En definitiva, usando una carga de pretensado correcta en los tornillos se consigue una unión mucho más rígida, menos deformable y con un comportamiento óptimo a fatiga en el estado límite de servicio.

Pues nada, espero que este artículo os sea útil y sirva de ayuda para resolver con éxito problemas de tornillos pretensados mallados con elementos sólidos y resueltos mediante cálculo estático lineal con FEMAP y Simcenter Nastran (SOL101), si tenéis cualquier pregunta no dudéis en consultarme, encantado de ayudaros.
Aquí tenéis el video que he grabado explicando paso-a-paso el proceso, espero que os guste!!.

Ya estoy preparando el siguiente post titulado “Tornillos Pretensados con SOL401“, usaré este mismo ejemplo de tornillos sólidos para enseñar cómo resolver el problema usando el nuevo módulo Simcenter Nastran No Lineal Multi-Step Structural (SOL401), compararemos resultados con el módulo estático lineal (SOL101) ….

Saludos,
Blas.

• Nuevo Simcenter FEMAP V2019.1 (Junio 2019)

Nos complace informar que la nueva versión del software de Análisis por Elementos Simcenter™ Femap™ 2019.1 está disponible para descarga desde el GTAC de SIEMENS PLM con fecha Junio 2019.

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• SDC Verifier 5.2 para FEMAP

SDC Verifier 5.2 (Junio 2019) es un software de ingeniería desarrollado desde su inicio para trabajar integrado con FEMAP (recientemente también disponible para Ansys y Simcenter 3D) capaz de realizar el postprocesado de resultados y la verificación del modelo de Elementos Finitos de acuerdo con los estándares más importantes del mercado. Automatiza gran cantidad de rutinas como combinación de casos de carga, reconocimiento de uniones y generación automática de informes de resultados. Permite realizar cálculos de fatiga en cordones de soldaduras en modelos estructurales mallados con elementos 2-D Shell, así como verificar la estabilidad estructural a pandeo en vigas y placas de acuerdo con los estándares de mercado más importantes: ANSI/AISC 360-10, API 2A RP, DIN 15018, Eurocode 3 Fatigue, Eurocode 3 Member Checks, ISO 19902, Norsok N004, Plate Buckling ABS 2004, Plate Buckling ABS 2014, Plate Buckling DNV RP-C201 2010, Plate Buckling DNV CN30/1995, o personalizar cualquier standard de verificación según las necesidades del usuario.

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• VIDEOS sobre Preprocesado Avanzado con FEMAP

En esta serie de cinco vídeos se muestran las tareas típicas de Preprocesado y preparación de la geometría así como el mallado por Elementos Finitos con FEMAP V12 de un típico panel rigidizado con nervios longitudinales perteneciente a la industria aeronáutica. Las tareas de preparación del modelo usando el MESHING TOOLBOX de FEMAP incluyen la limpieza de la geometría a partir del modelo CAD 3D Sólido, la idealización geométrica consistente en la creación de MIDSURFACES, el mallado con elementos 2-D Shell CQUAD4 de 4-nodos, y el mallado alternativo de los rigidizadores con elementos viga 1-D CBEAM de 2-nodos.

Limpieza de la Geometría:

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• VIDEOS de Introducción a FEMAP y NX NASTRAN

Los siguientes vídeos son una introducción básica a FEMAP y NX NASTRAN: muchas veces estamos pensando en mostrar y enseñar las capacidades más avanzadas de mallado y análisis por Elementos Finitos y nos olvidamos que hay también muchos ingenieros y diseñadores que no tienen experiencia práctica en el manejo de herramientas de cálculo y diseño tan potentes como FEMAP y NX NASTRAN, así que estos videos van dirigidos a todos aquellos/as que quieran iniciarse en esta profesión tan bonita de Ingeniero Analista y Calculista, aquí os dejo en compañía de mis colegas y amigos del equipo de desarrollo de FEMAP (USA).

Introducción al Interface de Usuario de FEMAP:

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• Nuevo FEMAP V12.0.1a

Tenemos el placer de informarte que una nueva versión de FEMAP V12.0.1a está disponible para descarga desde el servidor GTAC de SIEMENS PLM. La nueva versión de FEMAP V12.0.1a resuelve varios problemas, algunos de los cuales se introdujeron en v12.0.1 y otros que existían tanto en v12.0.1 como en v12.0.

Si aún NO has instalado FEMAP v12.0.1, entonces descarga la nueva versión de FEMAP v12.0.1a desde la rama “12.0.1” en la sección “Full Products“. La descripción de los ficheros existentes bajo la rama “12.0.1” es la siguiente:

FEMAPv1201a_ML.zip

La descarga de “FEMAPv1201a_ML.zip” consiste en una imagen comprimida del DVD de FEMAP v12.0.1a. Descomprima el ZIP en una ubicación temporal e instale como de costumbre. Se recomienda encarecidamente que todos los usuarios de FEMAP v12.0 cambien a FEMAP v12.0.1a. Los usuarios que actualicen desde versiones anteriores de FEMAP deben instalar v12.0.1a directamente, no v12.0.1 ó v12.0.
El ZIP incluye lo siguiente:

  • FEMAP
  • FEMAP with NX Nastran
  • FEMAP Thermal / Advanced Thermal and Flow
  • VisQ
  • Conexión con Solid Edge
  • Servidor de licencias FLEXLM

FEMAPv1201a_ML_UPDATE.zip

Si ya tienes instalado FEMAP v12.0.1, entonces puede ser más eficiente descargar e instalar el parche v12.0.1a incluido en “FEMAPv1201a_ML_UPDATE.zip” en lugar de descargar el DVD completo. Este archivo ZIP comprimido contiene el ejecutable FEMAPv1201a_ML_UPDATE.exe, que solo actualizará “femap.exe“, “readme.pdf” y “commands.pdf“. Esto puede ser más conveniente que descargar la instalación de FEMAP v12.0.1a completa mencionada en el párrafo anterior.

FEMAPv1201_SATOOLKIT.zip

ZIP para instalar por separado el módulo “FEMAP Structural Analysis Toolkit for Nastran” (ver la descripción de este módulo aquí: http://www.iberisa.com/productos/femap/femap_structural_analysis_toolkit.htm). La instalación de “FEMAP with NX Nastran” es un requisito previo y debe instalarse primero.

Los detalles completos de las nuevas funciones y correcciones de errores en FEMAP v12.0.1a (así como todas las versiones anteriores a v10.0) se pueden encontrar en el archivo “/pdf/readme.pdf” que se encuentra en el directorio donde haya instalado FEMAP.

Saludos,
Blas.

• Contacto Hertz en FEMAP y NX NASTRAN con elementos GAP

En 1882 Heinrich Hertz resolvió el problema del contacto entre dos cuerpos elásticos con superficies curvas. Esta relevante solución clásica supone el fundamento para problemas más modernos de la mecánica de contacto. Los principios de la mecánica de contacto pueden ser aplicables en áreas como el contacto rueda-carril, mecanismos de acoplamiento, embragues, sistemas de frenos, neumáticos y rodamientos deslizantes, motores de combustión, articulaciones, juntas, remodelaciones, estudio de materiales, soldadura por ultrasonidos, contactos eléctricos y muchos otros. Los desafíos actuales en este campo incluyen desde la verificación de resistencia entre elementos de contacto y la influencia de la lubricación y el diseño de material en la fricción y el desgaste. Otras aplicaciones de la mecánica de contacto se amplían al campo de la micro y nanotecnología.

cgap-elements-hertz-contact.png

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