FEMAP V11.3.1 (Julio 2016)

Desde el pasado 13 de Julio tenemos nueva versión de FEMAP V11.3.1 disponible para descarga en el servidor FTP de SIEMENS desde el GTAC (necesitarás una WEBKEY activa). Selecciona la opción Carga y Descarga de Archivos para acceder al SPLM Download Server, y seguidamente vete a FEMAP > Full Products > Windows (64-bits) > V11.3.1 y descarga la imagen del DVD en formato ZIP. Descomprimir en un directorio temporal e instalar de forma habitual (una vez instalada con éxito la nueva versión se recomienda desinstalar la antigua).

Femap-V1131-OUTFEMAP V11.3.1 corrige varios errores detectados en la versión V11.3 e incluye nuevas mejoras. Recomendamos de forma encarecida a todos los usuarios instalar la nueva versión V11.3.1. Aquellos usuarios que estén actualizando desde versiones previas de FEMAP deben pasar directamente a instalar FEMAP V11.3.1.

FEMAP V11.3.1 es 100% compatible tanto a nivel de licencia como de base de datos con FEMAP V11.3. Los detalles del contenido de la nueva versión están disponibles en el fichero README.PDF que se instala con FEMAP V11.3.1

Saludos,
Blas.

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Nuevo FEMAP V11.3 (Mayo 2016)

Nueva versión de FEMAP V11.3

Desde el pasado mes de Mayo 2016 está disponible a nivel mundial la nueva versión de FEMAP V11.3, cuyos DVDs ya se han enviado a todos los clientes bajo mantenimiento activo. FEMAP V11.3 también está disponible para descargar desde el servidor FTP de SIEMENS PLM a través del GTAC en la sección FEMAP > FULL PRODUCT RELEASES.

FEMAP V11.3 es la última versión enfocada a resolver los complejos problemas de Análisis por Elementos Finitos e incluir avances y mejoras solicitadas por miles de usuarios de todo el mundo. La nueva versión introduce la función DRAW/ERASE que permite dibujar o borrar entidades de la pantalla de forma dinámica, lo cual puede ser muy útil en modelos grandes y complejos. La nueva opción QUAD MAX permite reducir el número de triángulos durante el mallado de superficies con elementos cuadriláteros. La opción ELEMENT REFINE es espectacular, permite refinar mallas 2-D de forma rápida y eficiente. También se ha rediseñado por completo la selección de caras en elementos para la aplicación de cargas o definición de regiones de contacto, resultando en un proceso muy rápido. En el apartado de Postprocesado el nuevo CONTOUR ARROWS permite visualizar resultados vectoriales de forma automática. Finalmente, los resultados de ABAQUS en formato ODB se puede usar con la orden ATTACH RESULTS para postprocesado.

Instalación

De forma similar a cualquier versión anterior de FEMAP los clientes bajo mantenimiento activo que tengan tanto licencia flotante como llave USB deberán actualizar la licencia para poder ejecutar la nueva versión de FEMAP V11.3.

Avances en Preprocesado

El siguiente vídeo muestra en detalle los avances en creación y edición de geometría y mallado:

square Draw/Erase

Nueva barra de herramientas para visualizar o borrar rápidamente partes del modelo; muy útil en grandes modelos.

square Connection Manager

El panel Connection Editor es una herramienta para manejar y/o editar de forma interactiva un gran número de conectores usando un estilo similar al DATA TABLE, donde cada Connector Pair aparece en una fila única dividido por columnas con información sobre la propiedad, las regiones MASTER y SOURCE y las coordenadas X, Y, Z del centro del conector. Todo se puede ordenador, filtrar, etc.., en resumen es una forma más fácil de gestionar conectores de contacto.

connection-editor1

square Beam Cross Section Enhancements

Se ha mejorado de forma importante la definición de las propiedades de la Sección Transversal de elementos Viga 1-D CBEAM/CBAR/CBEND, ofreciendo ahora información importante para el usuario que puede copiarse al Portapapeles o exportar como fichero de imagen con formato *.BMP para la creación de informes de resultados.

femapv113-beam-cross-section-enhancements1

Se puede cambiar entre ver la sección con sus medidas reales, o ver un dibujo esquemático de la sección con sus cotas:

femapv113-beam-cross-section-enhancements2

square Iconos de Propiedades mejorados

Se han mejorado los iconos utilizados en el MODEL INFO para definir de forma única el tipo de Propiedad del elemento. Por ejemplo, si se crea la propiedad de un elemento CBAR/CBEAM el icono tiene la forma de su sección transversal (si se selecciona como geometría una superficie del modelo entonces el icono tiene forma de “G“, de General Section).

femapv113-property-icons

square Interfaces de Geometría

Los siguientes interfaces de geometría han sido actualizados para soportar nuevos formatos geométricos:

femapv113-geometric-interfaces

Mejoras de Mallado

square MAX QUADS

La orden de mallado de superficies con elementos 2-D QUAD permite activar la opción MAX QUADS mediante la cual FEMAP intenta maximizar el número de elementos QUAD4 y minimizar el nº de triángulos.

MAX-QUADS

En el siguiente ejemplo la malla 2-D contiene CERO triángulos, todos los elementos son QUAD4. El uso de varias capas de elementos QUAD también es interesante, muchas veces mejora la calidad de la malla.

QUAD-MAX

square Element Refine

Una orden muy interesante!. Permite refinar la malla de elementos 2-D tipo Shell usando dos patrones diferentes:

  • 1 a 4: un elemento QUAD se divide en 4 elementos QUAD.
  • 1 a 9: un elemento QUAD se divide en 9 elementos QUAD.

FEMAP mantiene de forma automática la conectividad entre la malla refinada y el resto del modelo creando elementos de transición. Cualquier elemento 1-D tipo CROD/CBAR/CBEAM o similar que comparta nodos con los elementos 2-D Shell refinados también serán apropiadamente refinados.

element-refine-command

El siguiente ejemplo muestra la secuencia de refinado de malla utilizando la orden MESH > Editing > Element Refine:

element-refine1

  • Lo primero es elegir el patrón de refinado: la opción “1 a 4” es la más recomendable, es la que permite obtener la mejor calidad de la malla en los elementos de transición.
  • A continuación la opción “Split Edges” permite seleccionar “de golpe” todos los elementos Shell que comparten una misma arista, simplemente se selecciona la arista de un único elemento y listo!!.

  • Seleccionando una única arista de cualquier elemento Shell situado en la línea de intersección de las dos placas FEMAP expande la selección a todas las caras adyacentes, es inmediato!!.

element-refine3

  • FEMAP pre-visualiza cómo quedaría la malla 2-D SHELL tanto de los elementos refinados como la malla de los elementos de transición, buen trabajo!!.

element-refine4

  • La opción GROW permite crear automáticamente una nueva capa de elementos QUAD 2-D en el exterior de la selección actual.
  • La opción SHRINK borra una fila de elementos del borde exterior, es decir, el refinado de malla se “encoje”.

element-refine5

  • Cada vez que se pulsa en GROW la malla refinada crece una capa, y es instantáneo!!.

element-refine6

  • Una vez satisfechos con el trabajo de refinado de malla realizado, pulsa OK y la malla original se actualiza.

element-refine7

Si preguntamos a FEMAP por la calidad de la malla resultante vemos que es perfecta!!:

element-refine-element-quality

square Mesh Smoothing Improvements

Mejora de la calidad de la malla en superficies con elevada curvatura.

femapv113-smooth-mesh

square Geometry CleanUp (Meshing Toolbox)

La herramienta Feature Removal del Meshing Toolbox tiene nuevas opciones para los tipos de entidades a eliminar:

  • POINTNuevo!!: se utiliza para eliminar puntos redundantes.
    • NOTA: si de forma simultánea se selecciona más de un punto la herramienta está diseñada para no eliminar puntos pertenecientes a curvas con grandes diferencias en curvatura. Puede haber casos donde la curvatura no sea muy diferente, por ejemplo cuando un punto pertenece a dos Splines, y la herramienta no elimine el punto debido a dicha limitación de diseño. Cuando se selecciona un único punto, la herramienta utiliza una técnica más agresiva que permite eliminar el punto, pero únicamente cuando se selecciona uno-a-uno, OK?.
  • CURVE: aquí tenemos las siguientes opciones, Basic, Aggressive y Combine Surfaces.
    • BASIC (default): usa los mismos recursos de la orden GEOMETRY > SOLID > CLEANUP para eliminar curvas redundantes.
    • AGRESSIVE: usa funcionalidades del “Parasolid Bodyshop” para eliminar segmentos cortos mientras se mantiene la validez de la geometría. Esta orden puede cambiar la topología de la geometría.
    • COMBINE SURFACES: usa el kernel Parasolid para crear una nueva superficie en base a las surperficies originales que comparten la curva a eliminar. Tras finalizar la operación se eliminan todas las curvas pertenecientes a las dos surperficies originales, ya que son redundantes. Esta opción también elimina cualquier punto redundante en los extremos de las curvas eliminadas.

femapv113-feature-removal-curves-combine-surfaces2

femapv113-feature-removal-curves-combine-surfaces3

 

Soporte de Solvers de EF

square Nastran Interface (NX y MSC/MD)

A pesar de que la nueva versión de FEMAP V11.3 mantiene la misma versión integrada de NX NASTRAN 10.2, en cambio se añaden nuevas opciones de soporte de recursos Nastran que anteriormente no estaban disponibles en el interface gráfico de usuario (GUI) de FEMAP, aquí voy a mencionar los temas que me parecen más interesantes:

  • Restricciones No-Nulas: permite crear restricciones no nulas (NonZero Constraints) como entradas SPC.

femapv113-non-cero-constraints1

femapv113-non-cero-constraints2

  • Propiedad “Spring/Damper to Ground”: permite crear elementos CBUSH unidos directamente a tierra. La característica importante es que sólo se necesita seleccionar un único nodo para crear el elemento. Según el manual de NX Nastran “If GA and GB are coincident, or if GB is blank, then CID must be specified. When GB is blank, a grounded spring and damper is created at GA”.

FEMAPV113-CBUSH-to-ground

  • Propiedad “DOF Spring to Ground”: se usa para crear elementos CELAS2 unidos directamente a tierra usando un sólo nodo, es una forma muy simple de crear muelles unidireccionales definidos por un sólo nodo.

FEMAPV113-CELAS2-to-ground

square Solver Launch Control

FEMAP V11.3 incluye en la orden FILE > PREFERENCES > SOLVERS una solapa para la gestión de programas de cálculo (FEA solvers) junto con la posibilidad de incluir argumentos en la línea de comandos. La solapa SOLVERS permite seleccionar un programa de cálculo (es decir, el ejecutable del solver de elementos finitos) y mandar la lista de argumentos de la línea de comandos cuando el solver se ejecute desde FEMAP. Ya no hace falta crear ninguna variable de entorno MS-DOS, ahora el usuario puede elegir entre utilizar el solver integrado (es decir, NX Nastran), o un solver externo (por ejemplo, NX Nastran Enterprise), o lanzar el análisis utilizando el Gestor de Colas VisQ.

integrated-solver

preferences-solver

 

square Ansys y Abaqus Interface

  • Ansys Command Line Arguments: el nuevo interface de FEMAP V11.3 con Ansys soporta numerosas opciones para preparar el fichero de entrada para el solver Ansys.

ansys-interface1

  • Ansys Solution Monitor: presenta el mismo aspecto y funcionamiento que el utilizado habitualmente con NX Nastran. Permite cambiar entre visualizar el fichero de salida de resultados, o el fichero de errores.

ansys-interface2

  • CBUSH/PBUSH para Ansys y Abaqus: a pesar de que ni Ansys ni Abaqus tienen un elemento que iguale las capacidades de las órdenes CBUSH/PBUSH de Nastran los chicos de FEMAP han conseguido generar un elemento que permite obtener el mismo resultado de cálculo con ambos programas. La opción ha sido escribir las entradas CBUSH/PBUSH como elementos MATRIX27 para Ansys y *MATRIX INPUT para Abaqus, incluyendo los valores matriciales de amortiguamiento, masa y rigidez en un elemento GENERAL MATRIX de 12×12. La siguiente imagen muestra el cálculo de un análisis transitorio (Dynamic Time History Analysis) donde los resultados de desplazamientos y tensiones obtenidos tanto por NX Nastran como Ansys son los mismos.

ansys-interface3

Postprocesado de Resultados

square Contour Arrow Plots

El postprocesado de resultados mediante vectores ha sufrido una mejora brutal en FEMAP V11.3, ha pasado de denominarse CONTOUR VECTOR a CONTOUR ARROW. Es muy interesante el método automático que ofrece FEMAP ahora para crear resultados vectoriales: el usuario simplemente elige un resultado a representar y FEMAP selecciona automáticamente los OUTPUT VECTOR a visualizar y la orientación correcta para los elementos más relevantes.

femapv113-contour-arrow-plots

Dependiendo del tipo de resultado a representar mediante vectores, FEMAP eligirá automáticamente el estilo del vector que sea más apropiado para cada caso, pero siempre el usuario podrá mantener sus propias preferencias.

arrow-colors

arrow-auto

square Glue & Contact for Freebodies

FEMAP v11.3 soporta la contribución de los resultados de GLUE & CONTACTNO PENETRATION” en la creación de los diagramas de cuerpo libre FREEBODY.

freebody0

  • VERSIONES ANTERIORES A FEMAP V11.3: En efecto, en la siguiente imagen se muestra la deformada de un modelo viejo con contacto lineal superficie-a-superficie donde la resultante del FREEBODY muestra que la carga aplicada no está correctamente equilibrada (la componente vertical no es nula).

freebody1

  • NUEVO FEMAP V11.3: Ahora la carga está perfectamente equilibrada gracias a considerar la contribución de las fuerzas en los elementos de contacto – la suma está ahora en equilibrio perfecto!!.

freebody2

Saludos,
Blas.

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Presentación de FEMAP V11.3

femap_curso_actualizacionJornada Técnica gratuita donde se presentarán las principales novedades de la nueva versión del software de Análisis por el Método de los Elementos Finitos FEMAP V11.3 desarrollado por SIEMENS PLM Software. Todos los usuarios de FEMAP están invitados a conocer lo último en tecnología CAE de Mallado y Análisis por Elementos Finitos (FEM/FEA) con FEMAP V11.3 y NX Nastran. En esta reunión podrás conversar con nuestros especialistas y compartir todas tus inquietudes respecto a las soluciones CAE de FEMAP y NX Nastran de SIEMENS PLM, así como intercambiar experiencias con otras empresas.

Haz Click aquí:avion-femap-869x432AGENDA

  • 09:00 – 09:30h. – Recepción
  • 09:30 – 10:30h. – Novedades de Preprocesado:
    • Nueva barra de herramientas DRAW/ERASE.
    • Nuevas opciones de Visualización.
    • Gestor de Contactos.
    • Mejora en la selección de caras de elementos.
    • Avances en Elementos de Viga.
  • 10:30 – 11:00h. – Novedades de Mallado:
    • Mejoras en el mallado con elementos CQUAD4.
    • Mejoras en la calidad de la malla.
    • Refinado de Malla Interactivo.
    • Mejoras en MESHING TOOLBOX.
  • 11:00 – 11:30h. – PAUSA CAFÉ
  • 11:30 – 11:45h. – Novedades en el Soporte de Solvers de Elementos Finitos:
    • Mejoras con NASTRAN.
    • Soporte del formato ODB de Abaqus.
    • Mejoras con LS-DYNA.
    • Entrada de comandos para ANSYS.
    • Soporte de CBUSH/PBUSH con ANSYS & Abaqus.
  • 11:45 – 12:45h. – Novedades Postprocesado:
    • Mejoras en la Representación de Resultados con Vectores.
    • Mejora en Diagramas de Cuerpo Libre (FREE BODIES).
    • Mejoras en Tablas y Gráficos X-Y.
    • Mapeado de Resultados con DATA SURFACES.
    • Incremento de Prestaciones Gráficas.
  • 12:45 – 13:00h. – Mejoras en la nueva versión del Solver de Elementos Finitos NX Nastran V11.0
  • 13:00 – 13:30h. – LUNCH

Las sesiones se iniciarán:

  • Fecha: 10 de Junio de 2016.
  • Horario: de 9:30 a 13:30 (con un coffee a la mitad y un lunch al final).
  • Duración: 4 horas.
  • Lugar: Oficinas de Pixel Sistemas, Elgoibar.

pixel-googlePIXEL SISTEMAS S.L.
Pol. Ind. SIGMA Xixilion 2, 2ª Planta – Oficina 1ª
20870 ELGOIBAR (Gipuzkoa)
Tfno: +34 943 74 86 02
Fax: +34 943 74 35 02
Hotline: +34 900 303 043

 

Saludos,
Blas.

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REQUISITOS HARDWARE NX NASTRAN (II)

Logo de NX NASTRANHace más de dos años (allá por Enero 2014, cómo pasa el tiempo!!) publicamos la 1ª parte del artículo sobre los REQUISITOS HARDWARE de NX NASTRAN (I) donde explicábamos los aspectos básicos de la configuración hardware de NX NASTRAN en general, así como los detalles específicos para utilizar el solver con el pre&postprocesador FEMAP. Pues bien, en este artículo vamos a avanzar un poco más y aprender cómo configurar tanto a nivel de hardware como de software del Sistema Operativo (SO) Windows con el objetivo de mejorar el rendimiento y las prestaciones del solver de Análisis por Elementos Finitos NX NASTRAN para dar respuesta al reto de incremento continuado del tamaño del modelo de Elementos Finitos (EF) que año tras año sigue aumentando de forma irremediable:

  • En 2004 un tamaño de 1.2 millones de GDL se consideraba un modelo grande.
  • En 2011 un tamaño de modelo de 10 a 20 millones de GDL era un tamaño típico en muchos modelos de EF.
  • En 2016 se estima manejar tamaños de modelos de EF entre 30 a 50 millones de GDL de forma habitual.

Para solucionar el reto del tamaño del modelo de EF tendremos que:ENGINE

  • Seleccionar el hardware y SO (Sistema Operativo) correcto.
  • Utilizar el hardware de forma eficiente, incluyendo el ajuste de parámetros del SO.
  • Usar de forma apropiada los “NX Nastran Keywords & Parameters“.
  • Aprovechar la capacidad de procesado en paralelo de NX NASTRAN.
  • Seleccionar métodos de solución adecuados para reducir el tiempo de cálculo.

Selección de Hardware y SO

square Procesador:

  • Cuanto más rápido mejor, por supuesto.
  • Pero además la clave está en la cantidad de memoria caché del procesador, cuanta más mejor, y esto la gente no lo valora en general. Aquí tienes algunos ejemplos de procesadores del mercado:
    • Intel Core i7 de 6ª generación (Skylake) varía entre 4 y 8 MB de caché y 2 canales de memoria.
    • Intel Core i7 Extreme Edition varía entre 10 y 20 MB de caché y 4 canales de memoria.
    • Intel Xeon E5 v3 varía entre 10 y 35 MB de caché, y de 3 a 4 canales de memoria.
    • Intel Xeon E7 v3 varía entre 20 y 45 MB de caché, con 4 canales de memoria.
  • Preferible usar procesadores con múltiples núcleos, cuantos más mejor.
  • Se rumorea que en Octubre de 2016 AMD va a sacar una nueva generación de procesadores fabricados en 14 nm con una arquitectura completamente nueva llamada Zen y con 8 núcleos físicos que supondrá un cambio radical con los actuales procesadores Intel. Tendrá un TDP de 95W, lo cual no está nada mal (su competidor directo, el Intel Core i7-5960X con CPU de 8 núcleos, arroja un TDP de 140W, además de estar fabricado en una litografía de 22nm). Se especula que su socket sea el fm3 con soporte DDR4.

amd-zen-processor

square Memoria RAM:

  • La memoria RAM en procesos de cálculo es clave, recomiendo instalar toda la memoria RAM que admita el ordenador: si no hay RAM suficiente de nada vale la potencia del procesador. La memoria que no use el solver NX NASTRAN será utilizada por el SO para caché de I/O, reduciendo así el tiempo de cálculo
  • Hace varios años un ordenador con 32 GB de RAM era una máquina realmente potente, pero en la actualidad es muy poco, recomiendo al menos instalar 64 GB de RAM, es lo mínimo!!.
  • Ya tenemos en el mercado disponible la nueva generación de portátiles Skylake que admiten hasta 64 GB de RAM DDR4, impresionante (ya queda menos para comprar el mío!!). Y en WorkStations instalar 128 GB de RAM ya es de lo más habitual.
  • La nueva generación de procesadores Intel con tecnologías HASWELL y SKYLAKE soportan memoria RAM DDR4 cuya ventaja más representativa (frente a la vieja DDR3) es el incremento de la frecuencia del reloj unido a un menor voltaje de funcionamiento (por tanto menor generación de calor), lo cual proporciona un mayor rendimiento, cuantificado (según algunos fabricantes) en un 50% de mejora.

square Disco:

  • El uso de discos “profesionales” SSD (Solid State Drive) supone una ganancia brutal en prestaciones ya que no tiene partes mecánicas, son sólidos, y se caracterizan por una alta velocidad de transferencia de datos (¡¡10 veces!! más rápido que un disco duro mecánico convencional) y unos tiempos mínimos de acceso a la información (además desprenden menos calor al alcanzar menos temperatura y no hacen absolutamente ningún ruido). A mayor I/O, menor tiempo de cálculo.
  • La velocidad de transferencia de un disco duro mecánico de 7200 rpm suele ser de 100 a 150 MB/s, mientras que un SSD “doméstico” con interfaz SATA3 llega fácilmente a los 550 MB/s.
  • El nuevo formato M.2 con conexión PCI-Express 3.0 x4 NVMe (por ejemplo, el Samsung SSD 950 PRO 512GB M.2) alcanza velocidades de transferencia de 2500 MB/s, es decir, casi 5 veces más rápido que un SSD normal!!. El factor de forma M.2 es de reciente creación ya que ha llegado al mercado con el chipset Z97 de Intel, pero su uso irá en aumento en los próximos meses ya que substituirá por completo al formato mSATA.
  • Es preferible montar una WorkStation con múltiples discos (1 + 4): un disco SSD para el sistema operativo (que arrancará en menos de 10 segundos) y cuatro discos SSD en configuración RAID-0 (Disk Stripping) para el espacio de SCRATCH de NX Nastran.
  • Por ejemplo, ahora que los precios de los discos SSD han bajado bastante recomiendo montar un RAID-0 con 4 discos SSD de 256 GB para tener una unidad [D:] con 1 TB donde establecer el directorio D:\SCRATCH.
  • Es importante establecer siempre el directorio SCRATCH de NX NASTRAN en un disco físico separado de la unidad del SO [C:]. No sólo una partición distinta, sino un disco físico distinto. Se recomienda hacer lo mismo con el directorio temporal D:\TEMP.
  • Una segunda buena alternativa es montar un RAID-0 con discos SAS de 15K RPM que son más rápidos y más fiables que los discos SATA, y además consumen menos energía que los discos SATA. Pero para mí la opción SSD es la más eficiente, no hay color!!.

square GPU e Intel MIC

  • El GPU COMPUTING o cálculo acelerado en la GPU puede definirse como el uso de una unidad de procesamiento gráfico (GPU) en combinación con una CPU para acelerar aplicaciones de cálculo científico. Ofrece un rendimiento elevado ya que traslada las partes de la aplicación con mayor carga computacional a la GPU y deja el resto del código ejecutándose en la CPU. Requiere el uso de tarjetas gráficas profesionales de coste bastante elevado, tales como la AMD FirePro W9100, la nVIDIA QUADRO M6000 o la Intel Xeon Phi 7120D.

gpu

comparativa-quadro-amd

  • La GPU debe tener suficiente memoria para cargar por completo (“in core”) los módulos de NX NASTRAN.
  • Aclarar que de momento la GPU Computing no es algo que se pueda utilizar de forma masiva y general en cualquier tipo de cálculo por Elementos Finitos con NX Nastran, es una ayuda que puede reducir el tiempo de cálculo en la resolución de problemas muy específicos, por ejemplo, en el Análisis Dinámico de Respuesta en Frecuencias (SOL111). El impacto en la reducción del tiempo de cálculo es realmente importante en grandes modelos donde sea necesario extraer una gran cantidad de modos de vibración (+5000 modos).
  • Hasta ahora la implementación del GPU COMPUTING con NX NASTRAN se ha centrado en dos módulos: DCMP (descomposición de la matriz) y FRRD1 (respuesta en frecuencia).
  • En pruebas realizados por Joe Bracking (miembro del equipo de desarrollo de FEMAP en EE.UU.) sobre un ordenador Dell T3600 con procesador Xenon dual, quad core, 64 GB de RAM, 1TB hybrid drive, 512GB SSD drive, 256GB PCIe SSD drive y una tarjeta gráfica AMD Firepro W9100 con 16 GB demuestran que la implementación del módulo DCMP en Windows parece que no funciona muy bien (en Linux hace bien el trabajo), emplea más tiempo de cálculo en vez de reducirlo.
  • En cambio la implementación del módulo FRRD1 trabaja muy bien cuando se usa con una tarjeta gráfica potente. La buena noticia es que en el nuevo interface de usuario de FEMAP V11.3 podremos activar de forma selectiva únicamente el módulo FRRD1 en vez de dejar que NX NASTRAN utilice ambos módulos con la GPU. De todas formas la tecnología cambia rápidamente y en muy en pocos meses, y todo aquello que antes era imposible de pronto se puede hacer realidad, así que estaremos atentos a la evolución del mercado.

gpu-computing

square Priorizar para obtener máximas prestaciones al menor precio

  • Maximizar el nº de cores cuanto más rápidos mejor y con la mayor cantidad de memoria caché.
  • Añadir toda la memoria RAM posible.
  • Maximizar el rendimiento I/O y la velocidad del disco.
  • Añadir aceleración de cálculo por GPU en cálculos dinámicos de grandes modelos.

Sistema Operativo (SO): I/O Cache

square Problema

  • La lectura y escritura de información en el disco duro es lenta en discos mecánicos.
  • Algunos sectores del disco se leen varias veces de forma repetida.
  • La información que se escribe en el disco probablemente se vaya a leer de nuevo muy pronto.

square Solución

  • Mantener la información en memoria reducirá los tiempos de búsqueda en el disco.
  • Hacer uso de la memoria RAM libre como memoria caché.
  • Cuando una aplicación necesita memoria, el gestor de memoria caché pagina memoria al disco (Paginar la apllicación vs. Paginar el I/O Cache).

OS-settings-IO-cache-horizontal

SO: Habilitar “I/O Cache” en el Disco

  • La caché de lectura está siempre habilitada por defecto tanto en Linux como en Windows (superfetch feature).
  • En Linux la caché de escritura se habilita usando la orden “hdparm” o equivalente.
  • En Windows ir a “Panel de Control > Sistema > Configuración Avanzada del Sistema > Hardware > Administración de Dispositivos > Unidades de Disco > Directivas” para habilitar la caché de escritura en los diferentes dispositivos de almacenamiento.

activar-io-cache-disco

I/O Cache & Paginación en Windows

square Problema

  • A medida que un fichero se hace más y más grande, el SO se queda sin memoria.
  • El gestor de memoria caché del SO paginará a disco la última memoria no utilizada.
  • Las páginas de NX NASTRAN se pueden paginar a disco para acomodar la caché de I/O.

square Solución

  • Limitar el caché de I/O de Windows al 25% – 50% de la memoria física.
  • Deshabilitar el caché usando “sysfield=buffio=yes,raw=yes” en el fichero *.rcf.

page-out

NX Nastran: Memoria RAM

square Fichero *.rcf

Lo primero constatar que en base a las pruebas realizadas puedo asegurar que la última versión de NX Nastran V10.2 es un 10% más rápido que NX Nastrran V10.0 resolviendo exactamente el mismo modelo, lo cual es una excelente noticia. También estoy muy contento con el nuevo fichero de configuración (*.rcf) implantado a partir de la versión de NX Nastran V10.0. Por si no lo hebeis notado el nuevo fichero de configuración nast10.rcf incluye detalles muy interesantes que ayudan al usuario a sacar más provecho fácilmente de las máquinas con mucha memoria RAM. Los nuevos parámetros también ayudan a evitar que un usuario asigne recursos excesivos que ocasionen una pérdida de prestaciones. Aquí tienes copia del fichero nast10.rcf:

buffsize=32769
memory=.45*physical
smem=20.0X
buffpool=20.0X

Se recomienda consultar el fichero *.F04 para ver si hemos definido los parámetros de cálculo óptimos para el modelo.

  • Asignar al cálculo suficiente memoria RAM para evitar que el solver pagine a disco (avoid disk spillover).
    • Al menos asignar 1.2 a 1.3 veces el valor que aparece en “memory required to avoid spill
  • No asignar a NX Nastran más del 50% de la memoria total del sistema. De esta forma el SO tendrá más memoria RAM libre para convertirla en I/O Cache y acelerar el proceso de cálculo.
  • Cuando no hay memoria RAM suficiente esto puede afectar al método de re-ordenación usado en NX Nastran provocando una descomposición muy lenta de la matriz de rigidez. Asegúrate de seleccionar bien el método BEND o el método METIS.

f04

La siguiente imagen muestra el tiempo de cálculo de diferentes modelos de EF resueltos con NX Nastran en función de la memoria RAM disponible:

memory-management

  • Incluso cuando la memoria RAM es suficiente para descomponer la matriz de rigidiez, otros módulos de NX Nastran como MPYAD pueden dar múltiples pases cuando la memoria es insuficiente, lo cual genera más I/O (revisar siempre el fichero *.F04).

memory-management2

NX Nastran: Directorio “Scratch”

scratch-iconEs crítico situar correctamente el directorio “Scratch” de NX Nastran: usar el “keywordSDIRECTORY (o abreviado SDIR) en el fichero <femar_dir>\nastran\conf\nast10.rcf, por ejemplo:

Sdir=C:\SCRATCH
program=FEMAP
scr=yes
buffsize=32769
memory=.45*physical
smem=20.0X
buffpool=20.0X

  • El directorio SCRATCH debe estar situado en un disco rápido (por ejemplo un disco SSD PCI-Express) o en una matriz de discos configurados en modo RAID-0 (lo ideal es un RAID-0 a base de discos SSD).
  • Siempre es preferible un disco local frente a una red (usando una conexión Infiniband o GigE dedicada).
  • Un directorio SCRATCH situado en una red local genérica con un sistema de archivos NFS tendrá una penalización significativa en prestaciones debido a su I/O lento que afectará a la red local general.

En FEMAP la orden FILE > PREFERENCIAS > DATABASE te permite controlar la dirección del directorio SCRATCH para FEMAP (recuerda, este valor corresponde a FEMAP, no a NX NASTRAN), pero yo utilizo el mismo directorio para ambos ya que las exigencias en cuanto a prestaciones son las mismas: una unidad de disco lo más rápida posible!!.

scratch-directory-femap

En FEMAP la orden FILE > PREFERENCES > INTERFACES nos permite especificar la dirección del directorio SCRATCH de NX Nastran: “0..Nastran Default” significa que usará la variable SDIR del fichero *.rcf.

scratch-directory-nxnastran

NX Nastran: Procesado en Paralelo

Actualmente con NX Nastran tenemos disponibles dos tipos de arquitecturas para cálculo en paralelo:SMP y DMP.

  • La arquitectura SMP (Shared Memory Parallel) permite asignar tantos CORES como tenga el ordenador para realizar el cálculo en paralelo con NX NASTRAN, pero no es escalable y tiene sus limitaciones a partir de un cierto nº de cores.
  • En cambio, la arquitectura DMP (Distributed Memory Parallel) permite utilizar un CLUSTER de múltiples máquinas con uno o más procesadores comunicadas a través de una red local, donde cada máquina tiene su propia memoria RAM y su disco duro, por tanto la solución es escalable, una bomba!!.

parallel

La siguiente imagen muestra las diferencias entre ambas arquitecturas de cálculo en paralelo: SMP vs. DMP.

parallel-smp-dmp

square NX Nastran SMP

  • Fácil de usar: simplemente en FEMAP especificamos el nº de CORES y listo!.
  • Disponible en todos los tipos de análisis de NX NASTRAN.
  • Módulos de NX Nastran paralelizados:
    • Matrix decomposition, DCMP
    • Multiply Add, MPYAD
    • Forward-Backward Substitution, FBS
    • (Frequency response, FRRD1
    • Driver module for Sol 401 (NLTRD3)
    • Resto de módulos que indirectamente hagan llamadas a DCMP, MPYAD, FBS.

smp-femap

square NX Nastran DMP

  • Disponible con los siguientes tipos de análisis SOL101, SOL103, SOL105, SOL108, SOL111, SOL112 y SOL200.
  • Partición de la malla, Frecuencias y Cargas.
  • Disponible tanto en plataformas Linux x86_64 como en Windows.
  • El módulo DMP estará disponible como add-on con FEMAP V11.3 y NX Nastran Desktop.

dmp-solutions

NX Nastran: Análisis Lineal de Contactos

square Importancia de la Máxima Distancia de Contacto
contact-search-distance

  • NX Nastran soporta contacto lineal en análisis estático lineal (SOL101), así como en análisis de frecuencias y modos de vibración (SOL103), pandeo lineal (SOL105), dinámico de frecuencias (SOL111) y dinámico transitorio (SOL112). También incluye la capacidad de contacto en análisis no lineal estático y dinámico con el nuevo solver “multi-step” SOL401.
  • Las opciones de contacto son:
    • superficie-a-superficie” entre caras de elementos Shell y Sólidos 3-D.
    • arista-con-arista” en problemas Sólidos 2-D de tensión plana, deformación plana y axisimétricos (sólidos de revolución).
  • Hay que poner mucha atención al valor de la máxima distancia de contacto (Maximum Contact Search Distance) ya que influye de manera importante en el nº de iteraciones de contacto y por tanto en el tiempo total de cálculo.
  • El rango entre el valor mínimo y máximo de la distancia de búsqueda de contacto lo usa el solver NX Nastran internamente para determinar qué caras (o aristas) de elementos están incluidos en dicho rango y generar los elementos de contacto entre ellos. Estos elementos de contacto se crean únicamente una vez, al inicio del análisis estático lineal SOL101, y se mantendrán los mismos durante todo el análisis, aunque el solver a cada iteración de contacto determinará el status de cada elemento de contacto: entre activo e inactivo.
  • Recuérdese que estamos hablando de cálculo estático lineal donde se producen pequeños desplazamientos (small displacements), por tanto las piezas en contacto deben estar tocándose físicamente, no puede existir una separación importante entre componentes, por tanto se debe definir un valor reducido de la distancia de contacto tal como 0.1 mm ó 0.5 mm, que a nadie se le ocurra definir una separación de digamos 5.0 mm entre cuerpos y realizar un análisis de contacto estático lineal porque el resultado obtenido en desplazamientos y tensiones será “useless“, es decir, servirá de bien poco, OK?.
  • Se recomienda utilizar el solver Iterativo (Element Iterative Solver) cuando el modelo esté mallado masivamente con elementos 3-D sólidos CTETRA y/o CHEXA. Con elementos 2-D Shell y 1-D Viga se recomienda usar siempre el Direct Sparse Solver (por defecto).
  • Ajustar los valores globales de los parámetros MAXF (Maximum Force Iterations = 10, por defecto) y CTOL (Contact Force Convergence Tolerance = 0.01, por defecto) de la tarjeta BCTPARM para reducir el nº de iteraciones de contacto.

contact-property

El siguiente gráfico muestra la relación entre el nº de iteraciones de contacto y el nº de elementos de contacto que están activos entre una iteración y la siguiente (NCHG) para diferentes valores de la máxima distancia de contacto: cuanto mayor es la distancia de contacto, mayor es el tiempo de cálculo.

iteraciones-de-contacto

square Reutilizar la Matriz de Contacto

NX Nastran permite escribir la matriz de contacto en formato DMIG incluyendo el parámetro KGGCPCH=1 en el BULK DATA SECTION (es decir, PARAM, KGGCPCH, 1) del fichero de entrada del análisis estático lineal (SOL101) de NX Nastran. El solver escribe la matriz de rigidez de contacto a partir de la última iteración de contacto en el fichero PUNCH en formato DMIG (Direct Matrix Input at Grids). Esta opción sólo está disponible con el DIRECT SPARSE solver (el solver iterativo no soporta esta opción).

La matriz DMIG se puede incluir en sucesivos análisis incluyendo la siguiente línea en el CASE CONTROL del fichero de entrada de NX Nastran: K2GG = KGGC

Los beneficios que obtenemos son los siguientes:

  • Incluir el efecto de contacto en sucesivos análisis tal como análisis de frecuencias (SOL103) o análisis de respuesta forzada (SOL111) sin tener que resolver de nuevo el problema de contacto.
  • Ahorro considerable de tiempo de cálculo.

contact-stiffness

square Tornillos Pretensados con Contacto

NX Nastran permite definir tornillos pretensados no sólo con elementos viga 1-D CBEAM sino también mallando con elementos sólidos 3-D CTETRA, CHEXA o CPENTA y definir el contacto local de “no penetración” entre la superficie exterior del tornillo (cabeza, tuerca y bástago) y las superficies de las piezas a unir.

bolt-preload-setupLa siguiente imagen muestra un ejemplo de aplicación del contacto entre la cabeza y bástago del tornillo pretensado con las piezas a unir de forma solidaria.

bolt-preload-contact

square Tornillos Pretensados en un Análisis Modal (SOL103) con Contactos

NX Nastran permite incluir una condición de contacto en un análisis de modos normales (SOL103) a través del comando STATSUB calculando la matriz de rigidez diferencial que incluye la matriz de contacto. Todo esto lo tenéis explicado paso-a-paso en la siguiente publicación (Noviembre 2011): ANÁLISIS DE FRECUENCIAS (SOL103) DE UN ENSAMBLAJE CON CONTACTOS “SURFACE-TO-SURFACE”

bolt-preload-modal

square Tornillos Pretensados en un Análisis Dinámico de Respuesta Forzada (SOL111) con Contactos

NX Nastran permite incluir también una condición de contacto en un análisis dinámico modal de respuesta en frecuencias (SOL111) o modal transitorio (SOL112) utilizando diferentes técnicas con el mismo resultado. La opción de reutilizar la matriz de rigidez de contacto en formato DMIG es 9 veces más rápida.

bolt-preload-forced-response

En Resumen …

  • La selección juiciosa del hardware puede mejorar las prestaciones de forma significativa.
  • Maximizar el uso de los recursos hardware eligiendo las opciones adecuadas tanto del SO como del solver NX Nastran:
    • Aceleración por la GPU.
    • Gestión de Memoria.
    • Procesado en Paralelo.
    • Parámetros de Contacto.
    • Métodos de Solución.

Saludos,
Blas.

Datos de Contacto de IBERISA (Spain)

ANÁLISIS DE FLUIDOS CFD con FEMAP TMG FLOW

TMG-THERMAL-FLOWFEMAP TMG FLOW es un software de Análisis de Fluidos (CFD) integrado en FEMAP desarrollado por MAYA HTT (Canadá) que utiliza un método eficiente y robusto basado en tecnología avanzada de volúmenes de control por diferencias finitas para resolver las ecuaciones no lineales de transferencia de calor y movimiento de fluidos de Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) que gobiernan la conservación de la masa, momento y energía del fluido para obtener el campo de velocidades, presiones y temperaturas en problemas conjugados con acoplamiento fluido-térmico en régimen permanente y/o transitorio, incluyendo conducción, radiación terreste y orbital en satélites, convección libre, convección forzada y cambios de fase. En la WEB de IBERISA tienes completa información en la siguiente dirección: http://www.iberisa.com/products.htm

FEMAP TMG es modular y está disponible en las siguientes configuraciones:

  • FEMAP TMG Thermal: incluye capacidades básicas de conducción, convección y radiación.
  • FEMAP TMG Flow: incluye análisis de fluidos CFD.
  • FEMAP TMG Advanced Thermal: incluye capacidades adicionales de radiación y otras funcionalidades. Es un módulo add-on de FEMAP TMG Thermal, es decir, requiere tener licencia de FEMAP TMG Thermal.
Aplicación de FEMAP TMG/FLOW + TMG/THERMAL a la resolución de problemas CFD en componentes electrónicos

Aplicación de FEMAP TMG FLOW + TMG THERMAL a la resolución de problemas CFD conjugados con acoplamiento fluido-térmico en componentes electrónicos con transmisión de calor por conducción, convección y radiación.

La combinación de FEMAP TMG Flow con los módulos FEMAP TMG Thermal y FEMAP TMG Advanced Thermal permite modelizar un amplio rango de problemas multi-físicos.

bga4021 brake43 nanosat_007
aba_01 fv_blowerA04 eb_03
CT_ps11-1 CT_psa05 pcb05

La siguiente tabla muestra todas las capacidades de los módulos FEMAP TMG Flow, FEMAP TMG Thermal y FEMAP TMG Advanced Thermal, así como el tipo de licencia requerida.

Capacidades Generales de FEMAP TMG

Feature Flow Thermal Adv Thermal
Ambient Conditions
Export I-DEAS Universal File
Export Universal File for NX
FE Study
Import I-DEAS Universal File
Import Universal File for NX
Initial Conditions
Model Manager
Selected Results
Solution Data
Solver Control

Capacidades de FEMAP TMG FLOW

Feature Flow Thermal Adv Thermal
Blockage
Fan
Fan Curve
Flow Surface
Periodicity
Recirculation Fan
Rotating Frame of Reference
Screen
Supersonic Inlet
Surface Properties
Symmetry Plane
TMG Executive Menu
Vent

Capacidades de FEMAP TMG Thermal

Feature Flow Thermal Adv Thermal
Additional Conductance
Boundary Condition Mapping Settings
Electrical Coupling
Element Reporting
Interpolation Relationship
Non-Geometric Element
Radial Heat Flow
Radiation Control
Radiation Request
Radiation Switches
Referencing Entities
Reverse Side
Tabular Data
Temperature Mapping
Thermal Boundary Condition
Thermal Coupling
Thermostat

Capacidades de FEMAP TMG Advanced Thermal

Feature Flow Thermal Adv Thermal
Articulation
Diurnal Heating
Duct Fan/Pump
Duct Forced Convection
Duct Inlet/Outlet
Duct Properties
Element Deactivation Set
Elimination Set
Export Radiation Model
Free Convection
Import Radiation Model
Merge Set
Orbit Modeling
Orbit Visualizer
Parallel Processing
Peltier Cooler
Primitive
Radiative Heating
Results Reporter
TMG Executive Menu

 

Análisis CFD del Sistema de Escape

Para conocer mejor el funcionamiento de FEMAP TMG FLOW vamos a realizar un análisis CFD del sistema de escape de un motor de combustión interna que llevan los automóviles actuales. Los componentes típicos de un sistema de escape los tenemos en la siguiente figura:

SISTEMA-DE-ESCAPE

Partes de un Sistema de Escape:

  • Colectores de Escape o “headers”:
    Este es el primer punto de contacto de los gases de escape después de salir de la culata del motor de explosión.
  • Catalizador:
    Este elemento es el encargado de que todavía podamos respirar el aire en las ciudades con un tráfico muy denso. Recoge el NOx, los CO y los hidrocarburos no quemados que proceden de los gases de escape y los “convierte” en N2, O2, CO2 y H20, mucho menos perjudiciales para el medio ambiente.
  • Silencioso o “Muffler”:
    Hay muchos tipos de silenciadores, pero el objetivo principal es eliminar el ruido. Una de las formas más comunes de trabajar de los silenciadores es redirigiendo el flujo de aire. Por el camino, los gases de escape pasan a través de tuberías porosas que permiten que los gases de escape se expandan en el material de aislamiento acústico que lleva el silencioso en su interior, lo que minimiza el ruido que finalmente sale por el tubo de escape.
  • Resonador:
    Ayuda a eliminar parte del ruido. El resonador trabaja rechazando las ondas sonoras para que se anulen entre sí, y por lo general, están afinados en una frecuencia especifica donde el ruido del motor podría ser demasiado ruidoso o indeseable.

Preprocesado del Modelo CFD

Importar Modelo CAD 3-D Sólido

Importamos el modelo CAD 3-D sólido en FEMAP del dominio fluido donde podemos ver claramente los componentes más importantes del sistema de escape: catalizador (catalitic converter), silenciador (muffler) y tubería de conexión (connecting pipe) con las siguientes características:

  • Caudal de entrada de aire: 215 l/s.
  • Pérdida de carga en el convertidor catalítico (simula un medio poroso): 5000 Pa.
  • Ratio de Area Libre en el tubo perforado del Silencioso: 0.479.
  • Rugosidad de la pared de separación del Silencioso: 0.1 mm.

conjunto-escape

La geometría del catalizador (catalitic converter) está dividia en las siguientes partes:

La caja silenciadora, silenciador o silencioso (en inglés se conoce como Muffler) está dividido en las siguientes partes:

silenciador

Propiedades del Fluido

FEMAP TMG Flow incluye una librería de materiales con sus propiedades térmicas y de fluidos que se encuentra en el directorio <femap_install>\TMG\femap\bas\tmg_material_SI.esp. Aquí tenemos propiedades sobre diferentes fluidos (gases y líquidos) así como sólidos. En nuestro ejemplo del Sistema de Escape seleccionaremos AIRE como fluido. En primer lugar en la orden MODEL > MATERIAL seleccionamos el MATERIAL TYPE = FLUID y seguidamente AIRE de la librería de materiales. Las propiedades de todos los materiales de la librería están definidas en unidades del Sistema Internacional (SI), donde la Masa se expresa en Kg, la Densidad en kg/m^3, la Longitud en metros, la Fuerza en Newtons y la Presión en Pascales, es decir, N/m^2.
>>> Importante: el Sistema de Unidades Internacional (SI ) es el sistema de unidades que de debe utilizar siempre en la resolución de problemas CFD con FEMAP TMG FLOW:

material-type-fluid

air-material-properties

Mallado 3-D del Silencioso (Muffler)

El volumen fluido del silenciador (Muffler) se malla en FEMAP usando elementos sólidos HEX8 ya que la geometría es relativamente sencilla (en el vídeo de YouTUBE explico diferentes técnicas de mallado con elementos sólidos 3-D Hexaédricos, así como “trucos” de preparación de la geometría para el mallado hexaédrico). La siguiente imagen muestra la geometría del catalizador lista para mallar con elementos sólidos 3-D hexaédricos:

MUFFLER-geom

En FEMAP TMG Flow la geometría sólida que representa el dominio fluido se puede mallar bien con elementos sólidos 3-D tetraédricos lineales (TET4 de 4-nodos), o con elementos sólidos 3-D hexaédricos lineales (Bricks HEX8 de 8-nodos) o con elementos sólidos 3-D prismas triangulares lineales (WEDGE de 6-nodos), siempre en función de la complejidad geométrica del modelo 3-D. Personalmente siempre que la geometría lo permita mi tipo de elemento preferido es el elemento exaédrico lineal HEX8.

tmg-3d-solid-finite-element

Es posible mallar el dominio fluido con elementos sólidos 3-D parabólicos (TET10 de 10-nodos, Bricks HEX20 de 20-nodos o WEDGE de 12-nodos), pero no mejora la precisión de los resultados ya que el solver TMG FLOW los trata internamente como elementos lineales, así que siempre se debe mallar con elementos de bajo orden.

Tanto TMG FLOW como TMG Thermal son solvers de diferencias finitas, usan una formulación de volúmenes de control donde las variables se calculan en el centro del elemento, así que cambiar el orden de la malla de lineal a parabólico no afecta en la formulación del elemento. Los resultados se extrapolan a todos los nodos (incluyendo los midside nodes) por interpolación de las variables a partir de los puntos de integración del volumen finito.

muffler-hex8-mesh

Mallado 2-D del Tubo Perforado

Muchos silenciosos llevan en general en su interior unos tubos perforados de acero inoxidable eficaces para eliminar ruidos de frecuencias altas, tal como muestra la siguiente figura:

silencioso-tubo-perforado

La siguiente imagen muestra la malla 2-D a base de elementos QUAD4 Thin Shell lineales de 4-nodos utilizada para mallar las superficies del tubo perforado de Acero Inoxidable que va colocado en el interior del silencioso, así como la pared de separación de acero inoxidable también que divide físicamente ambos recintos.

malla-tubo-perforado

La siguiente imagen muestra una vista de conjunto del interior del silencioso con la malla 2-D del tubo perforado así como la malla 2-D de la placa de separación de acero Inoxidable entre ambos recintos. La malla 2-D es independiente de la malla 3-D del fluido, las mallas no tienen que ser coincidentes. Posteriormente en TMG FLOW definiremos el efecto en el fluido de los agujeros en el tubo perforado, así como el efecto de obstrucción en la placa de separación.

silencioso-malla-tubo-perforado

Mallado 3-D del Catalizador

El dominio fluido 3-D del tubo y el convertidor catalítico se mallan de forma automática con elementos sólidos 3-D tetraédricos lineales (TET4 de 4-nodos). La densidad de malla utilizada garantiza una buena precisión de resultados ya que se ha mallado con más de 6 elementos la entrada de aire del catalizador.

catalizador-malla

Densidad de Malla 3-D del Fluido

Es importante elegir una densidad de malla 3-D sólida apropiada para mallar el dominio fluido ya que afecta a la precisión de los resultados. La malla debe ser densa para capturar los detalles del flujo del fluido, pero es difícil crear una malla lo suficientemente refinada para capturar todos los detalles y a la vez obtener unos tiempos de cálculo reducidos. En la práctica las limitaciones en el nº de nodos y elementos está más en el hardware (memoria RAM y espacio en disco disponible) que en el software (máximo 10 millones): por ejemplo, un modelo por encima de los 300.000 elementos ya es muy grande. En general, TMG FLOW no requiere usar una malla excesivamente refinada, un modelo entre 10.000 y 100.000 elementos se considera de tamaño razonable y capaz de modelizar con precisión cualquier problema CFD complejo.

  • El fluido sólo puede pasar de un cuerpo a otro si las caras de los elementos 3-D de la malla de fluido son “co-planares“. Para obtener la máxima precisión en el cálculo lo mejor es hacer que los nodos de los elementos de la malla de fluido sean coincidentes y proceder a “mergear” nodos entre componentes.
  • En el caso de mallas 3-D de fluidos no coincidentes, el solver TMG FLOW todavía puede tratar los cuerpos como un único dominio de fluido, más adelante explicaremos cómo activar esta capacidad.
  • La siguiente imagen muestra el detalle de la malla “disjunta” existente entre el tubo de entrada del silencioso (elementos 3-D sólidos exaédricos HEX8 en violeta) y la salida del tubo proveniente del catalizador (elementos 3-D sólidos tetraédricos TET4 en verde).
  • En este caso los nodos de ambos cuerpos no están mergeados, se ha hecho “ex-profeso” para explicar el funcionamiento de este potente mecanismo que ofrece TMG Flow para unir mallas de fluidos “disjuntas” (es decir, no coincidentes) y reducir así el trabajo de mallado y el tamaño del modelo CFD: la clave está en que las mallas en contacto sean co-planares, y que la densidad de malla en ambos cuerpos sea similar, de lo contrario se producirá cierta pérdida tanto de precisión como de prestaciones.

malla-disjunta

Aprovecho para dejar constancia aquí de las recomendaciones generales de mallado 3-D que se deben seguir para el caso especial de análisis CFD de equipos electrónicos:

  • Usar entre 2 ó 3 elements entre placas. Un elemento es suficiente para un análisis rápido. Pero nunca usar más de 5 a 8 elementos entre placas para modelizar flujos turbulentos.
  • A menudo, con placas muy poco espaciadas, el flujo es unidimensional (es decir, laminar). Si se sospecha que pueda existir un patrón de flujo más complejo entonces mallar con más elementos.
  • Mallar con 8 a 12 elementos a lo largo de la longitud o anchura de una placa de circuito impreso (PCB) para un análisis a nivel de sistema. Si se desea estudiar el flujo del fluido alrededor de un componente en más detalle entonces se recomienda refinar la malla en esa zona. Un análisis de detalle de un PCB puede requerir una malla mucho más refinada.
  • Refinar la malla en áreas donde haya cambios rápidos en la dirección del flujo o en la presión del fluido, por ejemplo en la reducción súbita de la sección transversal del flujo. Esto es muy importante de cara a calcular con precisión las pérdidas de carga del circuito, en especial si se busca el punto de trabajo de la curva de ventilador.
  • En general se recomienda no incluir los mínimos detalles de los componentes más pequeños, salvo que se desee realizar un estudio muy detallado. En su lugar es mejor utilizar FLOW SURFACES que permiten representar características como la rugosidad y la convección general en placas PCB, este detalle lo veremos más adelante.
  • La densidad de malla en las tomas de entrada y salida del fluido debe ser bastante refinada, se recomienda mallar con al menos 5 elementos.

heat-transfer-bga

Modelo de Turbulencia en la Pared

  • En régimen turbulento (nótese que el flujo de aire en recintos con componentes electrónicos es casi siempre turbulento, incluso con valores del nº de Reynolds muy bajos) es esencial que la malla no sea muy refinada cerca de las FLOW SURFACES y de las paredes adiabáticas.
  • Es preferible tener el primer nodo de la malla fuera de la sub-capa laminar para que la función de pared realice una predicción correcta del comportamiento del fluido en función de la distancia a la pared. El valor de Y+ (calculado por TMG FLOW) indica la posición del primer nodo interno en relación con la capa límite. La región de la capa límite en régimen turbulento tiene un valor de Y+ por encima de 30. A pesar de que los resultados son mas exactos para valores de Y+ mayores de 30, los modelos de turbulencia “K-epsilon” y “Mixing Length” de TMG Flow tienen en cuenta valores pequeños de Y+ añadiendo una función de amortiguamiento a la turbulencia viscosa. El amortiguamiento reduce de forma efectiva la turbulencia viscosa cerca de la pared, forzando el valor cero a medida que Y+ tiende a cero. Debido al amortiguamiento en la turbulencia viscosa, los modelos “K-epsilon” y “Mixing Length” de TMG FLOW obtienen un comportamiento correcto del fluido incluso para valores de Y+ menores de 30.
  • En resumen, la función de pared describe la velocidad del fluido como una función de la distancia a la pared dentro de la región más cercana a la misma. Mediante el uso de la función de pared podemos generar mallas regularmente espaciadas en vez de complejas y costosas mallas muy refinadas a través de varias capas de espesor variable (Boundary Layer Mesh), y sin necesidad de resolver la sub-capa viscosa. La implementación de la función de pared tiene en cuenta cada capa interna y además incorpora los efectos de rugosidad en la pared.
  • Los modelos de turbulencia que usan siempre la función de pared son el “K-epsilon” y el “Mixing Length“, pero también se puede usar la función de pared en los modelos de turbulencia avanzados de TMG FLOW como “K-omega“, “SST – Shear Stress Transport” y “LES – Large Eddy Simulation” (más adelante explicaremos en detalle los modelos de turbulencia disponibles en TMG FLOW).

wall-function

Acceso al Panel de TMG

Seguidamente cargamos TMG FLOW haciendo clic en el icono TMG Panel tmg y en “Options > Preferences > Units” activamos el sistema de unidades internacional SI (N, m, W, ºC) que utilizaremos para definir las cargas y condiciones de contorno del modelo CFD.

TMG-PANEL-units

fan2 Fan

La condición de contorno FAN permite definir tanto un ventilador externo al dominio computacional (que puede ser de entrada o salida de fluido) así como un ventilador interno (Recirculation Fan) que mueva el fluido, pudiendo especificar la dirección del mismo. En el campo “Flow Parameter” se pueden definir los siguientes valores:

  • Velocity: velocidad (m/s, mm/s, ft/min, in/s, km/hr, miles/hr).
  • Mass Flow: caudal másico (kg/s, kg/min, kg/hr, lbm/s, lbm/min, lbm/hr).
  • Volume Flow: caudal volumétrico (m^3/s, m^3/min, m^3/hr, l/s, l/min, l/hr, cfm).
  • Pressure Rise: cambio de presión (N/m^2, Pa, psi, atm).
  • Fan Curve: Curva de Ventilador.

En nuesro caso usaremos la orden FAN para definir un caudal volumétrico constante Q=215 litros/s de entrada de AIRE en la dirección perpendicular a la superficie del tubo del catalizador.

inlet-flow-bc

vent2 Vent

La condición de contorno VENT permite definir una abertura externa que permita al fluido entrar o salir del dominio computacional. Téngase en cuenta que la condición de contorno Vent puede actuar como una entrada o usa salida, dependiendo de las condiciones de cálculo del fluido.

vent-bcs

 

screen2 Screen

La condición de contorno SCREEN sirve para caracterizar tabiques, placas perforadas o filtros que bloquean parcialmente el paso del fluido dentro de un recinto y tener en cuenta la pérdida de carga causada por los mismos. SCREEN se aplica sobre superficies malladas con elementos 2-D, las cuales deberán estar completamente rodeadas por ambas caras de elementos fluido 3-D sólidos. En nuestro caso, vamos a utilizar la orden SCREEN para caracterizar el tubo perforado que va colocado dentro del silencioso, cuya geometría original es la siguiente:

tubo-perforado

La orden SCREEN permite calcular la pérdida de carga del dispositivo utilizando el parámetro FREE AREA RATIO, que es la relación entre el área total de los agujeros dividido por el área total del tubo sin agujeros = 0.479

tubo-perforado-free-area-ratio

tubo-perforado-screen

flowsurface2 Flow Surface

El uso de la orden FLOW SURFACE es clave en TMG FLOW para redirigir el flujo del fluido y caracterizar el intercambio de calor por convección entre una superficie y el fluido que la rodea. La orden permite definir:

  • La rugosidad característica de una superficie.
  • Las propiedades de convección de una superficie.
  • La función de pared.
  • Convertir una superficie en una Obstrucción al flujo del fluido.
  • Prescribir velocidad de translación o rotación en superficies en movimiento en cortadura.

flow-surfaces-examples2

El siguiente ejemplo muestra una FLOW SURFACE mallada con elementos 2-D (en rojo) que representa una superficie definida internamente dentro del dominio fluido mallado con elementos 3-D sólidos:
(A) Los nodos de la FLOW SURFACE mallada con elementos 2-D son coincidentes con los nodos de la malla 3-D sólida que representa el fluido.
(B) Compartir nodos sólo es necesario en superficies curvadas (en superficies planas no es obligatorio), así de esta forma el solver reconoce la FLOW SURFACE y durante el proceso de análisis abre la malla de fluido y obstruye el paso del flujo de fluido a través de la superficie.

flow-surfaces-examples3

En nuestro caso utilizaremos la orden FLOW SURFACE a aplicar a la superficie de separación (tabique) entre recintos del silencioso, que mallaremos con elementos planos 2-D y le asignaremos una rugosidad a ambos lados de la superficie de valor 0.1 mm. Aquí la malla de elementos 2-D es coplanar con la malla de fluido 3-D sólido.

flow-surfaces

flowblockage2 Flow Blockage

La orden BLOCKAGE permite definir una obstrucción del dominio fluido (se aplica a mallas 3-D sólidas) y forzar el flujo alrededor de un objeto o que atraviese una porción del fluido con una pérdida de carga específica. Tenemos tres tipos:

  • Solid: permite crear una obstrucción con malla de fluido 3-D sólida que bloquea el flujo del fluido a través de ella pero que puede intercambiar calor con el fluido por convección.
  • Isotropic Porous: seleccionar elementos 3-D de fluido y definir una pérdida de carga por unidad de longitud.
  • Orthotropic Porous: seleccionar elementos 3-D de fluido y definir una pérdida de carga por unidad de longitud en cada unos de los ejes globales X, Y, Z.

En nuestro ejemplo vamos a usar la orden BLOCKAGE para reemplazar la estructura interior de “panal de abeja” del catalizador por una obstrucción porosa isotrópica con una pérdida de carga de 5000 Pa por unidad de longitud.

flow-blockage

manager2 Model Manager

Con Model Manager podemos crear, editar, borrar, copiar y ver toda la información y condiciones de contorno que hemos creado hasta al momento en TMG FLOW.

model-manager2

 ambient2 Ambient Condition

Definimos las condiciones ambientales de presión, aceleración de la gravedad y temperatura del entorno, así como el vector de dirección de aceleración de la gravedad.

ambient-conditions

solutiondata2 Solution Data

Con Solution Data controlamos la generación de resultados tanto del modelo térmico como del modelo de fluidos:

solution-data

solvercontrol2 Solver Control

Es el centro de control de los diferentes módulos de cálculo de TMG, aquí indicamos el tipo de cálculo a realizar. Activando el botón 3D FLOW SOLVER podemos seleccionar el modelo de turbulencia viscoso a utilizar en el análisis CFD: Fixed Turbulent Viscosity, K-epsilon Turbulent Viscosity, Laminar Flow y Mixing Length Model.

  • Laminar Flow: es adecuado para realizar análisis laminares, por ejemplo el flujo entre las aletas de un disipador de calor o para fluidos más viscosos. Antes de utilizar el modelo de flujo laminar hay que calcular el nº de Reynolds, cuyo valor debe ser menor de 2000 para conductos y canales. Las condiciones de turbulencia pueden existir incluso para valores más pequeños del nº de Reynolds.
  • Fixed Turbulent Viscosity: es un modelo de turbulencia robusto y rápido. Se usa para obtener una respuesta rápida preliminar. También puede ser útil para ver tendencias generales y detectar areas problemáticas en el modelo CFD. La mayor desventaja es que es un modelo muy sensible a las escalas de turbulencia especificadas. Una alternativa para mejorar la precisión es hacer un RESTART utilizando el modelo Mixing Length o K-epsilon.
  • Mixing Length (Algebraic Model): ofrece buenos resultados en muchas aplicaciones, aunque en general es menos exacto que el modelo K-epsilon, en cambio es más robusto y de menor coste computacional. Predice con precisión flujos con capas finas como jets, mixing layers, wakes & boundary layers. Pero puede fallar en flujos con separación de capa y recirculación (como los remolinos que se producen detrás de una obstrucción circular). En estos casos el uso del modelo K-epsilon es la mejor opción.
  • K-epsilon Turbulent Viscosity (Two-Equation Model): es el modelo de turbulencia más utilizado y validado de la historia, ofrece una excelente precisión de cálculo. Sin embargo, ofrece pobres prestaciones en flujos externos, flujos con rotación, flujos con fuertes gradientes de presión o flujos con valores bajos de Y+ (<11). El tiempo de cálculo puede ser el doble o el triple, además requiere refinar mucho la malla para observar mejoras en la simulación de turbulencia, así que se recomienda usar primero el modelo Fixed Turbulent Viscosity y pasar al K-epsilon en modelos finales.

solver-control

Análisis CFD

solve2 Solve

Una vez seleccionados los parámetros del modelo de turbulencia ejecutamos el análisis CFD con la orden SOLVE y se abre el TMG Solution Monitor donde podemos seguir el proceso de cálculo paso-a-paso.

solution-monitor

También podemos ver la convergencia de la solución CFD. En nuestro caso la solución converge en 25 iteraciones cumpliendo con los valores residuales RMS impuestos (momento y masa) con un tiempo de cálculo < 2 minutos.

solution-convergence

También podemos visualizar el progreso (tracking) de la convergencia de los resultados de temperatura, velocidad y presión del fluido:

track-results

Mientras calcula el solver TMG FLOW podemos ver SOLUTION INFORMATION que nos va dando información sobre la evolución de los valores max/min/average de presión, velocidad, temperatura así como %imbalance en momento, masa y energía.

solution-information

 

Postprocesado de Resultados

Tras finalizar el cálculo CFD pasamos a ejecutar la tarea de postprocesar en FEMAP los resultados de velocidad, presión, temperatura, etc.. utilizando vectores, contornos de color, isosurfaces, cortes por planos, animaciones y visualizar las líneas de flujo (streamlines).

Resultados de Velocidad

La siguiente imagen muestra a nivel global el resultado de vectores de velocidad (m/s) en el sistema de escape.

vectores-velocidad-global

La siguiente imagen muestra la animación de los vectores de velocidad en el catalizador: se observa la modificación en la trayectoria del flujo del aire al atravesar la obstrucción porosa aplicada en una de las partes del catalizador en forma de pérdida de carga de 5000 Pa. También se puede apreciar la formación de remolinos en los laterales de entrada del catalizador, el modelo de turbulencia K-epsilon ha capturado correctamente el comportamiento del fluido.

velocidad-catalizador-animated

En la siguiente imagen podemos ver una animación de los vectores de velocidad en el silencioso, donde se aprecia cómo el aire atraviesa el tubo perforado pero choca contra el tabique de separación de ambas cámaras, formándose los correspondientes remolinos. La clave: de nuevo el uso del modelo de turbulencia K-epsilon.

vectores-velocidad-muffler-animated

También podemos dar cortes por uno o varios planos sobre el campo de velocidades, es una información interesante:

velocidad-cutting-plot

Resultados de Presión

En la siguiente imagen vemos el reparto de la Presión Total (Pa) mediante iso-surfaces de igual valor:

presion-total-isosurfaces

Streamlines

Streamlines son curvas tangentes a la velocidad del fluido en cada punto del dominio fluido. Se definen para un instante de tiempo y no se entrecruzan nunca. Sirven para mostrar una foto fija de cómo se mueve el campo de fluido.

streamlineas-catalizador

Vídeo en YouTube

Aquí os dejo copia del vídeo en YOUTUBE donde explico paso-a-paso la creación del modelo CFD con FEMAP TMG FLOW, espero que os resulte interesante!:

Saludos,
Blas.

Datos de Contacto de IBERISA (Spain)

Teoría de Vibraciones

Una estructura vibrante tiene cuatro propiedades básicas: masa, rigidez, amortiguamiento y desplazamiento. Una vibración mecánica es la oscilación de la masa alrededor de su punto de equilibrio. La naturaleza de la oscilación está determinada no sólo por la masa sino también por la rigidez y el amortiguamiento propio de la estructura.

vibraciones1

En teoría, la masa puede ser una partícula infinitesimal, tal como una masa condensada, y el amortiguamiento puede estar ausente. En la práctica, la masa de una estructura mecánica tiene peso y dimensiones espaciales, y el amortiguamiento es siempre un factor a considerar.

Las vibraciones mecánicas aparecen cuando la estructura se perturba a partir de su posición de equilibrio aplicando bien un impulso o una excitación periódica.

  • Una excitación del tipo impulso produce una vibración libre de la estructura, que vibra a una o más frecuencias naturales (o frecuencias de resonancia) de la estructura y genera una respuesta de cierta magnitud.
  • Una excitación periódica produce una vibración forzada de la estructura, que vibra a la frecuencia de la excitación periódica.
  • Cuando el amortiguamiento está presente en cualquier vibración libre o forzada, el movimiento de la estructura eventualmente se reduce a cero debido a la disipación de energía.

Vibración Libre

La vibración libre ocurre cuando una masa se desplaza una distancia X y se deja vibrar libremente. El desplazamiento se debe a una excitación tipo impulso de la estructura, sin la aplicación de ninguna fuerza externa a la misma. La masa oscila alrededor de su punto de equilibrio.

Cuando la estructura está en equilibrio estático, el peso de la masa (mg) es igual a la fuerza del muelle (Δk), tal como muestra la siguiente imagen. La fuerza del muelle se define como el producto de la constante de rigidez del muelle, k, y la elongación del muelle en reposo, Δ.

vibracion-libre

Cada estructura tiene una o más frecuencias naturales de vibración. Las frecuencias naturales (también llamadas frecuencias de resonancia) es la frecuencia a la cual la rigidez y las fuerzas de inercia se anulan entre sí. En análisis modal, los picos de la función de respuesta en frecuencia (FRF) se usan para identificar las frecuencias naturales y modos de vibración de la estructura.

Vibración Libre No Amortiguada

En el caso de una vibración libre no amortiguada la masa oscila con su frecuencia natural alrededor del punto de equilibrio de forma indefinida ya que no hay disipación de energía. Cuando la masa se desplaza una distancia X, la expresión para la fuerza del muelle es la siguiente:

Fk = k(Δ + x)

Y la fuerza resultante actuando en la masa es la siguiente:

F = mgk(Δ + x) = – kx

Según la ley fundamental de Newton F = ma y dado que la aceleración es la segunda derivada de x, entonces m = – kx que proporciona la siguiente ecuación de movimiento de un sistema de vibración libre no amortiguada:

m + kx = 0

La siguiente imagen muestra la gráfica en función del tiempo de la vibración resultante no amortiguada como una onda tipo seno de magnitud x. La frecuencia natural de la estructura es la frecuencia de la onda seno.

vibracion-libre-no-amortiguada

Vibración Libre Amortiguada

En el caso de una vibración libre amortiguada la masa oscila con su frecuencia natural alrededor del punto de equilibrio con una magnitud que tiende a cero debido a la disipación de la energía. Debido a que la fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la velocidad de la masa, el término de amortiguamiento se obtiene multiplicando la constante de amortiguamiento c por la velocidad . El amortiguamiento se introduce como un valor negativo en la fuerza resultante. La expresión de la fuerza resultante es igual a la masa multiplicada por la aceleración:

mg – k (Δ + x) – c = m

Recordemos que en el punto de equilibrio las fuerzas de la estructura son mg = kΔ, por tanto la ecuación de movimiento para un sistema de vibración libremente amortiguado puede expresarse como una ecuación diferencial de segundo orden:

m + c + kx = 0

Nótese que todos los términos estructurales están presentes: masa, amortiguamiento, rigidez y desplazamiento. La siguiente imagen muestra la gráfica en función del tiempo de la vibración resultante amortiguada como una onda tipo seno. El valor pico de la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF) es la frecuencia natural de la estructura.

vibracion-libre-amortiguada

  • La Función de Respuesta en Frecuencia (Frequency Response Function, FRF) es una función de transferencia que nos permite evaluar la respuesta en frecuencia en uno o más nodos (o elementos!!) a una excitación de fuerza unitaria aplicada en un nodo.
  • En cambio, la Transmisibilidad (Transmissibility) nos permite evaluar la respuesta en frecuencia en uno o más nodos/elementos a una excitación del tipo movimiento de la base (enforced motion) tal como desplazamiento, velocidad o aceleración aplicado en el nodo de entrada.
  • La respuesta puede ser desplazamiento, velocidad, aceleración, tensión, deformación unitaria o reacciones.

Vibración Forzada

La vibración forzada ocurre cuando una fuerza periódica F sin ωt se aplica a la masa (m) de la estructura, donde ω es la velocidad angular (la frecuencia) de la fuerza y F es la magnitud de la fuerza.

Cuando la estructura está en equilibrio estático, el peso de la masa (mg) es igual a la fuerza del muelle (Δk), tal como muestra la siguiente imagen. La fuerza del muelle se define como el producto de la constante de rigidez del muelle, k, y la elongación del muelle en reposo, Δ.

vibracion-libre

En un problema de vibración forzada la estructura vibra con la frecuencia de la carga periódica aplicada a la estructura y la magnitud depende de la propia estructura, no de la carga aplicada.

Cuando la frecuencia de la carga periódica es la misma que la frecuencia natural de la estructura, aparece el fenómeno de la resonancia. Esto puede causar problemas muy graves ya que la magnitud del movimiento sigue aumentando mientras se mantenga la fuerza, por lo tanto puede llegar a destruirse la estructura.

Vibración Forzada No Amortiguada

En el caso de una vibración forzada no amortiguada la masa oscila a la frecuencia de la fuerza alrededor del punto de equilibrio de forma indefinida ya que no hay disipación de energía. En este caso la fuerza resultante en la estructura es la suma de fuerzas inherentes al sistema más la fuerza periódica, siendo igual a la masa por la aceleración:

F sinωt + mgk (Δ + x) = m

donde t es el tiempo, x el desplazamiento, y la aceleración.

Recordemos que en el equilibrio las fuerzas de la estructura son mg = kΔ, por tanto la ecuación de movimiento de un sistema de vibración forzada no amortiguada se puede escribir como:

m + k x = F sinωt

En este caso el término de la fuerza tiene un valor no nulo ya que la fuerza aplicada a la estructura tiene una magnitud distinta de cero.

Vibración Forzada Amortiguada

En el caso de una vibración forzada amortiguada la masa oscila alrededor del punto de equilibrio con una magnitud que tiende a cero debido a la disipación de la energía a la frecuencia impuesta por la fuerza períodica. Debido a que la fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la velocidad de la masa, el término de amortiguamiento se obtiene multiplicando la constante de amortiguamiento c por la velocidad . El amortiguamiento se introduce como un valor negativo en la fuerza resultante. La expresión de la fuerza resultante se iguala a la masa multiplicada por la aceleración:

F sinωt + mgk (Δ + x) – c = m

Recordemos que en el punto de equilibrio las fuerzas de la estructura son mg = kΔ, por tanto la ecuación de movimiento para un sistema de vibración forzada amortiguado puede expresarse como una ecuación diferencial de segundo orden:

m + c + k x = F sinωt

Esta es la ecuación general de movimiento para una estructura con un único grado de libertad bajo vibración forzada.

GDL y Modos de Vibración

Una estructura tiene tantas frecuencias naturales como grados de libertad (degrees-of-freedom, DOFs) tenga, este es el primer concepto que se debe aprender en vibraciones. Cada modo de vibración está caracterizado por una frecuencia natural (resonancia, en Hz) y una forma del modo de vibración (mode shape).

El modo de vibración (mode shape) generalmente representa el desplazamiento de un nodo de la estructura relativo al resto de nodos del modelo de EF, por tanto es un valor normalizado, el resultado numérico no tiene ningún significado, no se puede decir que “la estructura tiene un desplazamiento de x mm” al representar en pantalla su modo de vibración (tal como he visto escrito en algún informe de cálculo por ahí …).

Estructura con 1 GDL

Una estructura con un único GDL tiene un solo modo de vibración y se caracteriza por:

  • Una masa condensada constituyendo un nodo de la estructura.
  • Una deformada estructural a lo largo de un eje.
  • Una frecuencia de resonancia.

El modo de vibración de una estructura con un sólo GDL es difícil de visualizar ya que la estructura tiene únicamente un punto. Se puede pensar en un modo de vibración con una masa puntual oscilando a lo largo de un eje. Ya que no hay más puntos en la estructura, no hay ninguna otra relación posible de movimiento.

Estructura con 2 GDL

Una estructura con dos nodos que sólo se pueden mover a lo largo de un eje sólo tiene 2 GDL, y por lo tanto tendrá únicamente dos modos de vibración. Para ilustrar este tipo de estructuras la siguiente imagen muestra una estructura compuesta por dos masas puntuales, dos muelles y dos amortiguadores. En el primer modo de vibración de la estructura es posible que las dos masas puntuales oscilen en la misma dirección y al mismo tiempo. Se dice que las dos masas nodales se mueven en-fase una respecto de la otra, tal como muestra la siguiente imagen. Este primer modo de vibración está caracterizado por una frecuencia relativamente baja y una amplitud relativamente alta.

estructura-con-dos-gdl-modo1

En el segundo modo de vibración de la estructura las dos masas puntuales oscilan en dirección opuesta. Están desfasadas la una de la otra. Una inspección detallada de la posición relativa de los amortiguadores en el siguiente gráfico revela que las dos masas se mueven en dirección opuesta simultáneamente al mismo tiempo. El Modo#2 tiene mayor frecuencia y menor amplitud que el Modo#1.

estructura-con-dos-gdl-modo2

La gráfica de respuesta del Modo#1 define de forma aproximada el comportamiento de cualquiera de los puntos del sistema a una frecuencia de resonancia baja mientras que la respuesta del Modo#2 se aproxima a una frecuencia de resonancia alta.

Es fácil visualizar los dos modos de vibración en este tipo de estructuras porque las masas puntuales oscilan bien en-fase o fuera-de-fase una de la otra. A baja frecuencia de resonancia, la relación en-fase es más aparente, y a alta frecuencia de resonancia la relación de desfase es más clara.

El patrón real de desplazamiento de cualquiera de las dos masas puntuales virtualmente a cualquier frecuencia resulta de combinar los diferentes desplazamientos en la estructura simultáneamente, mientras que en este caso la respuesta de la estructura se compone únicamente del Modo#1 y Modo#2.

estructura-con-dos-gdl-modo2-detail

Si miramos por separado las Funciones de Respuesta en Frecuencia (FRF) por cada modo de vibración, es fácil comprobar cómo aparece una tercera función de respuesta en frecuencia (la que se obtendría con la respuesta actual de la estructura) que en realidad es la suma de las funciones de respuesta en frecuencia de cada modo por separado.

estructura-con-dos-gdl-modo2-detail2

Estructura con 3 GDL

Una estructura con 3 GDL tiene tres modos de vibración. Supongamos que tenemos una Tabla de Tranpolín en voladizo dividida en tres segmentos, tal como muestra la siguiente imagen, y supongamos que cada segmento se representa por un nodo con un único GDL.

3dof-modelo

En el Modo#1 los tres nodos oscilan alrededor del punto de equilibrio en fase unos con otros. Este es el modo de vibración más comúm que aparece cuando un nadador salta a la piscina desde el extremo del tranpolín.

3dof-modo1

La estructura además también vibra según los Modos #2 y #3. Estos modos de vibración están claramente desfasados entre los distintos nodos del modelo.

3dof-modo2

De nuevo, si la frecuencia de resonancia aumenta, la magnitud de la respuesta decrece. La siguiente imagen compara las frecuencias y magnitudes de los tres Modos de vibración para la respuesta en desplazamiento del nodo#1.

3dof-response-nodo1

Cuando se suman las respuestas para los tres Modos de vibración aparece una imagen mucho más exacta del comportamiento real del nodo#1. La imagen con la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF) muestra que los tres Modos de vibración están presentes según aumenta la frecuencia.

3dof-frf-nodo1

La respuesta de la estructura para los nodos#2 y 3 es similar al nodo#1. Lo único que cambia es la amplitud del desplazamiento.

Saludos,
Blas.

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FEMAP FORCED FREQUENCY RESPONSE

En el propio FEMAP tenemos disponible desde la versión 10.2 (Noviembre de 2010) una “joya” desconocida para muchos usuarios: la posibilidad de realizar “con el paquete básico” de FEMAP un Análisis Dinámico de Respuesta Forzada a partir de los resultados de frecuencias y modos de vibración obtenidos con “cualquier” solver de Análisis por Elementos Finitos del mercado. Los resultados de respuesta dinámica calculados por FEMAP son exactamente los mismos que se obtendrían mediante un Análisis Dinámico Modal de Respuesta en Frecuencias utilizando el módulo dinámico avanzado de NX NASTRAN (SOL111). La orden la tenéis en FEMAP en “Model > Output > Forced Response“.

Antes de usar esta orden deberás tener preparada la siguiente información:

  • Un Set de Carga: sólo se pueden definir cargas del tipo Fuerza, Momento o Presión. Aclarar que cargas como aceleracioón de la base (enforced base motion) no se pueden aplicar con esta orden, para eso se necesita disponer de licencia para el módulo de análisis dinámico avanzado de NX NASTRAN, OK?.
  • Función de Amortiguamiento: puedes crearla “al vuelo” dentro de la propia orden.
  • Resultados del Cálculo Modal: la base de datos con los resultados del análisis de modos normales.
  • La Lista de Frecuencias: debe ser creada en la propia orden.

Para entender el funcionamiento de la orden FORCED RESPONSE vamos a estudiar este sencillo ejemplo de un Soporte donde queremos obtener la respuesta estructural que experimenta el centro de gravedad del motor bajo la excitación de una carga de amplitud unitaria en el intervalo de frecuencias entre 0 Hz y 500 Hz (en este rango tenemos los 7 primeros modos de vibración del Soporte). Utilizaremos un amortiguamiento estructural de valor G=0.04 (lo que equivale a un amortiguamiento crítico ζ = G/2 = 0.04/2 = 0.02, es decir, un 2% de amortiguamiento crítico).

bracket-forced-response

La siguiente imagen muestra el Modelo de Elementos Finitos del Soporte metálico creado en FEMAP V11.2.2 a base de elementos 2-D Shell CQUAD4 de espesor 2.5 mm y material Aluminio Al 2011 (T3). La masa del motor de valor 2.5 kg se condensa en su CdG mediante un elemento masa 0-D CONM2, utilizando un elemento RBE3 para su unión al Soporte. La carga unitaria de excitación FY=1N se aplica en el centro del agujero y se transmite a la estructura del Soporte utilizando un elemento RBE3. El Soporte está unida a la base fija mediante 4 tornillos que se simulan utilizando elementos rígidos RBE2 restringiendo únicamente los GDL de translación (TX=TY=TZ=0).

bracket-forced-response-fe-model

Tras ejecutar el Análisis de Frecuencias y modos de vibración de la estructura utilizando el solver NX NASTRAN (SOL103) vemos que el valor de la frecuencia fundamental de vibración de la estructura es f1 = 40.81 Hz:

model-info-tree

Si animamos el modo#1 vemos la forma del Modo de vibración, claramente un movimiento de flexión en el plano Z-Y:

mode1-animated

Utilizando el Factor de Participación Modal de la Masa que calcula NX NASTRAN siempre que ejecutamos un análisis de modos de vibración (SOL103) podemos ver en FEMAP la contribución modal de la masa: la siguiente imagen nos muestra la SUMA DE MASA MODAL, modo-a-modo, donde se aprecia claramente cómo el Modo#1 captura más del 85% de la masa en la dirección del eje Y (verde). Esta información es vital en caso de realizar un Análisis Modal de Respuesta en Frecuencias (SOL111) ya que para que el análisis dinámico tenga una excelente precisión se deben incluir en el cálculo dinámico tantos modos de vibración como sean necesarios para asegurar la captura de mínimo el 85% de la masa en la dirección de la excitación.

MODAL-MASS-SUM

La siguiente imagen nos muestra la FRACCIÓN DE MASA MODAL, modo-a-modo, donde se aprecia claramente cómo los tres primeros modos capturan la mayor parte de la masa por encima del 85% en las tres direcciones, la fracción de masa que queda para el resto de modos (hasta el modo#10) es mínima, por lo tanto utilizar los 10 primeros modos es suficiente.

MODAL-MASS-FRACTION

Definición de la Excitación

Lo primero que debemos hacer antes de usar la orden FORCED RESPONSE es definir en FEMAP una excitación en forma de carga de presión o fuerza nodal (no valen cargas de aceleración o movimientos de la base) mediante la creación de un Caso de Carga válido. Una simple fuerza periódica de “magnitud unitaria” en la dirección de la excitación es lo adecuado, tal como muestra la siguiente imagen donde se aplica una fuerza periódica FY=1N en el rango de frecuencia entre 0 Hz y 1000 Hz (el rango 0-1000 Hz es lo mismo que definir una función entre 0-1 Hz ya que NX NASTRAN la extrapola al infinito):

loading

Definición del Amortiguamiento

Otro aspecto importante de la orden FORCED RESPONSE es definir el tipo de amortiguamiento de la estructura: podemos definir a nivel global un amortiguamiento estructural, o definir una tabla de amortiguamiento modal, es decir, que el amortiguamiento sea variable con la frecuencia.

  • Modal Damping Table:
    • La Tabla de Amortiguamiento Modal puede ser una de las siguientes funciones:
      • 6.. Structural Damping vs. Freq.“: es el amortiguamiento estructural, G
      • 7.. Critical Damping vs. Freq.“: es la fracción del amortiguamiento crítico, ζ
      • 8.. Q Damping vs. Freq.“: es el factor de calidad o magnificación, Q
    • La relación entre los valores anteriores es la siguiente:
      • ζ = β/βc (fracción del amortiguamiento crítico).
      • G = 2ζ
      • Q = 1/G

Cualquiera de las funciones anteriores se pueden definir “al vuelo” dentro o fuera de la orden FORCED RESPONSE. Además, los valores de la Tabla de Amortiguamiento Modal pueden ser definidos como Viscoso (por defecto) o Estructural. Si se establece el valor como Estructural es equivalente a usar la opción PARAM,KDAMP,-1 en el BULK DATA del solver NX NASTRAN.

  • Overall Structural Damping:
    • Por defecto está en OFF. Si se activa significa que vamos a definir a nivel global el amortiguamiento estructural G del modelo de Elementos Finitos. El valor varía entre 0.0 y 1.0. Un valor típico es G = 2ζ = 2.0 * (fracción de amortiguamiento crítico); por ejemplo, si ζ = 0.02 (es decir, 2% de amortiguamiento crítico) entonces G = 2*0.02 = 0.04. Equivale a definir la opción PARAM,G en el BULK DATA de NX NASTRAN.

step1

Lista de Frecuencias

Primero seleccionamos los modos que vamos a incluir en la generación de la respuesta de la estructura y seguidamente hacemos clic en CREATE para generar la lista de frecuencias. Aquí tenemos varias opciones:

  • 0..FREQ: Permite definir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), y un Increment (incremento de frecuencia), seguidamente haz clic en Add Multiple y se añadirán a la lista de valores. También se pueden definir frecuencias individuales metiendo un valor numérico y haciendo clic en Add. El botón Copy copia la lista de frecuencias en el portapapeles, y Paste pega la lista de frecuencias desde el portapapeles.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 100, Increment = 20 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 40, 60, 80 y 100.

lista-de-frecuencias

  • 1..FREQ1: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Increment (incremento de frecuencia), Number (número de repeticiones del incremento) y seguidamente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Increment = 20, Number = 5 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 40, 60, 80 y 100.
  • 2..FREQ2: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de intervalos logaríthmicos dentro del rango) y seguidamente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 100, Increment = 4 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 29.907, 44.7214, 66.874 y 100.
  • 3..FREQ3: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de frecuencias de excitación entre dos frecuencias modales, incluyendo los valores de las propias frecuencias) y Cluster (es un factor que se usa para “agrupar” las frecuencias de excitación alrededor de los puntos finales del rango). También se puede activar la INTERPOLACIÓN LOGARITMICA (ON) o LINEAL (OFF) entre frecuencias. Finalmente haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 300, Number = 4, Cluster = 1.0 y Logarithmic OFF con dos modos seleccionados de frecuencias 89.8135 y 243.5258 producirá una lista de frecuencias con los valores 20, 43.271, 66.5421, 89.8131, 141.051, 192.288, 243.526, 262.351, 281.175 y 300.
  • 4..FREQ4: Permite introducir un valor en Frequency1 (primer valor del rango), Frequency2 (último valor del rango), Number (número de frecuencias igualmente espaciadas) y Spread % (en %, es cómo se esparce el valor de cada frecuencia, una cantidad +/- del valor de cada modo), haz clic en OK y se creará la lista de frecuencias.
    • Por ejemplo, Frequency1 = 20, Frequency2 = 300, Number = 5 y Spread % = 3, con dos modos seleccionados de frecuencias 89.8135 (Modo#1) y 243.5258 (Modo#2) producirá una lista de frecuencias con los valores 87.1188 (97% del valor del Modo#1), 88.4659 (98.5%), 89.8131 (100%), 91.1603 (101.5%), 92.5075 (103%), 236.22 (97% del valor del Modo#2), 239.873 (98.5%), 243.526 (100%), 247.179 (101.5%) y 250.832 (103%).

Nota: Si queremos añadir de forma automática a la lista de frecuencias los valores de los modos de vibración la clave es seleccionar el tipo 4..FREQ4 y utilizar Number = 1 y Spread % = cualquier valor, tal como se muestra en la siguiente imagen, es lo más práctico:

freq4

Definición de Resultados

Tras la definición de los datos de entrada, la siguiente fase es definir qué resultados queremos obtener del análisis de respuesta forzada.

  • Save Results As: aquí podemos elegir entre crear “Output Vectors” con resultados en nodos y elementos, o crear funciones. Lo más práctico es crear funciones, el cálculo es muy rápido y los diagramas X-Y dan una idea rápida de las Funciones de Respuesta en Frecuencia (FRF) de la estructura.
  • Complex Data Type: podemos obtener resultados de la parte Real e Imaginaria, o resultados de magnitud y ángulo de fase.

salida-de-resultados

En cuanto a la salida de resultados, puedes pedir que sean nodales o elementales, y estén referidos a un nodo o grupo de nodos, o a un elemento o grupo de elementos, la creación de grupos es esencial antes de empezar el análisis.

Puedes pedir que la orden FORCED RESPONSE calcule resultados de vectores específicos, en vez del set completo: por ejemplo, puedes pedir que calcule la respuesta de desplazamientos en la dirección del eje Y vs. frecuencia en vez de pedir el set completo de desplazamientos de translación y rotación en los tres ejes X, Y, Z.

vector-selection

Pues nada, tras pulsar en OK se inicia el proceso de cálculo y en la siguiente imagen tenemos la respuesta de desplazamiento vs. frecuencia del nodo#4001 en el rango de frecuencias entre 0 y 500 Hz: el factor de amplificación dinámica (DAF, Dynamic Amplification Factor) es impresionante, fijaros que para la frecuencia cero el resultado es equivalente al análisis estático lineal, por lo tanto tenemos un factor de amplificación dinámica alrededor de 0.147/0.006 = 24.5 veces !!. Por tanto, si aplicáramos una fuerza periódica con una frecuencia de 40.8 Hz tendríamos un serio problema de resonancia que causaría la destrucción total de la estructura.

FRF-T2-nodo#40001

También podemos visualizar la Función de Respuesta en Frecuencia (FRF) de la estructura en formato logarítmico, aquí tenemos los resultados. Fijaros cómo la respuesta se maximiza en coincidencia con los modos de vibración de la estructura en la dirección del eje Y: Modo#1 = 40.8173 Hz, Modo#4 = 185 Hz y Modo#6 = 410.4 Hz.

FRF-T2-nodo#40001-formato-logaritmico

Aquí tenéis un vídeo que acabo de grabar esta noche donde explico el procedimiento paso-a-paso para usar la orden FORCED RESPONSE con FEMAP V11.2.2.

Y en este otro vídeo de SIEMENS grabado con motivo del lanzamiento de FEMAP V10.2 y NX Nastran 7.1 (Noviembre de 2010) también se explica cómo usar la orden FORCED RESPONSE, fijaros cómo ha cambiado FEMAP en poco más de cinco años, desde la versión V10.2 a la actual V11.2.2.:

Saludos,
Blas.

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