• FEMAP V2022.1 (Enero 2022)

FEMAP V2022.1 presenta numerosas novedades con avances importantes en tecnología de mallado y análisis por elementos finitos que ayudarán a mejorar la productividad de los usuarios, rogamos de forma encarecida a todos los usuarios instalar el software lo antes posible. La versión MP2 del software está disponible para descarga en SUPPORT CENTER de SIEMENS Support Center Home

Juntas Cinemáticas (Kinematic Joints)

En el árbol MODEL INFO y en el menú MODEL > SIMULATION ENTITIES se ha añadido Juntas Cinemáticas y Correderas Flexibles para utilizar de momento de forma exclusiva con el solver Simcenter Nastran Multi-Step Nonlinear Kinematic (SOL402)para saber más sobre el módulo Multi-Step Nonlinear (SOL401/402) visita mi blog aquí— y capturar así de forma más exacta el comportamiento real de ensamblajes con movimiento relativo entre piezas. También se ha añadido un nuevo SOLUTION MONITOR optimizado para ofrecer en tiempo real información avanzada de las soluciones de Simcenter Nastran Multi-Step No Lineal (SOL401/402) con representación inmediata de los resultados del análisis mediante contornos en color sobre el propio modelo de elementos finitos así como numerosas opciones de gráficos X-Y.

Las Juntas Cinemáticas conectan dos nodos y permiten cierta relación de movimiento relativo o rotación entre ambos dependiendo de qué tipo de junta se establezca. Los tipos de juntas cinemáticas disponibles son las siguientes:

  • Rotativas (Revolute)
  • En línea (InLine)
  • Deslizantes (Slider)
  • Esféricas (Spherical)
  • Cilíndrica (Cylinder)
  • Deslizante-Junta universal (Slider-Universal)
  • Empotrado (Fixed)
  • Tornillo (Screw)
  • Junta Universal (Universal)
  • Velocidad constante

Se pueden usar para el análisis de modelos de Elementos Finitos que contengan partes móviles, como aeroestructuras, helicópteros, estructuras desplegables en el espacio, turbinas de gas o modelos de Máquina Herramienta. La adición de cargas en la junta cinemática como un nuevo tipo de carga se puede usar para imponer desplazamientos o rotaciones en juntas cinemáticas.

Para acelerar y facilitar el proceso de creación de uniones cinemáticas la orden JOINT CONNECTION permite al usuario establecer cómo se conectará una unión cinemática a entidades geométricas o a la malla existente del modelo de elementos finitos y luego se expandirán a los nodos necesarios cuando se exporte el archivo de entrada para Simcenter Nastran.

Correderas Flexibles (Flexible Sliders)

FEMAP V2022.1 ofrece soporte ampliado para el análisis cinemático de sistemas mecánicos con la adición de entidades de simulación “Flexible Slider“. Los controles deslizantes flexibles permiten al ingeniero simular con precisión la deformación de las pistas curvilíneas a medida que los componentes del ensamblaje se desplazan a lo largo de ellas.

Esta nueva capacidad incluye varios parámetros para la personalización, incluidos diferentes tipos de controles deslizantes, aplicar cargas y opciones de rozamiento adicionales. Los tipos de controles deslizantes disponibles permiten diferentes restricciones para la rotación relativa de los nodos que se deslizan a lo largo de la pista. Esto incluye tipos esféricos, prismáticos, cilíndricos y universales. Para las cargas, los controles deslizantes flexibles se pueden accionar con conjuntos de carga externos y fuerzas/desplazamientos aplicados directamente a un nodo de control específico. Para el rozamiento, los tipos disponibles incluyen opciones para validar el movimiento (sin fricción), la fricción infinita y las fuerzas de fricción dependientes del desplazamiento o la velocidad.

Mallado Hexaédrico Dominante (Automatic Hex-dominant Meshing)

La comunidad mundial de ingenerios que trabajamos habitualmente con Elementos Finitos siempre hemos deseado realizar mallado hexaédrico dominante de geometrías CAD 3-D sólida con poca o ninguna simplificación y división en sólidos simples. Simcenter Femap 2022.1 presenta esta emocionante tecnología a los usuarios por primera vez. Sobre la base de las capacidades de mallado avanzadas BODY MESHER introducidas en la versión anterior de Simcenter Femap V2022.1 (Julio 2021) presentamos la tecnología automática de mallado hexaédrico dominante que elimina la necesidad de simplificar y dividir la geometría que normalmente se requiere para crear una malla dominante hexaédrica de alta calidad. El mérito de esta tecnología de mallado hexaédrico dominante es del grupo de ingenieros que desarrollan FloEFD STRUCTURAL, el módulo de mallado estructural del software de análisis de fluidos CFD integrado en Solid Edge en el cual he participado como Beta-Tester, los chicos de FloEFD son unos genios!!.

Y gracias a mi insistencia con el equipo de desarrollo de FEMAP (USA) para que evaluaran y consideraran integrar la tecnología de mallado hexaédrico dominante de FloEFD en FEMAP finalmente las pruebas fueron todo un éxito y en la actualidad está integrado y disponible en FEMAP para que los usuarios de todo el mundo la disfruten, qué orgullo!!

¿Como funciona?. El mallador hexaédrico dominante primero mete en el volumen sólido tantos elementos hexaédricos como sea posible, seguidamente rellena el resto del volumen con elementos sólidos de transición del tipo prismas triangulares (WEDGE), pirámides (PYRAM) y tetraedros (TET), según sea necesario. Este proceso crea elementos de alta calidad calcular directamente con Simcenter Nastran sin interacción adicional por parte del usuario ni refinamiento manual de la malla.

Además de poder mallar piezas individuales, el mallador hexaédrico dominante puede mallar varias piezas a la vez para crear una única malla continua del ensamblaje. Esta nueva característica incluye opciones adicionales para controlar aspectos como el tamaño de la malla, la asociatividad de la malla con la geometría y si todos los elementos deben incluir nodos intermedios durante el proceso de mallado así como asegurar que los nodos intermedios estén proyectados sobre la superficie del sólido.

También tenemos como novedad la orden MESH > EDITING > MAPPED HEX REFINE que permite refinar mallas hexaédricas (una porción de elementos o incluso el modelo completo) y crear transiciones de malla con el resto del modelo de forma automática, siempre que la malla de base esté mapeada y creada con las técnicas de mallado hexaédrico clásicas. Es una opción muy interesante para tener una segunda opinión y comprobar la dependencia con la densidad de malla de los resultados de tensiones obtenidos.

Mejora de Prestaciones (Performance Improvements)

  • La configuración Performance Graphics (Best Possible) ahora admite:
    • Ecuaciones de restricción y etiquetas de ecuaciones de restricción
    • Regiones (Connection, Fluid, NonStructural Mass & Bolt)
  • Mejora de 2 veces en la expansión de las cargas de presión basadas en geometría.
  • Rendimiento mejorado al actualizar grupos.
  • Mejora del rendimiento de hasta 35 veces del proceso utilizado para capturar imágenes cuadro por cuadro por la orden Animate-MultiSet.

Mejoras de Integración de Nastran

Simcenter Femap 2022.1 incluye soporte mejorado para muchas de las nuevas funcionalidades disponibles en Simcenter Nastran, así como otros calculadores Nastran. Ahora es posible indicarle a Nastran que cree un archivo de salida que pueden usar otras aplicaciones de Simcenter™ (incluido Simcenter 3D) desde la interfaz de usuario de Femap a través del Analysis Set Manager. También se puede establecer una preferencia para que éste sea el comportamiento predeterminado.

Además, ahora está disponible el elemento 2-D Shell cuadrilátero Tension-Only para el módulo no lineal de Simcenter Nastran Multi-Step Structural (SOL401) que tiene la capacidad de convertirse en un elemento SHEAR PANEL cuando se cumplen ciertos criterios especificados por el usuario. Una vez que se ha producido la conversión, el elemento continuará actuando como un Shear Panel para cada Sequential Dependent Subcase que siga a un Sequential Independent Subcase inicial.

Finalmente, se agrega soporte para entradas en Simcenter Nastran que ofrecen un enfoque simplificado para especificar las opciones de control para el Dynamic Design Analysis Method (DDAM). DDAM es un proceso de 3 pasos que primero ejecuta un análisis modal, envía los resultados necesarios y otros datos especificadas por el usuario a la aplicación NAVSHOCK en Fortran, y finalmente crea los resultados de Suma Modal.

Nuevo Simcenter Nastran Solution Monitor

Simcenter Femap V2022.1 incluye acceso directo a Simcenter Nastran Solution Monitor para ver los resultados de un análisis y/o revisar los resultados seleccionados de Simcenter Nastran. Esto incluye información, advertencias y mensajes de error obtenidos directamente del solver Simcenter Nastran mientras se ejecuta un análisis o después de su finalización.

Solution Monitor es más útil cuando se utiliza con Simcenter Nastran Multi-Step NonLinear (SOL401/SOL 402), que es la opción por defecto para dichos análisis.

Solution Monitor es de gran utilidad cuando se usa con los módulos no lineales Multi-Step (SOL401/402) porque proporciona información vital, como el incremento de tiempo y las iteraciones para cada paso del análisis, criterios de convergencia, número acumulado de iteraciones, evolución de la energía, status de contacto/material, número de nodos en contacto , elementos con daño, elementos con creep y elementos que han experimentado deformación plástica.

Conocer esta información durante un análisis que puede costar montón de iteraciones permite determinar si una solución convergerá correctamente y se debe permitir que continúe, o si es divergente y se deben modificar varias opciones de configuración del modelo.

Mejoras en el Interface de Usuario

Nuevo icono para trabajar en modo entidad o con etiquetas de entidades en pantalla, es una forma rápida de poner y quitar etiquetas de las entidades en pantalla son entrar en el atajo con F6 ..

También hay novedades en cuanto a la creación de GRUPOS.

Y de ahora en adelante toda la ayuda de FEMAP cuando pulsas la tecla F1 está en SUPPORT CENTER, no localmente en tu ordenador, así que recuerda que para acceder a la ayuda de FEMAP deberás crear una cuenta en el SUPPORT CENTER de SIEMENS, el mismo sitio donde descargas el software y te bajas las nuevas licencias, todo integrado a través de Internet, OK?. También se puede instalar un servidor local para toda la empresa usando el Siemens Documentation Server, consulta la ayuda de la nueva versión.

Application Programming Interface (API)

Se ha añadido Joint Object y FlexibleSIider Object, así como métodos y propiedades a los objetos existentes para acceder mediante programación a las nuevas entidades de simulación de la versión 2022.1.

Enlaces Interesantes

El siguiente material está disponible para descarga:

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Espero que este artículo sobre las novedades de Simcenter FEMAP V2022.1 de SIEMENS PLM os resulte útil e interesante, cualquier pregunta sobre su utilización o instalación no dudéis en consultarme, encantado de atenderos – Gracias!.

Saludos,
Blas.

• Lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST)

Simcenter FEMAP, la aplicación standard de Pre- y Postprocesado del Proyecto JWST

Por fin la NASA en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA) ha puesto en órbita el telescopio espacial James Webb (JWST), el más grande de la historia (100 veces más potente que el legendario Hubble) y una de las obras más esperadas de la ingeniería aeroespacial. El lanzamiento ha sido todo un éxito tras superar su primera y crucial corrección de trayectoria, rumbo a su órbita objetivo situada a una distancia de 1.5 millones de km de la Tierra girando en torno al punto de equilibrio gravitatorio Lagrange-2, una zona donde la gravedad permite que las fuerzas necesarias para mover el telescopio sean mínimas de tal manera que el consumo de combustible es muy bajo y la misión dura más tiempo, precisamente donde están, entre otros, los telescopios Herschel, Planck y Gaia de la Agencia Espacial Europea (ESA) que ya han dejado de funcionar. El Herschel se quedó sin líquido refrigerante en 2013, pero el JWST tiene refrigeración pasiva y lleva 300 kg de combustible que le permitirá mantenerse en la órbita de halo que aunque es una órbita muy estable deberá realizar correcciones para mantenerse en L2, estimando una vida de 10.5 años.

Los amantes del espacio podemos acompañar al telescopio James Webb en su viaje de 30 días gracias a la web de la NASA y conocer en todo momento la distancia a la que se encuentra de la tierra, la velocidad a la que viaja, la temperatura y la fase de despliegue en la que se encuentra:
https://jwst.nasa.gov/content/webbLaunch/whereIsWebb.html


En el momento de escribir este POST lleva 2 días de viaje y ya ha desplegado de forma automática los paneles solares, ha realizado la primera corrección de trayectoria “Mid Course Correction Burn 1a (MCC11a)” para alcanzar su órbita rumbo a L2 (una maniobra crítica) y ha desplegado con éxito de forma automática la antena de alta velocidad “Gimbaled Antenna Assembly (GAA)” para comunicarse con el centro de control de la NASA en la tierra y enviar 60 GB de datos al día.

La siguiente fase crítica será el despliegue y tensado del escudo térmico (Sunshield) que empezará el día 3 después del lanzamiento, no es una operación automática, la iniciará el equipo de control en la tierra desplegando y tensando las cinco membranes del escudo térmico, más delgadas que un cabello humano, de material Kapton revestido de silicio y aluminio, lo que permitirá mantener la temperatura operativa por debajo de los 50º Kelvin (-223,15 ºC), a pesar de su exposición a la radiación solar. A partir del día 10 comenzará el desplegado de los espejos secundario y primario, así como el radiador trasero para calentar los instrumentos. A partir del día 13 ya con todo desplegado comenzarán durante seis meses las pruebas de ajuste y calibración de los 18 segmentos de espejo hexagonal para que el conjunto funcione como un único espejo (ver animación del desplegado completo)

Si todo sale bien, el JWST será como una máquina del tiempo, una linterna para mirar atrás en el tiempo utilizando la luz infrarrojo que nos permita ver las primeras estrellas que se formaron en el universo hace más de 13000 millones de años, comprender la evolución de las galaxias, entender los agujeros negros y estudiar en detalle la atmósfera de los exoplanetas, ¡¡no me digáis que no es emocionante!!.

Un Poco de Historia

El proyecto del nuevo telescopio espacial para sustituir al vetusto Hubble nació en 1996 con el plan llamado Next Generation Space Telescope (NGST) con cambio de nombre incluido en el 2002 a favor del segundo responsable de la NASA James Webb y dotado con un presupuesto inicial de 1600 millones de dólares y una fecha de lanzamiento para el año 2007. El proyecto ha estado plagado de numerosos retrasos y aumentos de presupuesto (en 2011 el Congreso de los Estados Unidos estuvo a punto de cancelarlo), pero tras 14 años de retraso y un presupuesto final de casi 10.000 millones de dólares el proyecto ha salido adelante.

James Webb vs. Hubble

El James Webb es el telescopio espacial más grande y potente jamás lanzado, con el escudo térmico desplegado ocupa una cancha de tenis. Es bastante más ligero que el Hubble (6.2 Tons frente a 12.2 Tons) y tiene un espejo mucho más grande (6.5 m vs. 2.4 m) formado por 18 fragmentos hexagonales de berilio cubiertos por una película de 48.25 grs de oro.

Otra diferencia importante es que el JWST observa el infrarrojo cercano y el infrarrojo medio (lo que le permite observar galaxias de hace 13.500 millones de años, las primeras galaxias del universo), mientras que el Hubble observa partes del ultravioleta, la luz visible y partes del infrarrojo cercano (lo que le permite observar galaxias de hace 12.500 millones de años).

Dado que el universo está en expansión, los cuerpos más lejanos de nosotros siguen alejándose, y la luz que viaja a través del espacio de esas galaxias lejanas literalmente se estira por la expansión del espacio. Dado que el James Webb captura luz infrarroja esto permite capturar la luz emitida por esos cuerpos que se han alejado muchísimo de nosotros. Otra ventaja de contar con luz infrarroja es que permitirá descubrir nuevos exoplanetas, detectando compuestos químicos de las atmósferas de esos exoplanetas. Por ejemplo, será posible detectar agua, dióxido de carbono o metano, pero nótese que su detección no significa que sea una prueba definitiva de que exista vida.

Por último, el Hubble está a 570 km, en la órbita baja terrestre, mientras que el JWST estará a 1.5 millones de km, esto le permitirá tener una perspectiva única de nuestro universo, “sin distracciones” para tomar imágenes aún más nítidas e impactantes, pero esa ventaja tiene un precio: la distancia a la que está el Hubble permite repararlo en caso de avería, en cambio con el James Webb esa opción está descartada, por tanto es necesario que todo funcione bien a la perfección desde el primer momento, ya que no habrá segundas oportunidades.

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Simcenter FEMAP, la herramienta clave en el proyecto JWST

FEMAP es la aplicación standard de pre- y postprocesado del proyecto JWST, esto se debe conocer en toda la comunidad ingenieril del mundo entero, hay que estar orgulloso del software FEMAP y del grupo de ingenieros que forman el equipo de desarrollo que está detrás, son unos genios!!. Los instrumentos y componentes del JWST se han simulado por Elementos Finitos realizando cálculos de frecuencias y modos de vibración, de transferencia de calor, de deformaciones térmicas y de análisis estructural, y FEMAP ha sido la herramienta que ha aglutinado y agrupado todos los modelos de elementos finitos de los diferentes componentes así como los resultados de todos los análisis de Elementos Finitos permitiendo al equipo de desarrollo del JWST trabajar conjuntamente.

We use Simcenter Femap as the pre- and postprocessor,” comenta Dr. Emmanuel Cofie, analista responsable del análisis de distorsión térmica del módulo ISIM (Integrated Structural Instrument Model). “The mechanical design team provides us with CAD files and we use FEMAP to generate meshes for our mathematical model and, after finite element analysis, to extract results and view the behavior and state of the structure under the various load conditions. FEMAP it is the primary tool we used for visualization of the structure in its operational/launch states before actual testing.

Debido a que solo existe una única oportunidad para que el JWST tenga éxito, cada pieza y ensamblaje de cada sistema tiene que ser probado a fondo en la Tierra para asegurar que los instrumentos funcionarán sin problemas bajo las condiciones de trabajo prescritas. Simular el comportamiento del JWST en la Tierra es la única forma de determinar que el telescopio funcionará correctamente una vez que esté situado en el espacio exterior. Es un trabajo personalizado, artesanal, único en su género.

Utilizando solvers de Elementos Finitos junto con Simcenter FEMAP, los ingenieros de la NASA realizaron simulaciones para garantizar que cada pieza no interfiera con otra y que las piezas y los conjuntos tengan la resistencia suficiente para soportar las condiciones térmicas de calor o frío extremas, las vibraciones inducidas durante el lanzamiento así como soportar con éxito las condiciones de funcionamiento normales.

Simcenter Femap™ is a very usable tool that is at once very affordable and also provides high value,” comenta Mark McGinnis, Director del grupo de trabajo encargado del estudio de la distorsión térmica en NASA Goddard Space Flight Center (GSFC). “It enables us to carry out our mission of analyzing the structural and thermal performance of parts and systems. Femap is easy to learn and use, and works well with any solver.” Mark estima que el software se usa habitualmente por al menos 75 ingenieros en el NASA Goddard.

For example, we imported a back plane sub-assembly model from a contractor and populate it with 18 mirrors to visualize how they come together,” comenta McGinnis, “We need to be sure the interface grids are coincident as they were supposed to be, and then use it to build the more than 8 million required grids, which makes a very large FE model from a computing standpoint. We assemble the model using Femap.

Aquí os dejo el video y copia de la presentación en PDF realizada por Mark McGinnis – SGT JWST Project Lead & Dr. Emmanuel Cofie – ISIM Lead Analyst donde explican la utilización de FEMAP en el proyecto del telescopio espacial James Webb (JWST) en un evento con motivo de la celebración del FEMAP SYMPOSIUM 2014 en Atlanta (Georgia).

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Mark Sherman, Director de Desarrollo de Simcenter FEMAP, conoce muy bien por dentro el proyecto JWST, ha estado en contacto muy estrecho con numerosos ingenieros usuarios de FEMAP en 17 continentes trabajando en el JWST, incluyendo universidades y grandes industrias como ATK, Ball Aerospace, ITT, Lockheed Martin, Northrop Grumman Aerospace System (el contratista principal) y el Space Telescope Science Institute. Me imagino a Mark siguiendo el lanzamiento del cohete Ariane V pegado al monitor de TV:

Here at Siemens Digital Industries Software, we are excited to watch the upcoming launch of the JWST,comenta Mark Sherman, Director de Simcenter Femap Software Development. “Our involvement in this historic undertaking has been detailed in numerous customer presentations and papers, and we have been privileged to work with a large number of Simcenter FEMAP users at different entities over the years involved in the simulation of complex parts and systems in support of the Webb mission.”

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Modeling the First Light Machine with FEMAP
Integrated Science Instrument Module (ISIM) Structure

ISIM´s Stepping Stones

Convergence Studies Models

Composite Modeling with FEMAP

Global to Local

ISIM Temperature Mapping

Operational Temperatures Distorted Shape

Dynamics Modeling Key Modes

ISIM Strength Proof Testing

ISIM Performance Predictions

JWST Strength Testing

Deployed Dynamics Testing

Transportation Modeling

Overdrive Testing

Thermal Distortion Testing

FEMAP Specific Benefits

Conclusion

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El siguiente video muestra numerosos trabajos realizados con FEMAP sobre todo en el campo aeronáutico y aeroespacial, alucinarás, qué maravilla, cuántas cosas puede hacer la ciencia y la ingeniería … qué pena no llegar a ver las fronteras del espacio hasta donde llegará el ser humano. Disfrutemos el momento mientras nos deje el COVID-19, es lo que nos queda!!!.

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Enlaces Interesantes:

Saludos,
Blas.

• FEMAP V2021.2 (Julio 2021)

Lista de Mejoras de la nueva versión de Simcenter FEMAP V2021.2

La versión de FEMAP V2021.2 está entre nosotros desde el mes de Julio 2021 incluyendo importantes novedades y corrección de errores lista para descarga desde el Support Center de SIEMENS.

La última versión ofrece una variedad de mejoras que permitirá mejorar la productividad a lo largo del proceso FEM/FEA de creación del modelo de elementos finitos, ejecución del análisis y postprocesado de resultados.

De manera similar a versiones anteriores los usuarios con llave USB deben obtener nuevos códigos para ejecutar la nueva versión v2021.2. Los usuarios con licencia Flotante en Red deben desinstalar el viejo LICENSE SERVER y descargar e instalar el nuevo FLEXlm License Server en el ordenador que actúe como servidor de licencias, y así mismo obtener el archivo de licencia actualizado para ejecutar Simcenter Femap v2021.2. Tanto los códigos de actualización para llave USB como el archivo de licencia actualizado para licencia flotante están disponibles a través del Centro de Soporte de Siemens Digital Industries Software llamado SUPPORT CENTERhttps://support.sw.siemens.com/

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Hoja de Ruta

La siguiente imagen muestra la hoja de ruta del desarrollo de FEMAP: cada año se lanzan al mercado dos nuevas versiones con una separación de 6 meses coincidiendo con las fechas de primavera_verano y otoño_invierno. Entre ambas fechas se lanzan pequeñas revisiones con corrección de errores llamados MAINTENANCE PACKS (MP1, MP2, etc..) que los usuarios pueden descargar para actualizar el software.

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CONVERGENT MODELING” DE PARASOLID

La tecnología Convergent Modeling™ del kernel PARASOLID V32.0 permite mezclar en un mismo modelo geométrico superficies B-rep de facetas y superficies B-rep clásicas, es decir, crear modelos mixtos.

El modelado convergente permite trabajar con modelos que contienen una mezcla de superficies B-rep de facetas y un subconjunto de superficies B-rep clásicas. Este subconjunto incluye planos, cilindros y esferas analíticas clásicas. Por ejemplo, un modelo completamente facetado ahora puede recibir una operación Booleana con cilindros B-rep clásicos para crear agujeros pasantes o seccionado con planos B-rep clásicos, cada uno creando nuevas superficies B-rep clásicas en el modelo. Esta primera implementación de Convergent Modeling en modelos mixtos abre nuevos flujos de trabajo, como restaurar superficies de acoplamiento clásicas y precisas en un modelo que se ha sometido a optimizaciones de topología basadas en facetas. De manera similar, se pueden agregar superficies analíticas exactas sobre el modelo de una pieza escaneada lista para su fabricación.

Nota: Femap no permite crear geometría convergente, sin embargo, admite importación / exportación, edición y mallado.

La siguiente imagen muestra el método tradicional de geometría B-REP de Parasolid: las caras del sólido están definidas mediante superficies subyacentes analíticas y/o mediante superficies NURBS:

Pero ahora también tenemos un nuevo tipo de geometría a base de facetas: en el CONVERGENT MODELING las superficies subyacentes están definidas por caras triangulares, es la geometría resultante de escanear una pieza, o el resultado de un análisis de Optimización Topológica o Diseño Generativo, se le conoce con el nombre de MESHED BODY o también FACED GEOMETRY.

Pues bien, con FEMAP V2021.2 ambos tipos de geometrías clásica B-REP & CONVERGENT pueden cohexistir en el mismo modelo *.MODFEM: podemos tener una mezcla de piezas tradicionales B-REP basadas en Superficies NURBS y/o superficies analíticas, y piezas con caras facetadas, todo en el mismo modelo.

En las siguientes imágenes tenéis el resultado obtenido con el módulo GENERATIVE DESIGN PRO de SOLID EDGE (para saber más sobre diseño generativo visita mi blog aquí) tras realizar la optimización topológica de una pieza de Nylon 12CF sometida a diferentes casos de carga. El resultado lo vamos a exportar tanto en formato *.STL como en formato Parasolid (*.X_T), y os enseñaré cómo importar los diferentes formatos en FEMAP V2021.2.
Nótese que cuando se exporta un modelo convergente en formato Parasolid desde Solid Edge se generan dos ficheros:

  • *.x_t: este fichero tiene un tamaño reducido y contiene la topología.
  • *.m_t: este fichero es el de mayor tamaño, y contiene las facetas.
  • El formato binario *.x_b incluye toda la información en un único fichero.

tick Método-1: Importar Geometría Parasolid

Aquí tenéis el resultado de importar el formato Parasolid *.X_T en FEMAP:

Fijaros en la siguiente imagen con los nuevos iconos utilizados en FEMAP v2021.2 para designar los tipos de geometrías soportados, en especial destaca el icono para geometría convergente y el icono para geometría tipo NonManifold. El icono para representar superficies Nurbs también es nuevo, mientras que el icono de sólidos es el mismo de siempre.

El modelo convergente así importado en FEMAP se puede manipular geométricamente usando la mayoría de las órdenes de edición de geometría disponibles, aquí tenéis un ejemplo:

Las imágenes muestran cómo se ha manipulado la geometría convergente importada en formato Parasolid: se ha partido en 4 partes mediante los planos globales cartesianos X-Z e Y-Z y se ha mallado con elementos sólidos 3-D CTETRA tetraedros de 10-nodos usando la nueva orden “Mesh > Bodies“:

tick Método-2: Importar el fichero STL
Aquí tenéis el aspecto del fichero STL importado en FEMAP v2021.2, es una colección de facetas de elevada distorsión que forma la piel exterior de la pieza.

Para convertir la malla STL en una malla cerrada y de calidad usaremos la orden “Mesh on Mesh“. Esta orden solo utiliza como base de partida elementos 2-D triangulares o cuadriláteros ya existentes (en lugar de entidades geométricas), creando a continuación una malla sólo con triángulos o una malla QUAD donde dominen los cuadrilateros (puede haber algún triángulo). Esta tecnología de mallado viene del software STAR-CCM+ y permite convertir triángulos de baja calidad en mallas limpias de excelente calidad.

En la siguiente imagen podéis comparar la malla 2-D creada a base de elementos QUAD a partir de la malla STL con la malla 3-D creada a partir de la malla 2-D anterior usando la orden “Mesh > Geometry > Solids from elements“.

En el siguiente video tenéis una explicación del funcionamiento de la orden Mesh > Bodies para el mallado de geometría convergente:

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TECNOLOGÍA “BODY MESHER

La tecnología BODY MESHER creada conjuntamente entre STAR-CCM+ y el equipo de desarrollo de FEMAP a través de las órdenes “Mesh > Bodies” y “Mesh > Mesh on Mesh” permite crear mallas de excelente calidad. Sin embargo, la forma de trabajo en FEMAP es diferente al método tradicional: para conseguir la máxima calidad de la malla tenemos que dar libertad al mallador y permitir que la geometría interna no sea una restricción para conseguir los objetivos de máxima calidad de la malla.

La siguiente imagen muestra un ejemplo de mallado con elementos QUAD de las superficies de un cigüeñal de elevada complejidad geométrica donde el mallador asocia la malla solo a la geometría esencial, es decir, puntos, curvas y superficies utilizadas para definir cargas, restricciones y/o regiones basadas en geometría. Esta es la opción predeterminada y ofrece al mallador la mayor libertad posible para ignorar puntos, curvas y superficies internas, posibilitando la creación de un mallado con la mayor calidad posible en función del elemento especificado.

Para entender bien cómo funciona la nueva tecnología BODY MESHER vamos a mallar un ejemplo de pieza con elementos 2-D Shell CQUAD4 que la tenéis en el directorio de ejemplos de FEMAP tras crear la superficie media, aquí la tenéis en pantalla:

tick Opción-1: “Mesh Associativity = All Geometry”
Mallamos la pieza con todos los parámetros por defecto (tipo de elemento CQUAD4, tamaño por defecto, nº de divisiones por círculo = 8, etc..), la diferencia es activar la opción “All Geometry” que asocia la malla a la geometría utilizando todas las curvas y superficies del cuerpo geométrico seleccionado. En esencia, esta opción ofrece el mismo nivel de asociatividad “geometría/malla” que las órdenes de mallado clásicas de FEMAP, pero al activar esta opción el mallador no tiene libertad para mejorar la calidad de la malla, tiene muchas restricciones impuestas por tener que seguir fielmente la geometría, obteniendo probablemente una malla de baja calidad.

En efecto, aquí tenéis el resultado: la malla no brilla por su calidad, es muy pobre, se debe a que hemos activado la opción “Mesh Associativity = All Geometry” imponiendo restricciones al mallador para obtener una malla de buena calidad.

tick Opción-2: “Mesh Associativity = Required Geometry Only
Esta opción asocia la malla solo a la geometría que se especifica de forma explícita, como curvas y superficies utilizadas para definir cargas, restricciones y/o regiones basadas en geometría. Esta es la opción predeterminada y le permite al mallador tener la mayor libertad para ignorar curvas y superficies internas, obteniendo una malla con la más alta calidad según el tamaño del elemento especificado.

Y si además activamos la opción “Points Around Circle = 24” entonces la calidad de la malla es perfecta, en la siguiente imagen podéis ver la comparación de la malla, chulo, ¿eh?:

Aquí os dejo una colección de imágenes para ver la potencia y posibilidades de la nueva tecnología de mallado “Body Mesher“:

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Orden “MESH ON MESH

La orden de mallado “Mesh > Mesh on Mesh” utiliza la misma metodología de mallado que la orden “Mesh > Bodies“, solo que usa de partida elementos triangulares o cuadriláteros ya existentes en lugar de entidades geométricas. El mallador crea una malla triangular o de mayoría cuadriláteros basada en las caras de elementos de partida.

La siguiente imagen muestra la orden “Mesh on Mesh” en acción usando como malla de partida una malla mixta a base de triángulos y cuadriláteros de baja calidad (seleccionamos elementos por propiedad, los que tienen color amarillo). Introducimos un objetivo de tamaño de elemento de 0.25 unidades (la malla de base existente tiene un tamaño de 0.1 unidades) y en la imagen comparativa podemos apreciar la mejora de la calidad de la malla, un menor número de elementos y una excelente transición de malla:

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EL elEMENTO CBUSH1D

El elemento CBUSH1D (en FEMAP se denomina Spring/Damper y Spring Damper to Ground) es la versión unidimensional del elemento CBUSH (pero sin “rigid offset“) para utilizar tanto en Análisis Lineales como No Lineales activando la opción de grandes desplazamientos (large displacements effect).

El elemento CBUSH1D permite definir la rigidez axial, amortiguamiento axial (disipación de energía en la estructura) y la masa total del elemento. Se puede usar con todos los tipos de análisis de Simcenter Nastran, con las siguientes limitaciones:

  • En análisis estático lineal (SOL101) y modal (SOL103) el amortiguamiento se ignora.
  • En análisis dinámico lineal avanzado (SOL111, SOL112, etc..) usa los valores de rigidez y amortiguamiento viscoso.
  • En análisis no lineal (SOL106, 401/406) los valores lineales de rigidez y amortiguamiento se usan para calcular el amortiguamiento inicial y la rigidez tangencial inicial.
  • En análisis no lineal si se definen funciones de fuerza vs. desplazamiento y la matriz de rigidez necesita actualizarse, las tangentes de las curvas de fuerza vs. desplazamiento y fuerza vs. velocidad se usan para los valores de rigidez y amortiguamiento.
  • El elemento CBUSH1D se considera no lineal si se define una función d fuerza vs. desplazamiento, o si se activa el efecto de grandes deformaciones (PARAM, LGDISP,1).
  • En un elemento CBUSHD no lineal las fuerzas resultantes en el elemento son la suma de las fuerzas elásticas y las fuerzas de amortiguamiento.
  • El elemento CBUSH1D se considera lineal si sólo se meten los valores de rigidez lineal y amortiguamiento lineal, y no se activan grandes deformaciones (PARAM, LGDISP,-1).

Pulsando el botón “Nonlinear/Freq Resp” accedemos a la definición mediante tablas o ecuaciones de diseño del comportamiento no lineal del elemento CBUSH1D trabajando como Spring (muelle), Antivibration Damper (amortiguador viscoso) o dispositivos mecánicos como Shock Absorbers incluyendo un formato especial de entrada. La siguiente imagen define el comportamiento no lineal de un elemento CHUSH1D trabajando como muelle no lineal mediante un tabla de fuerza vs. desplazamiento con la pendiente negativa de compresión y la positiva de tracción.

La siguiente figura muestra la respuesta de dos muelles con amortiguamiento C=0.02 lb-sec/in empotrados en un extremo y en el opuesto sometidos a un desplazamiento prescrito variable de -5 in a +5 in: un muelle tiene rigidez lineal k=10e3 lb/in y otro rigidez no lineal definido por la curva de fuerza vs. desplazamiento con pendientes diferente a tracción y compresión de valor (-10in,-50000lb), (0,0),(+10in,+25000lb).

  • El muelle lineal (curva de color negro) se comporta de forma lineal tanto a tracción como a compresión, la pendiente es constante.
  • El muelle no lineal (curva de color rojo) presenta diferente comportamiento a tracción que a compresión.

tick Secciones “SPRING” y “DAMPER”
La sección SPRING se usa para definir un muelle elástico no lineal en términos de fuerza “f” vs. desplazamiento “u“, relación en la cual el muelle trabaja a tracción cuando “u > 0” y a compresión cuando “u < 0“, mientras que la sección DAMPER se usa para definir un elemento viscoso no lineal en términos de fuerza “f” vs. velocidad “v“, relación en la cual el elemento trabaja a tracción cuando “v > 0” y a compresión cuando “v < 0“.

Con las opciones y menús desplegables de la sección Spring se escribe la línea “SPRING” de la orden PBUSH1D, mientras que con las de Damper se escribe la línea “DAMPER” de la orden PBUSH1D.

Si se selecciona “Table” como método de definición de propiedades, en el campo TYPE de la línea “SPRING” o “DAMPER” se escribe el valor “TABLE” y el ID de la función de FEMAP se escribe en el campo IDT de la orden PBUSH11D.

Para la sección Spring si se selecciona “Equation” como método de definición de propiedades, en el campo TYPE de la línea “SPRING” se escribe el valor “EQUAT” y los IDs de las ecuaciones de diseño de FEMAP, de arriba a abajo, se escriben en los campos IDT (Tracción), IDC (Compresión), IDTDU (Derivada de la fuerza “F” con respecto al desplazamiento “u“, para tracción), IDCDU (Derivada de la fuerza “F” con respecto al desplazamiento “u“, para compresión) de la orden PBUSH1D.

Similarmente para la sección Damper si se selecciona “Equation” como método de definición de propiedades, en el campo TYPE de la línea “DAMPER” de la orden PBUSH1D se escribe el valor “EQUAT” y los IDs de las ecuaciones de diseño de FEMAP, de arriba a abajo, se escriben en los campos IDT (Tracción), IDC (Compresión), IDTDV (Derivada de la fuerza “F” con respecto a la velocidad “v“, para tracción), IDCDV (Derivada de la fuerza “F” con respecto a la velocidad “v“, para compresión).

tick Sección “GENERALIZED SPRING/DAMPER”
Esta sección se usa para definir un muelle elástico no lineal y un elemento amortiguador viscoso en términos de una fuerza “f” vs. desplazamiento “u” y velocidad “v“, relación en la cual el muelle trabaja a tracción cuando “u > 0” y a compresión cuando “u < 0“.

Para la sección Generalized Spring/Damper se escriben los IDs de las ecuaciones de diseño, de arriba a abajo, en los campos IDT, IDC, IDTDU, IDCDU, IDTDV, IDCDV (descritos anteriormente) en la línea “GENER” de la orden PBUSH1D.

tick Sección “SHOCK ABSORBER”
La sección SHOCK ABSORBER se usa para definir los coeficientes de la ecuación que relaciona fuerza vs. velocidad/desplazamiento:

…. donde la fuerza “F“, el desplazamiento “u” y la velocidad “v” van en la dirección axial del amortiguador. El eje del amortiguador está definido por los dos nodos del elemento CBUSH1D y el desplazamiento “u” y la velocidad “v” se consideran relativos respecto al “nodo 1” (GA) del elemento.

Con las opciones disponibles, menús desplegables y resto de campos de la sección Shock Absorber se escribe la línea “SHOCKA” de la orden PBUSH1D. En la ecuación anterior, el factor de escala S(u) se define usando una función FEMAP o mediante ecuaciones de diseño, mientras que el resto de variables son valores únicos.

Si se selecciona “Table” como método de definición de propiedades, en el campo TYPE de la línea “SHOCKA” se escribe el valor “TABLE” y el ID de la función de FEMAP se escribe en el campo IDTS para definir el factor de escala “S” vs. desplazamiento “u“. La función se puede crear al vuelo haciendo click en el icono fxy.

Si seleccionamos “Equation” como método de definición de propiedades, en el campo TYPE de la segunda línea “SHOCKA” se escribe el valor “EQUAT” y los IDs de las ecuaciones de diseño de FEMAP (de arriba a abajo) se escriben en los campos IDETS (factor de escala “S” vs. desplazamiento “u“, a tracción si “u>0“), IDECS (factor de escala “S” vs. desplazamiento “u“, a compresión si “u<0“), IDETSD (derivada del factor de escala “S” con respecto al desplazamiento “u“, para tracción), IDECSD (derivada del factor de escala “S” con respecto al desplazamiento “u“, para compresión) de la orden PBUSH1D.

Los campos bajo Cv permiten definir los valores de amortiguamiento viscoso a Tracción y Compresión, que se escribirán en los campos CVT y CVC, respectivamente, de la primera línea “SHOCKA” de la orden PBUSH1D.

Los campos bajo EXPV se usan para definir los valores del exponente de velocidad a Tracción y Compresión, que se escribirán en los campos EXPVT y EXPVC, respectivamente, de la primera línea “SHOCKA” de la orden PBUSH1D.

tick Unidades del Amortiguamiento Viscoso
La siguiente fórmula define las unidades del amortiguamiento viscoso llamado Damping Factor, C. Es práctica aceptada en la industria expresar el amortiguamiento viscoso como una fracción del amortiguamiento crítico. Las unidades en el sistema métrico son N-seg/m, que corresponden a las unidades de fuerza/velocidad (en el sistema americano lb-sec/in).

En FEMAP se pueden definir los siguientes tipos de amortiguamientos:

  • 6.. Structural Damping vs. Freq.“: amortiguamiento estructural, G
  • 7.. Critical Damping vs. Freq.“: fracción de amortiguamiento crítico, ζ
  • 8.. Q Damping vs. Freq.“: factor de calidad o magnificación, Q

La relación entre los valores anteriores es la siguiente:

  • ζ = b/bc (fracción del amortiguamiento crítico).
  • G = 2ζ
  • Q = 1/G

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MULTIPLES CASOS DE CARGA EN ANÁLISIS DINÁMICO EN EL DOMINIO DEL TIEMPO Y DE LA FRECUENCIA

La nueva versión de FEMAP V2021.2 permite definir casos de carga dinámicos para los siguientes tipos de análisis:

  • 3..Transient Dynamic/Time History
  • 4..Frequency/Har­monic Response
  • 12..Nonlinear Transient Response

Además, se puede crear un caso de carga estático mediante STATSUB para aplicar cargas tipo fuerza, precarga en tornillos, aceleración de la gravedad, fuerzas centrífugas, etc.. con el objetivo de calcular la matriz de rigidez diferencial en los siguientes tipos de análisis:

  • 3..Transient Dynamic/Time History
  • 4..Frequency/Harmonic Response

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PROPIEDAD DE CONTACTO CON “GAPS AS CONTACT

tick Sólo para Simcenter Nastran
En un Análisis Estático Lineal (SOL101) en modelos donde el efecto de contacto estuviera mallado únicamente con elementos CGAP nodo-a-nodo hasta ahora no teníamos la posibilidad en FEMAP de asociar (salvo editar a mano el fichero nastran) una propiedad de contacto definida con la orden “Connect > Connection Property” que nos permitiera definir, por ejemplo, el máximo nº de iteraciones de contacto = 45 (por defecto, limitado a 20 iteraciones), de forma que si Nastran no convergía en 20 iteraciones de contacto el cálculo finalizaba de forma automática sin ningún mensaje de error en pantalla (el aviso de no convergencia se escribe únicamente en el fichero *.F06).

Pues bien, a partir de ahora esto es historia: en el NASTRAN Bulk Data Options podemos asociar una propiedad de contacto al activar la opción GAPS AS CONTACT seleccionándola del menú desplegable.

Si en un análisis estático lineal (SOL101) no activas la opción “Gaps as Contact” entonces los elementos CGAP se comportarán como muelles, no como elementos de contacto.

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EXPORTAR RESULTADOS EN FORMATO “JT

FEMAP permite desde hace ya muchos años exportar la ventana gráfica de resultados en formato JT para visualizar en Teamcenter for Simulation (TC4Sim) y otras herramientas colaborativas como JT2Go.

  • Se añade la capacidad de generar sets de cargas y/o restricciones que estén visibles, activos, todos o seleccionar uno concreto con TYPE = STANDARD OUTPUT. Además, los símbolos de los elementos también se pueden incluir en el archivo JT.
  • Activando TYPE = MULTI RESULTS OUTPUT se pueden seleccionar múltiples OUTPUT VECTORS y múltiples OUPUT SETS de resultados para exportar en formato RAW (sin procesar) o como vectores y tensores activando el promediado de resultados, las opciones de transformación y el uso de CORNER DATA.

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IMPORTAR GEOMETRÍA

La siguiente tabla muestra los interfaces geométricos soportados por FEMAP V2021.2:

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ENLACES INTERESANTES

El siguiente material está disponible para descarga:

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Espero que este artículo sobre las novedades de Simcenter FEMAP V2021.2 de SIEMENS PLM os resulte útil e interesante, cualquier pregunta sobre su utilización o instalación no dudéis en consultarme, encantado de atenderos – Gracias!.

Saludos,
Blas.

• Curso Express de Simcenter FEMAP v2021.2: Presentación de Nuevas Tecnologías

Curso On-Line a través de Conferencia web

  • Fecha: 26 de Noviembre de 2021.
  • Horario: de 9:00 a 13:00 (4 horas).
  • Precio: 300€ + iva (gratuito para nuestros clientes de FEMAP y Solid Edge Simulation bajo mantenimiento activo).
Apúntate aquí

OBJETIVOS:

En este Curso Express se persiguen dos objetivos: enseñar nuevas tecnologías e informar de novedades, pero a fondo, entrando en FEMAP y explicando en detalle cada novedad con el objetivo de ayudar a ser más productivo. Estimamos que al menos unas 4 horas es el tiempo necesario para poder enseñar los avances y tecnologías que acompañan a la nueva versión de Simcenter FEMAP v2021.2 (MP2).

AGENDA:

  • Tratamiento de ficheros *.STL y Geometría Facetada: introducción al Modelado Convergente de Parasolid.
  • Nueva tecnología de Mallado heredada de STAR-CCM+: nuevas órdenes BODY MESH y MESH-on-MESH.
  • Novedades en la herramienta de mallado MESH CONTROL EXPLORER.
  • Mejoras en el MESHING TOOLBOX.
  • Avances en la integración en FEMAP del solver Simcenter Nastran V2021.1, así como el resto de solvers soportados por FEMAP.
  • Mejoras en la visualización de resultados a través de la herramienta colaborativa gratuita JT2Go.
  • Otras Mejoras y Novedades.
  • ROADMAP de Futuros Desarrollos.
  • Coloquio con Preguntas y Respuestas.

Saludos.
Blas.

• Cómo Mallar Estructuras Tubulares con FEMAP

Técnicas de Mallado Eficientes de Bastidores y Chasis Estructurales con FEMAP

ON-DEMAND WEBINAR | 28 MINUTOS |

Obtener resultados MEF de forma rápida y exacta

El uso de técnicas eficientes para mallar estructuras tubulares tales como bastidores y chasis de vehículos permite obtener resultados del Análisis por Elementos Finitos (FEM/FEA) de forma más rápida y precisa. En este seminario WEB nuestros expertos en FEMAP le enseñarán a utilizar la geometría sólida tubular proveniente de cualquier sistema CAD 3-D para crear rápidamente de forma automática y eficiente modelos a base de elementos viga 1-D, usando las herramientas disponibles en FEMAP para ayudar a automatizar el proceso de simplificación y mallado, así como las herramientas de postprocesado y visualización de los resultados del análisis.

Aspectos Fundamentales:

  • Generar automáticamente curvas 1-D y sus intersecciones a partir de geometrías tubulares 3-D sólidas.
  • Crear elementos CBUSH tipo muelle/amortiguador para modelar el comportamiento de amortiguadores y resortes.
  • Mergear nodos coincidentes para crear mallas que cumplan con la condición de continuidad de desplazamientos.
  • Aplicar cargas y condiciones de contorno en modelos mallados con elementos viga 1-D.
  • Utilizar métodos de posprocesado diseñados específicamente para ayudar en la revisión de resultados en elementos viga 1-D.

 Enlaces Interesantes:

Saludos,
Blas.

• Lanzamiento Virtual de Simcenter FEMAP V2021.2 en YouTube

Fecha: 8 de Junio de 2021
Hora: 15:00 – 15:45 (hora local)
Unirse aquí: https://www.youtube.com/watch?v=bcbwoTj1vik

La nueva versión de Simcenter FEMAP V2021.2 ya está aquí. Únete a nosotros el 8 de Junio de 2021 a las 15 horas (hora local en España) donde presentaremos las nuevas funciones y mejoras del próximo lanzamiento de nuestra herramienta de simulación FEM/FEA de alto rendimiento.
El software Simcenter Femap está reconocido en el mundo de la ingeniería avanzada como la herramientas líder de pre/posprocesado y análisis por Elementos Finitos para Windows nativo capaz de funcionar con cualquier sistema CAD del mercado.

La nueva versión de Simcenter FEMAP 2021.2 tiene como objetivo agilizar y mejorar el proceso de mallado y análisis por elementos finitos (FEM/FEA) para que nuestros clientes puedan maximizar la eficiencia FEM/FEA. Las mejoras de esta versión se centran en las siguientes áreas clave:

• Propagación del tamaño de la malla.
• Body Mesher / Mesh on Mesh.
• Soporte de MSC Nastran SOL400.
• Análisis dinámico con múltiples casos de carga.
• Visualización JT mejorada.

Sea uno de los primeros en experimentar las últimas funciones de Simcenter Femap en este lanzamiento virtual de YouTube Premiere donde podrá hacer preguntas a través del chat en vivo. Únase para descubrir por Ud mismo cómo Simcenter Femap puede ayudarle a maximizar su eficiencia FEM/FEA.

Saludos,
Blas.

• Random Vibration con FEMAP

Análisis Dinámico de Vibraciones Aleatorias (Random) con Simcenter FEMAP y Simcenter Nastran

Hay casos donde la excitación dinámica de una estructura no se puede definir de forma precisa: por ejemplo, un avión en vuelo atravesando una turbulencia de aire soportará cargas dinámicas, pero debido a la naturaleza de la turbulencia esas cargas serán diferentes si un segundo avión de idénticas características atraviesa la misma turbulencia en otro instante de tiempo. A pesar de que la variación frente al tiempo de ambas cargas no es idéntica, sin embargo tienen las mismas características y se puede obtener una estimación de la respuesta dinámica en ambos aviones.

El Análisis de Respuesta Aleatoria (Random Frequency Response Dynamic Analysis) es un tipo de análisis dinámico que sólo se puede describir en sentido estadístico, no determinista y tiene las siguientes características:

  • Es estacionariosignifica que la media estadística del proceso no cambian con el tiempo, es decir, la relación entre X(t1) y X(t2) dependen sólo de t1-t2, no del valor de t1 y t2.
  • Es ergódico: significa que la media en el tiempo total es estadísticamente equivalente a la media de los sucesos encadenados, es decir, un conjunto de sucesos ensamblados en el tiempo tendrán el mismo efecto estadístico que un único suceso partido en trozos.
  • En resumen: la magnitud instantánea de la vibración no se conoce en un instante dado, pero se puede expresar en términos de sus propiedades estadísticas tales como su valor medio, la desviación standard, y la probabilidad de exceder un cierto valor.

En el mundo real las vibraciones aleatorias se producen por todas partes: terremotos, tsunamis, fluctuaciones de la presión del viento (turbulencias) en aviones y edificaciones de altura elevada, excitación acústica debido al ruido en cohetes y motores a reacción, vibración en coches, aviones, etc…

  • En Simcenter Nastran el Análisis RANDOM es un postprocesado del Análisis Dinámico de Respuesta en Frecuencia (SOL111).
  • Mientras que un análisis harmónico de barrido en frecuencia (SOL111) excita las frecuencias una a una, un análisis de vibraciones aleatorias excita todas las frecuencias de golpe (es como pulsar todas las teclas de un piano a la vez), por tanto la respuesta en un análisis RANDOM será peor a nivel estructural que la obtenida mediante un análisis de barrido en frecuencia (sine frequency swept).
  • Uno de lo principales objetivos del análisis RANDOM en la industria es buscar los límites del diseño, el fallo del equipo o componente a ensayar. Por ejemplo, a un fabricante le gustaría saber si un producto falla a diferentes niveles de vibración del entorno, lo que le permitiría conocer las debilidades del producto y la forma de mejorarlo.
  • Un análisis RANDOM es mucho más realista que un análisis de barrido en frecuencia (SOL111) porque el análisis RANDOM “simultáneamente excita todas las frecuencias de resonancia” de la estructura. En un SOL111 se puede encontrar una frecuencias de resonancia en una parte de la estructura y resonar a otra frecuencia en otra parte del equipo. Encontrar frecuencias de resonancia separadas en diferente momento puede no causar el fallo, pero cuando todas las frecuencias de resonancia se excitan al mismo tiempo, es la situación más severa.

La intensidad de la excitación RANDOM se define en el dominio de la frecuencia mediante una función denominada Densidad Espectral de Potencia (Power Spectral Density, PSD) que se crea sometiendo a la estructura a una vibración de ruido blanco, midiendo la amplitud de la respuesta RMS en todo el rango de la frecuencia, elevando al cuadrado la respuesta, y dividiendo por el rango de la frecuencia, resultando en unidades G2/Hz, donde G = a/g = aceleración/gravedad, por tanto G no tiene unidades. Un PSD con una aceleración de 10G significa que la aceleración tiene una magnitud que es 10 veces mayor que la aceleración de la gravedad. Realmente la función se define como una Densidad Espectral de Aceleración (Acceleration Spectral Density, ASD) pero se sigue denominando PSD, aunque el término ASD sería el más apropiado cuando se usa la aceleración para definir la excitación.

La siguiente imagen muestra una excitación típica PSD para un Análisis Random Vibration (aclarar que esta gráfica PSD no será la excitación PSD que utilizaremos en el ejemplo propuesto):

   

Un sistema sujeto a vibraciones aleatorias no tiene una única tensión resultante. Afortunadamente para nosotros, los resultados de tensión siguen una distribución en forma de campana de Gauss.

La distribución mediante campana de Gauss permite presentar las tensiones en formato estadístico. La tensión RMS que vemos en Simcenter FEMAP tras un análisis RANDOM corresponde a la tensión .

  • La tensión  representa la tensión que sufre la estructura el 68.3% del tiempo.
  • La tensión 2σ = 2 * 1σ se produce el 95.4 – 68.3 = 27.1% del tiempo.
  • La tensión 3σ = 3 * 1σ se da en el 99.7 – 95.4 = 4.3% del tiempo.
  • La tensión = 4 * 1σ sólo pasará el 100 – 99.7 = 0.3% del tiempo.
  • La mayor parte de las veces un equipo o componente estructural se diseña para que sea capaz de soportar un nivel de tensión todo el tiempo.

Ejemplo: HINGE

Vamos a utilizar el ejemplo de FEMAP que viene en la lista de problemas en HELP > EXAMPLES para aprender a realizar un Análisis Random de vibraciones aleatorias excitada en la dirección del eje Z por una densidad espectral de aceleración (ASD) en unidades G^2/Hz, usando un amortiguamiento crítico del 10% constante en el rango de frecuencia.

PSD-excitation-units-G2-Hz

El modelo está en unidades americanas (psi, in, snails), así que lo hemos convertido al sistema internacional (MPa, mm, Tons) usando la orden TOOLS > CONVERT UNITS, aprovechando para redondear las dimensiones a valores enteros, sin decimales. Se trata de estudiar la respuesta dinámica a un análisis RANDOM de una pieza de acero de espesor 6 mm de material S335JR.

Particionando la geometría en regiones regulares se llega a conseguir una calidad de la malla elevada con la menor distorsión posible de la misma garantizando así tener cero triángulos, y todos los elementos utilizados son elementos Shell 2-D CQUAD4, logrando un JACOBIAN CHECK = 0.534, bien por debajo de 0.6.
        Haz <clic> en las imágenes para verlas al completo en su tamaño real

Modos de Vibración (SOL103)

Mediante un Análisis Modal con Simcenter Nastran (SOL103) calculamos la frecuencia fundamental de resonancia de valor 78.6 Hz vibrando a flexión en la dirección del eje Z, con una suma de la masa modal del 54.5% para el primer modo de vibración. Extrayendo los 35 primeros modos de vibración se captura una suma de masa modal por encima del 85% en las tres direcciones X, Y & Z, asegurando así que los resultados de respuesta dinámica en el dominio de la frecuencia sean razonablemente exactos.

Cálculo Estático Lineal (SOL101)

La pieza HINGE se somete a una aceleración de 1G en la dirección del eje Z y se dese conocer la deformada y tensiones bajo el efecto del peso propio: la máxima tensión está por debajo de los 5 MPa, muy por debajo del límite elástico del material S355JR. El desplazamiento máximo resultante tiene un valor de 0.07 mm.
La razón de incluir un análisis estático lineal de AZ=1G es para comparar resultados con los análisis dinámicos aplicando una excitación de AZ=1G mediante una excitación senoidal y RANDOM, ya veréis qué diferencia!!.

Respuesta en Frecuencias (SOL111)

Vamos a ejecutar el análisis dinámico de barrido en frecuencia (SOL111) aplicando una aceleración AZ=1G constante en el rango de frecuencia.

Definiremos una Tabla de Frecuencias incluyendo los puntos exactos de las frecuencias de resonancia en el rango de frecuencia entre 5 y 700 Hz, usando un incremento de frecuencia de 5 Hz en general y de 2.5 Hz localmente alrededor de las frecuencias de resonancia obtenidas inicialmente mediante el análisis de vibraciones (SOL103).

Aplicaremos un amortiguamiento crítico del 10% constante en el rango de frecuencia para obtener los resultados de máxima respuesta en desplazamiento, aceleración y tensión de la pieza y tener así una referencia para comparar con los resultados que obtendremos más adelante con el análisis de vibraciones aleatorias (RANDOM Vibration):

  • El máximo desplazamiento tiene un valor TZ=0.33 mm, y es coincidente con la frecuencia fundamental de resonancia a 78.6 Hz.
  • La máxima aceleración AZ= 81335 mm/s2, coincidente con la frecuencia de resonancia a 78.6 Hz, por tanto la amplificación dinámica DAF = 81335/10e3 = 8.1 veces mayor.
  • La máxima tensión de vonMises = 20 MPa, también coincidente con la frecuencia de resonancia de la pieza, 5x veces mayor que la obtenida mediante un análisis estático lineal (SOL101).

RANDOM VIBRATION

Usando el método modal vamos a determinar la respuesta RANDOM de la pieza HINGE excitada en la dirección del eje Z por una densidad espectral de aceleración (ASD) en unidades G^2/Hz, usando un amortiguamiento crítico del 10% constante en el rango de frecuencia.

icon-idea-brillanteOjo!, al definir un PSD en unidades G^2/Hz provoca que todos los resultados sean en G, incluidas las tensiones. Para que en un Análisis Random las unidades de salida de resultados de respuesta dinámica en tensión sean en MPa, los desplazamientos en mm y la aceleración en mm/s^2 tenemos dos opciones:

  • OPCIÓN#1: Modificar la Carga de Aceleración: La función PSD la dejamos en unidades G^2/Hz, pero la carga de aceleración aplicada en el nodo de la base la metemos como 1g = 10e3 mm/s^2, de esta forma todos los resultados del análisis random serán en mm, MPa y mm/s^2.
  • OPCIÓN#2: Modificar la función PSD: escalar la función PSD definida originalmente en G^2/Hz para que quede definida en unidades consistentes, en vez de G. Multiplicamos los valores de la función en el eje Y por la aceleración de la gravedad al cuadrado (10e3)^2 = 1e8, convirtiendo la función PSD en unidades (mm/s^2)^2/Hz, y todos los resultados del análisis random serán en unidades mm, MPa y mm/s^2. Claro está, la carga de aceleración que apliquemos al nodo de la base en la dirección de la excitación deberá tener un valor unitario de 1.0 mm/s^2.

Escalar la carga o escalar la función PSD produce los mismos resultados de salida, pero en general escalar la función PSD es lo más habitual.

PSD-excitation-units-G2-Hz

Vamos a seguir la OPCIÓN#2 escalando la función PSD a unidades (mm/s^2)^2/Hz, así tendremos la función ya preparada para poder compararla directamente con la salida en aceleración en el nodo de la base (superponiendo la gráfica de la excitación de aceleración en la entrada con la respuesta de aceleración en la salida, de forma directa):

La Tabla de Frecuencias es la misma que se ha utilizado para correr el análisis de Respuesta en Frecuencias (SOL111), incluyendo los puntos exactos de las frecuencias de resonancia en el rango de frecuencia entre 5 y 700 Hz, usando un incremento de frecuencia de 5 Hz en general y de 2.5 Hz localmente alrededor de las frecuencias de resonancia obtenidas inicialmente mediante el análisis de vibraciones (SOL103).

Vamos a ajustarla para que empiece a los 20 Hz, coincidiendo con el rango de frecuencia de la excitación Random PSD.

modal-freq-table-range-20-700Hz

Asimismo definimos la función del amortiguamiento crítico del 10% constante en el rango de frecuencia:

En el nodo de la base (el nodo independiente del RBE2 que está empotrado) se aplica la aceleración unitaria de valor AZ = 1 mm/s2. Nótese que las unidades de la función de Densidad Espectral de Potencia (ASD) son (mm/s^2)^2/Hz, por tanto metiendo la carga de aceleración en valor unitario nos permitirá obtener la respuesta de desplazamientos en mm, la aceleración en mm/s2 y las tensiones en MPa (alternativamente se puede dejar la función ASD en unidades G^2/Hz y aplicar una carga de aceleración de la base en la dirección de la excitación de valor 1g=10e3 mm/s^2, el resultado final es el mismo, da igual modificar la función que modificar la carga).

La carga de aceleración está asociada a una función de amplitud unitaria, constante en el rango de frecuencia (da lo mismo definir el rango de frecuencia entre 0 ~ 100 Hz que entre 0 ~ 1000 Hz, el solver Simcenter Nastran extiende la pendiente de la función según sea necesario):

Aquí está el detalle de la carga aplicada en el SPIDER RBE2 de la base: la aceleración de 1G se aplica en un nodo empotrado!!. No pasa nada, Simcenter Nastran sabe cómo tratar correctamente este dato, OK?.

detail-random-excitation-unitary-load

Parámetros del Análisis Random

Seleccionamos el solver Simcenter Nastran y el tipo de análisis RANDOM RESPONSE:

Pulsamos NEXT hasta llegar a la sección NASTRAN Modal Analysis donde seleccionamos el Método Modal (Ojo!!, un detalle muy importante: por defecto está activo el método directo que es el que usaríamos para definir un análisis SOL108, en vez del método modal que es el que usamos habitualmente para definir un SOL111) y el número de modos que vamos a utilizar para el cálculo RANDOM: para garantizar una buena precisión de los resultados se recomienda seleccionar tantos modos como sean necesarios para obtener una suma de masa modal del 85% en la dirección de la excitación; esta tarea la realizamos antes, cuando preparamos el análisis modal (SOL103).

Pulsamos NEXT para llegar a la sección NASTRAN Dynamic Analysis donde seleccionamos la función de Amortiguamiento Modal y la Tabla de Frecuencias creada anteriormente:

Pulsamos NEXT hasta llegar a la siguiente pantalla: mi recomendación es responder NONE a la petición de generar OUTPUT SETS con resultados nodales y elementales para cada punto de frecuencia incluido en la Tabla de Frecuencias, a mí lo que me interesa es únicamente los Output Sets RMS VALUES y POSITIVE CROSSING, nada más.

Si seleccionas ALL entonces Simcenter Nastran escribirá en el fichero binario de resultados *.op2 un OUTPUT SET por cada punto de frecuencia incluido en la Tabla de Frecuencias con los valores CMRS (Cumulative Root Mean Square) y las funciones PSDF (Power Spectral Density Functions), así como un Output Set de resumen llamado RMS VALUES con desplazamientos, aceleración y tensiones en valores RMS, y el Output Set POSITIVE CROSSING con el valor de la frecuencia aparente (o dominante) de las respuestas anteriores en Hz (o ciclos/segundo) que usaremos para calcular la vida a fatiga del componente.

Pulsamos NEXT y veremos una pantalla donde podemos seleccionar los resultados en nodos y elementos para que Simcenter Nastran genere funciones vs frecuencia que se cargarán automáticamente en FEMAP tras ejecutar el análisis RANDOM.

  • Si seleccionamos alguna casilla para generar automáticamente la función de respuesta en nodos o elementos entonces es obligatorio tener creado previamente el grupo de nodos y elementos en los cuales quieras generar funciones de respuesta vs. frecuencia, de lo contrario tendrás que cancelar la orden.
  • Si no seleccionas nada, entonces FEMAP no te pedirá ningún grupo.
  • En mi caso he activado varias casillas para que se generen respuestas nodales en desplazamiento y aceleración en la dirección del eje Z, así como tensiones elementales SigmaX, SigmaY & TauXY
  • Y he creado un grupo incluyendo el nodo#1 donde se aplica la excitación de la base y el nodo#262 situado en la posición más alejada de la pieza donde el desplazamiento y aceleración serán máximos, así como el elemento#4 donde se esperan las máximas tensiones.

Pulsamos NEXT y por fin llegamos a la ventana más importante de un análisis Random: aquí es donde seleccionamos la función PSD correcta en unidades (mm/s^2)^2/Hz, el factor de correlación (por defecto 1.0) y el método de interpolación (logarítmico por defecto). En este ejemplo tenemos un único PSD, pero puede darse el caso de tener múltiples PSD independientes excitando diferentes posiciones, por ejemplo, las cuatro ruedas de un camión pueden estar excitadas por diferentes PSD por la rugosidad de la carretera; para poder activarlos hay que definir diferentes SUBCASES y crear diferentes tablas de correlación.

Pulsamos NEXT y definimos el set de restricciones y el set de cargas:

Y pulsando NEXT finalmente llegamos a la definición del NASTRAN Output Request donde seleccionamos los resultados que queremos obtener tras ejecutar el análisis Random: en este caso desplazamiento, aceleración y tensiones.

Si hacemos un PREVIEW ANALYSIS podremos ver el fichero de entrada de Simcenter Nastran con la definición de los parámetros del análisis Random:

Resultados del Análisis Random

Tras ejecutar el Análisis Random y cargar automáticamente los resultados en FEMAP nos pregunta si queremos leer las funciones PSD y los resultados de tensiones con el CORNER DATA además del centro del elemento. Respondemos a todo con YES:

Y en FEMAP se crean las siguientes carpetas de resultados con tres Output Sets:

  • X-Y Plot Summary: un resumen de todos los resultados (output vectors).
  • Positive Crossing: es la frecuencia aparente (o dominante) de todos los output vectors, en Hz (es decir, ciclos/segundo). Este valor lo usaremos para calcular “a mano” la vida a fatiga del componente usando la Regla de Palmgren-Miner de daño acumulado.
  • RMS Values: valores RMS de todos los output vectors.

Resultados RMS

Podemos comprobar que las tensiones RMS de un análisis Random son significativamente mayores que las obtenidas a partir de un análisis harmónico senoidal de barrido en frecuencias (SOL111): pasamos de una tensión de 20 MPa del análisis de barrido en frecuencia a cerca de 100 MPa de un análisis Random, casi 5x veces mayor!!.

La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones elementales de vonMises representadas en el “Element Centroid” (es decir, en el centro del elemento) que como podéis comprobar son en general siempre menores que las tensiones nodales.

RMS-VONMISES-STRESS-ELEMENTAL-element-4

Podemos representar en el CHARTING de FEMAP las funciones generadas automáticamente durante el Análisis Random de las componentes de tensión RMS elementales SigmaX, SigmaY, SigmaXY (lastima que la opción no incluya las tensiones elementales de vonMises):

Una recomendación muy importante que siempre se debe seguir cuando se realiza un Análisis RANDOM es verificar que la excitación de entrada de aceleración ASD y la respuesta de salida en el nodo de la base están en equilibrio, es como verificar en un análisis estático lineal (SOL101) que el equilibrio entre fuerzas y reacciones está satisfecho, de lo contrario los resultados son todo menos correctos. Pues bien, como la función de entrada PSD ya la hemos escalado en unidades (mm/s^2)^2/Hz coherentes con las unidades de aceleración de la salida, directamente hacemos la comparativa entre el PSD de entrada y la respuesta de salida ACCELZ en el nodo#1 de la base: parece que en algunos tramos las curvas no son totalmente coincidentes, ¿Cuál podrá ser la razón?.

Pues es un problema provocado por el formato lineal de los resultados: si representamos los ejes X e Y en formato logarítmico veremos una exactitud total entre el ASD de entrada y la aceleración de salida en el nodo#1 de la base, mayor precisión imposible!!:

También es interesante representar la respuesta dinámica en aceleración en el nodo#262 que es el nodo más solicitado de la pieza junto con la excitación ASD de entrada aplicada en el nodo#1 de la base, todo en la misma gráfica X-Y, directamente ya en formato logarítmico: la amplificación dinámica es del orden de 66.1 veces!!.

Positive Crossings

Esto es un análisis de vibraciones, así que la vida a fatiga del componente nos interesa mucho: vamos a utilizar el resultado POSITIVE CROSINGS que es un valor en Hz (ciclos/segundo) que nos permitirá calcular la suma de daño a fatiga basándonos en la duración de la excitación.

La siguiente imagen muestra el resultado POSITIVE CROSSINGS = 82 Hz (valor cercano a la frecuencia fundamental de resonancia de la pieza) que se produce en el elemento más solicitado con una tensión máxima de vonMises de unos 100 MPa. Pues bien, esto significa que bajo el PSD de excitación de ruido blanco la pieza sufre una tensión alterna de unos 100 MPa a una frecuencia de 82 Hz.

  • Estadísticamente hablando, esta tensión de 100 MPa representa el valor que sufrirá el 68.3% del tiempo.
  • Un valor = 2*100 = 200 MPa lo sufrirá el 95.4 – 68.3 = 27.1% del tiempo.
  • Un valor = 3*100 = 300 MPa lo sufrirá el 99.7 – 95.4 = 4.3% del tiempo.
  • Esto representa un total del 99.7% de las tensiones que sufrirá la pieza HINGE.
  • Es probable que la pieza HINGE vea tensiones y superiores, pero esto sólo pasará el 100 – 99.7 = 0.3% del tiempo, por tanto podemos ignorarlo perfectamente.

Cálculo a Fatiga

Utilizaremos la Suma de Daño Acumulado de Palmgren-Miner para calcular cuántos ciclos de vida resistirá el componente HINGE bajo este nivel de tensiones , y  hasta que la pieza falle.

La Regla de Miner de daño acumulativo viene dada por la siguiente ecuación:

  • En primer lugar generamos en el software de Análisis de Fatiga winLIFE una curva S-N para un material S335JR usando parámetros razonables de forma de trabajo, tamaño, acabado superficial, etc..  modificativos del límite de fatiga de la probeta rotatoria, obteniendo la siguiente curva S-N de la pieza con una límite de fatiga σe=150 MPa.
  • Con los valores de tensión alterna de 100, 200 y 300 MPa entramos en la curva S-N y obtenemos el nº de ciclos para el fallo:
    • Para una tensión alterna 1σ=100 MPa que experimenta el 68.3% del tiempo la pieza tiene vida infinita, la tensión está bien por debajo del límite de fatiga de la pieza.
    • Para una tensión alterna 2σ=200 MPa que experimenta el 27.1% del tiempo el nº de ciclos para el fallo es de 2.35e5 ciclos.
    • Para una tensión alterna 3σ=300 MPa que experimenta el 4.3% del tiempo el nº de ciclos para el fallo es de 3.1e4 ciclos.

Los resultados anteriores se substituyen en la Ecuación de Miner para calcular cuántos ciclos puede soportar la pieza HINGE hasta alcanzar el fallo por fatiga del material cuando la suma de daño es igual a DAMAGE SUM = 1.0:

Despejando n en la ecuación anterior obtenemos una Vida a Fatiga n = 3.92E5 ciclos.

Si la parte más solicitada de la pieza vibra a una frecuencia Positive Crossings = 82 Hz = 82 ciclos/s, entonces la pieza fallará en un tiempo t = 3.92e5/82 = 4780 segundos = 1.33 horas para el fallo.

Conclusión

Mientras la pieza HINGE no se exponga a una vibración por ruido blanco mayor de 1.33 horas, la pieza no se romperá.

–oo§oo–

 Enlaces de Descarga Interesantes

Espero que este artículo sobre el Análisis RANDOM con Simcenter FEMAP y NASTRAN os resulte útil e interesante, como veis es un tema apasionante pero a la vez muy complejo, recomiendo leer con atención los manuales de Simcenter Nastran Básico y Avanzado, es la biblia y allí están las respuestas a casi todas las preguntas que podamos tener; y el material de PREDICTIVE ENGINEERING (USA) es fundamental, pone en práctica el análisis dinámico haciendo fácil lo difícil!!; y la referencia a la web de la NASA muy interesante, no dejéis de visitarla!!.
En fin, cualquier pregunta que tengáis no dudéis en consultarme, si conozco la respuesta encantado de ayudaros – Gracias!.

Saludos,
Blas.

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