19.- OPTIMIZACION TOPOLOGICA con FEMAP y NX NASTRAN

Hola!,
FEMAP V10.2 permite realizar Optimización Topológica No-Paramétrica a partir de un Análisis Estático Lineal (SOL101) o de un Análisis de Frecuencias (SOL103) utilizando conjuntamente el solver de elementos finitos NX NASTRAN V7.1 y el programa de optimización topológica TOSCA Structure de FE Design GmbH (Alemania), software incluido en el CD de instalación de la última versión de FEMAP V10.2. El funcionamiento es muy simple y sencillo ya que no requiere ninguna parametrización geométrica del modelo de elementos finitos, simplemente con tener la malla, cargas y condiciones de contorno podemos lanzar el proceso de optimización topológica y dejar que el programa nos sugiera ahorros de material del 30% !!

En general, la Optimización Topológica permite obtener la distribución óptima de material en un espacio dado para crear un diseño óptimo, en base a las cargas y condiciones de contorno impuestas al diseño. Típicamente, este tipo de optimización elimina material del modelo original creando agujeros, recortes o hendiduras, y/o cambiando radicalmente la forma general de la pieza.

El módulo de Optimización Topológica soporta los siguientes tipos de elementos lineales y parabólicos, así como elementos rígidos y contactos:

  • CHEXA, CTETRA, CPENTA.
  • CQUAD, CQUAD4, CQUAD8, CQUADR, CSHEAR, CQUADX.
  • CTRIA3, CTRIA6, CTRIAR, CTRIAX, CTRAX6.
  • CBAR, CBEAM, CBEND, CBUSH, CGAP, CONM1, CMASS1.

Las Variables de Diseño que se pueden optimizar son:

  • Peso (masa).
  • Frecuencias naturales de vibración.
  • Rigidez.

Los Objetivos de Optimización son los siguientes:

  • Maximizar Rigidez y reducir Volumen.
  • Maximizar Frecuencias y reducir Volumen.
  • Minimizar Volumen y satisfacer las Restricciones de Desplazamiento.

DEFINICION DE LA OPTIMIZACION

El módulo de Optimización Topológica usa los resultados de NX NASTRAN para controlar de forma iterativa el proceso de distribución de material. Tras realizar un análisis inicial el algoritmo de optimización analiza los resultados de todos los casos de carga y determina qué elementos deben tener sus propiedades “debilitadas” para simular discontinuidades estructurales y a la vez satisfacer los objetivos y restricciones de diseño impuestas. El programa continúa iterando utilizando el solver NX NASTRAN testeando cambios del modelo en todas las direcciones hasta conseguir la convergencia de la solución o alcanzar el máximo de 50 iteraciones.

RESTRICCIONES DE FABRICACION

También permite prescribir Restricciones de Fabricación, tales como Simetría, o definir espesores de pared máximos o mínimos, así como aplicar restricciones de desmoldeo. También se pueden designar áreas del modelo para que permanezcan sin cambios, y hacer que los elementos que tengan aplicadas cargas y restricciones se mantengan sin cambios (opción “auto-freeze“).

La siguiente figura muestra los resultados de optimización topológica tras imponer distintas condiciones de fabricación por simetría:

Restricciones de Fabricación de Simetría:     1.- Placa sin simetría.     2.- Placa con simetría cíclica.   3.- Placa con simetría respecto al plano medio

POSTPROCESADO DE RESULTADOS

Los resultados generados por el módulo de Optimización Topológica incluyen la forma optimizada del modelo así como varios vectores de datos. La”forma óptima” de la geometría de la pieza se guarda en formato STL, el cual se importa en FEMAP en un nuevo grupo como una malla 2-D a base de elementos triangulares del tipo “plot-only” y se visualiza superpuesta sobre el modelo original.

Los resultados que se importan en FEMAP tras ejecutar el módulo de optimización topológica son los siguientes:

  • E_CTRL: envolvente de máxima tensión vonMises por elemento.
  • MASS_PROP: densidad modificada (actual)
  • MASS_PROP_NORMALIZED: densidad modificada (normalizado)

El siguiente vídeo muestra el proceso completo de Optimización Topológica a realizar en FEMAP V10.2 & NX Nastran V7.1:

Saludos,
Blas.

FEMAP Tips & Tricks: Extender Superficies para Conectar Mallas

Hola!,
Aquí tenéis otro interesante uso del Meshing Toolbox de FEMAP V10.2:

En el siguiente vídeo podréis ver más en detalle las enormes posibilidades de la orden GEOMETRY EDITING del Meshing Toolbox de FEMAP v10.2:

Saludos,
Blas.

Contacto Rígido Curva-a-Superficie (GLUE Edge-to-Surface Contact), por Jim Bernard (SIEMENS PLM)

Hola!,
Las uniones rígidas tipo GLUECurva-a-Superficie” son un método simple y efectivo de unir mallas no coincidentes durante la fase del análisis (es decir, a nivel de solver) al realizar el cálculo con NX Nastran V7.1, es una capacidad específica del solver NX NASTRAN V7.1 que FEMAP V10.2 explota perfectamente y ofrece grandes beneficios para el usuario de cara a crear modelos de elementos finitos de forma rápida y eficiente.

Las capacidades de la unión rígida tipo GLUE “curva-a-superficie” son las siguientes:

  • Transferencia correcta de cargas y desplazamientos: permite obtener unos resultados exactos de tensiones y deformaciones en el interface entre elementos Shell-Shell o Shell-Solid. Los nodos en la unión no tienen que ser coincidentes.
  • En las uniones rígidas tipo GLUECurva-a-Superficie” el solver NX Nastran 7.1 crea internamente conexiones tipo soldadura para prevenir el movimiento relativo en todas las direcciones.
  • Soporta todas los tipos de análisis del solver NX NASTRAN 7.1, salvo SOL144-146, 153, 159, SOL601 y SOL701.
  • Trabaja con todo tipo de elementos Shell y Sólidos:
    • El contacto rígido “Curva-a-Superficie” se puede utilizar tanto con mallas “Shell-con-Shell” como “Shell-con-Sólido”.
    • El contacto rígido “Superficie-a-Superficie” tiene las mismas prestaciones, se puede utilizar tanto con mallas “Shell-con-Shell” como “Shell-con-Sólido”.
  • No aumenta el nº de grados de libertad del modelo (DOF) ni el tiempo de cálculo.
  • No requiere una especial manipulación ni de la malla ni de la geometría: las caras y aristas a unir no necesitan ser coincidentes, la malla tampoco, por tanto ofrece una libertad de mallado total para generar mallas con la mínima distorsión y elementos de la máxima calidad ya que no es necesario calcular intersecciones entre superficies medias, lo cual ahorra mucho tiempo de preparación de la geometría para el mallado (generar superficies medias, extender hasta la intersección, recortar, etc..).

Ejemplo: Unión en “T”

El siguiente ejemplo demuestra la eficacia y total precisión de la unión tipo GLUE “curva-a-superficie” mediante el análisis estático lineal de dos chapas en forma de “T” malladas tanto con elementos 2-D Shell como 3-D Sólidos comparando el método GLUE de NX Nastran V7.1 con los métodos clásicos de unión de mallas tales como “mergear” nodos directamente o usar elementos rígidos RBE.

Conclusiones:

  • La rigidez de la unión tipo GLUE “Curva-a-Superficie” es perfecta con elementos Shell FINOS y GRUESOS:
    • Los resultados de Desplazamientos son comparables al modelo mallado por completo con elementos sólidos 3-D CHEXA.
    • No es sensible a la distancia de la mitad del espesor (½ t1) entre la placa y el refuerzo.
  • La unión tipo GLUE “curva-a-superficie” constituye un método muy efectivo para ahorrar tiempo de pre-procesado en la creación de modelos de estructuras de chapa soldadas mediante superficies medias.
    • Las superficies medias no se tienen que extender hasta su intersección, ni ser recortadas, por tanto el proceso de mallado se simplifica mucho y es más rápido.
  • La unión tipo GLUE “curva-a-superficie” es el método de conexión preferido especialmente para unir elementos Shell GRUESOS: este detalle es muy importante, se demuestra que el método de unión tipo GLUE entre elementos Shell GRUESOS es mucho más exacto que el método clásico de unión directa “mergeando” nodos entre mallas coincidentes, en la unión tipo GLUE la fuerza de unión está distribuida sobre un área de superficie más realista, en cambio en la unión directa Shell/Shell la unión es mucho más flexible que en la realidad, el modelo Shell requiere una rigidez adicional cuanto mayor sea la superficie de solapamiento del material (es decir, cuanto mayor sea el espesor del refuerzo).
  • En resumen, la unión GLUE “curva-a-superficie” tiene una rigidez comparable al modelo sólido más exacto mallado con elementos 3-D CHEXA.
  • Además la tecnología es computacionalmente muy eficiente: se han analizado modelos con millones de elementos de conexión.
  • Existen planes para extender la tecnología a otras disciplinas.
  • La nueva versión de NX NASTRAN V8.0 incluye como novedad “glue surface tractions for solid and shell elements” disponible en análisis estático lineal SOL101, Análisis de frecuencias SOL103 y Pandeo lineal (SOL105).

El siguiente vídeo enseña cómo usar esta potente capacidad de contacto GLUE “curva-a-superficie” en FEMAP V10.2:

Saludos,
Blas.