25.- ANÁLISIS DE FRECUENCIAS (SOL103) DE UN ENSAMBLAJE CON CONTACTOS “SURFACE-TO-SURFACE”

Hola!,
Más de una vez los usuarios de FEMAP y NX NASTRAN me han hecho la siguiente pregunta: ¿Cómo realizar un análisis dinámico de frecuencias (SOL103) de un ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” entre piezas permitiendo que los componentes se desplacen entre sí pero que no penetren unos con otros?. Con NX NASTRAN no hay problema: el solver permite realizar lo que se conoce como un “pre-stiffness modal analysis” a través del comando STATSUB calculando la matriz de rigidez diferencial que incluye la matriz de contacto (función ya disponible en NX Nastran V5.0 desde Abril 2007, ver http://www.iberisa.com/productos/nxnastran/nx_nastran_v5.htm).

MODOS NORMALES

Las siguientes imágenes corresponden a los primeros modos de vibración del ensamblaje sin considerar ningún tipo de contacto, se aprecia la existencia de penetración libre entre componentes.

Mode#1 = 1190.027 Hz

Mode#3 = 1456.516 Hz

MODOS CON CONTACTO

En las siguientes imágenes se muestran animados los modos de vibración #1 y #3 del ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” sin penetración. Además de evidenciarse una forma del modo diferente, el valor numérico de la frecuencia (Hz) de los modos con contacto es notablemente superior (f1=1728 Hz con contacto vs. f1=1190 Hz sin contacto), por tanto a igualdad de masa se demuestra que la rigidez es superior en el modelo considerando el contacto “superficie-a-superficie“.

Mode#1 = 1728.475 Hz

Mode#3 = 2377.522 Hz

El procedimiento aquí explicado abre la puerta a realizar cálculos de frecuencias (SOL103) considerando no sólo contacto “superficie-a-superficie”, sino también ver el efecto de las cargas de tracción o compresión en el comportamiento modal de la estructura, capturando el efecto de rigidización por tensión (stiffening effect) o debilitamiento por cargas de compresión (softening effect).

En el siguiente vídeo explico la forma de hacerlo en FEMAP V10.3, espero que os sirva!!.

Descargar vídeo (242 MB, 27 min.): http://www.megaupload.com/?d=78PM37CT

Saludos,
Blas.

16 thoughts on “25.- ANÁLISIS DE FRECUENCIAS (SOL103) DE UN ENSAMBLAJE CON CONTACTOS “SURFACE-TO-SURFACE”

  1. Muy Buen Tutorial, es de gran ayuda para los usuarios de FEMAP, gracias Blas por los Trucos de contactos, spiders, y parametros de Nastran en el calculo.
    Una Ayuda Valiosa!!!

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  2. Hola muy buena explicacion y sobre todo muy interesante esta metodologia. Quisiera saber si es posible que envies el archivo .DAT a mi mail, me gustaria hacer una prueba ya que no cuento con NX NASTRAN pero si con MSC. Saludos y Gracias

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    • Estimado Jorge,
      Desconozco si la actual versión de MSC-Nastran 2015 es capaz de soportar contactos “surface-to-surface” en Análisis Estático Lineal (SOL101) y utilizar la matriz de contacto en un análisis de valores propios (SOL103) para calcular las frecuencias de vibración de la estructura, por lo menos hasta hace un par de años no era posible, había que utilizar la solución 400.

      Aclarar que con NX NASTRAN en un análisis modal (SOL103) los contactos no funcionan de la misma forma que en análisis estático lineal (SOL101) donde se aplican cargas y el solver realiza en todo momentos iteraciones de contacto para ver cómo trabaja cada elemento de contacto: a tracción o a compresión. En análisis modal se ejecuta lo que se denomina “pre-stiffened modal analysis” que añade a la matriz modal la matriz de contactos.

      El proceso consiste en resolver un SUBCASE estático lineal con cargas + contacto (SOL101). Una vez que la solución de contacto está resuelta, la matriz de rigidez final (así como la rigidez diferencial) se usa para aumentar la matriz de rigidez estructural en el siguiente análisis de valores propios (SOL103). El efecto de la matriz de contacto es similar al contacto tipo GLUE en las zonas trabajando a compresión: las dos caras están pegadas en dichas posiciones y el contacto no se abre o cierra en los siguientes modos de vibración, una vez determinado lo que se cierra o se abre permanece sin cambios en los siguientes modos, OK?.

      Esta aproximación es una simplificación suficiente cuando el contacto no se espera que cambie de forma significante en función de la respuesta. Un ejemplo típico puede ser el caso de unir dos sólidos grandes con montón de tornillos, por ejemplo la unión con contacto de una brida.
      Saludos,
      Blas.

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  3. Hello,
    can you help me? I applied almost everything you asked to do.In the modes i have NASTRAN takes into consideration the contact (it is perfect), but it does not take into account the preload.
    I am more comfortable with the SOL 106 for prestressed systems but I can not use it because it is not supporting the glue contact.
    here is my .bdf (PATRAN), is there a mistake?
    Thanks you

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  4. Dear Raynald,
    Your input is not compatible with the NX NASTRAN format, each solvers msc nastran & nx nastran both are mostly compatibles (I would say more than a 98% of the code) but regarding contacts both have different commands to manage contacts.

    With NX NASTRAN a contact condition can be included in a normal mode solution (SOL 103), and in an optional dynamic response calculation (SOLs 111 and 112). In the normal mode solution, contact stiffness result is added from the end of the converged linear statics contact solution. The contact stiffness values in the normal mode solution represents the final contact condition of the structure around the contact interface. Thus, it will appear that the resulting contact edges or surfaces are attached during the normal mode analysis. Since the calculated normal modes include the final contact interface conditions, the response calculation (SOLs 111 and 112) which use these normal modes automatically include the same conditions.

    The inputs for the normal mode solution are consistent with differential stiffness solutions which require a linear statics subcase. The difference is that the linear statics subcase should include the BCSET case control command. When defining the normal modes subcase, a STATSUB case control command must be included to reference the subcase id containing the contact definition. The contact solution in the linear statics subcase must fully converge before moving to the normal mode portion of the run.

    Best regards,
    Blas.

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  5. Thanks you for you time.
    I have added STATSUB but I do not know what to put for the parameter BCSET (BCSET = ????) in my case. Because without BCSET modes I get take good account of contacts but do not take into account the load (the pre-stress).
    SOL 103
    CEND
    ECHO = NONE
    BCONTACT = 0
    NLSTEP = 1
    METHOD = 1
    SPC = 2
    LOAD = 2
    BCSET = ??????????????
    DISPLACEMENT(SORT1,REAL)=ALL
    SPCFORCES(SORT1,REAL)=ALL
    STRESS(SORT1,REAL,VONMISES,BILIN)=ALL
    SUBCASE 1
    SUBTITLE=Default
    BCONTACT = 1
    SPC = 2
    SUBCASE 2
    SUBTITLE=Default
    METHOD = 1
    STATSUB = 1
    VECTOR(SORT1,REAL)=ALL
    BEGIN BULK
    PARAM POST 0
    PARAM PRTMAXIM YES
    EIGRL 1 10 0
    BCTABL1 0 8004
    BCONECT 8004 3001 2 1
    BCONPRG 3001 IGLUE 2
    BCTABL1 1 8004

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    • Hola!,
      En efecto, en un futuro inmediato todas las potentes capacidades del solver SAMCEF de LMS cada vez estarán más incluidas dentro del solver NX NASTRAN de SIEMENS, la razón muy sencilla: la compra de LMS por SIEMENS PLM. Las capacidades de análisis no lineal de composites son muy potentes en SAMCEF, así que la nueva versión de NX NASTRAN V11 en el nuevo módulo No Lineal Multi-Step (SOL401) -genuino y nativo SIEMENS- ya incluye capacidades tan potentes como “New cohesive element for modeling delamination of composite materials”, OK?.
      Saludos,
      Blas.

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  6. Buenas tardes Blas.
    Excelente artículo!

    Estoy realizando algunas pruebas con MSC NASTRAN para implementar la metodología del análisis modal en mi empresa.

    Siguiendo tus pasos he conseguido realizar varios modelos y correlarlos con artículos de investigación, por lo que la metodología mejora significativamente la predicción de frecuencias naturales en estructuras con precarga o contactos.

    A modo resumen te comento las pruebas que he realizado y algunas dudas que me han surgido en algunos modelos a ver si fueras tan amable de aclarármelas.

    Viga biarticulada:
    1- Normal modes + preload (sol 103 con SUBSTAT) –> OK
    2- Non linear Normal modes + preload (sol 106 con METHOD) –> OK
    3- Non linear Normal modes + preload (sol 106 preload + restart en sol 103) –> OK

    Viga en empotrada apoyada: (el apoyo lo he considerado con un elemento GAP)
    4- Normal modes + preload (sol 103 con SUBSTAT) –> la rigidez del elemento GAP que considera para la matriz de rigidez diferencial es la rigidez a compresión del GAP? Si es así, entonces OK
    5- Non linear Normal modes + preload (sol 106 con METHOD) –> Aquí me he encontrado que la matriz de rigidez diferencial que obtiene depende de la precarga. Me explico.
    – Si no considero precarga alguna, la matriz de rigidez diferencial obtenida no tiene en cuenta el elemento GAP (o mejor dicho, considera la rigidez de apertura del elemento). Las frecuencias que obtengo son las frecuencias del caso de viga en voladizo. En este caso el GAP no tiene influencia.
    – Si considero un pequeño desplazamiento, la matriz de rigidez diferencial que obtiene es considerando la rigidez de cierre del elemento GAP.
    Para mi sorpresa, es indiferente considerar un desplazamiento que haga trabajar el GAP a tracción o a compresión, la matriz de rigidez diferencial considera siempre la rigidez de cierre del GAP. No sé si esto tiene que ver por como se ensamblan las matrices de rigidez al inicio del cálculo.
    – Si considero fuerzas para hacer trabajar el GAP a tracción o compresión, la matriz de rigidez diferencial si considera si el elemento GAP esta abierto o cerrado.

    Con todo esto me pregunto como afectará modelar varios elementos GAP en un modelo a la hora de obtener las frecuencias naturales, se considerará el estado (abiertos o cerrados) de todos y cada uno de ellos cuando actúa una precarga. Y si es así, es una matriz de rigidez única para todo el modelo? ya que el estado de los elementos GAP (abierto/cerrado) no será el mismo para cada modo de vibración. Supongo que el análisis modal no deja de ser una aproximación lineal al problema y para considerar de forma más precisa el contacto en la vibración nos tendríamos que ir a resolver el modelo mediante integración directa o con un solver explicit.

    Por último, he podido ver en tus vídeos y los comentarios que has ido haciendo en diferentes foros, que NX Nastran usa BCSET para establecer el contacto y poder considerar la matriz de rigidez diferencial del contacto. MSC NASTRAN no tiene el comando BCSET, usa BCONTACT para iniciar el contacto de elementos 3D en el sol 101. Cuando trato de realizar el cálculo de Normal modes + preload (sol 103 con SUBSTAT), me tira un error:
    ^^^ USER FATAL MESSAGE 9238 (PHASE0)
    ^^^ GENERAL CONTACT IS REQUESTED IN PRELOAD OR BUCKLING ANALYSIS.
    ^^^ USER ACTION: REMOVE THE BCONTACT REQUEST

    Tienes alguna idea de cómo puedo incluir el contacto en MSC NASTRAN?

    Perdona por la densa lectura.

    Te estaría muy agradecido si me pudieras aclarar las dudas.

    Saludos

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