38.- CREACIÓN DE SUPERELEMENTOS EN FEMAP

En el Análisis por Elementos Finitos la demanda de recursos de cálculo siempre estará por encima de las capacidades existentes de los ordenadores actuales. Esta limitación en recursos hardware (espacio en disco y memoria RAM), combinado con restricciones de presupuesto, reducen la capacidad del ingeniero para resolver grandes modelos que requieran largos tiempos de cálculo (¡y el tiempo es oro!). Una solución al problema -en términos de hardware y presupuesto- es el uso de Superelementos de NX NASTRAN.

El principio utilizado en el análisis con superlementos se conoce habitualmente con el nombre de subestructurado: el modelo se divide en una serie de componentes (superelementos), cada uno de los cuales se procesa de forma independiente del resto de superelementos, resultando en un conjunto de matrices de reducido tamaño (masa, amortiguamiento, rigidez y cargas) que describen el comportamiento estático y dinámico del superelemento tal como es visto por el resto de la estructura. Una vez procesados todos los superelementos las matrices reducidas se combinan para formar lo que se conoce como estructura residual, y finalmente se realiza el cálculo de desplazamientos y tensiones en cada superelemento.

Arriba: el modelo de Elementos Finitos completo. (1) La estructura residual (nodos y elementos). (2) Los superelementos

Ventajas de utilizar superelementos con NX NASTRAN:

  • Eficacia es la primera razón para usar superelementos: un modelo de elementos finitos raramente se analiza una sóla vez, habitualmente se modifican diferentes partes del diseño. Sin el uso de superelementos, cada análisis supone volver a calcular el modelo completo.
  • Solución de grandes modelos que exceden las capacidades del hardware disponible: todos los ordenadores tienen una limitación por hardware. NX Nastran está diseñado para que la única limitación física sea el espacio en disco o la memoria RAM disponible, no en el programa. Cuando el tamaño del modelo sea muy grande para calcular sin usar superelementos, se puede partir la base de datos y realizar procesado incremental copiando la base de datos que no sea necesaria hasta el momento del Data Recovery en discos externos. Este proceso libera espacio en disco y reduce la actividad del disco y costes de almacenamiento.
  • Menor uso CPU y tiempo de cálculo por análisis: debido a que cada superelemento se procesa de forma individual requiriendo menores recursos hardware que un modelo completo sin superelementos, es posible ejecutar de forma rápida procesos en cola (incluso en diferentes ordenadores) en vez de esperar por la solución del problema completo.
  • Mayor control del uso de recursos hardware: el particionado de bases de datos permite controlar el uso de espacio en disco y reducir los requisitos de recursos de ordenador sin sacrificar la precisión de los resultados del análisis.
  • Menor riesgo de fallos: cuando se procesa un modelo sin superelementos y ocurre un error de cálculo, el modelo completo se debe calcular de nuevo tras corregir el problema. Con superelementos, cada superelemento se debe procesar sólo una vez, salvo que un cambio requiera recalcular el superelemento. Si ocurre un error durante el cálculo, una vez corregido sólo se debe procesar el superelemento afectado y la estructura residual. El superelemento que no tenga ningún error no se debe re-calcular de nuevo hasta que no se realice un cambio en esos superelementos.
  • Modelado de componentes por diferentes contratistas: dado que los superelementos pueden ser procesados de forma individual, diferentes grupos de análisis independientes puden modelizar piezas individuales de la estructura y realizar chequeos y análisis de conjunto sin interacción de los grupos entre sí. Un excelente ejemplo es la Space Station Freedom, con numerosas empresas trabajando en su estructura. Cada contratista trabaja en su propio componente y envía modelos reducidos al System Integrator, quien ensambla los modelos para obtener todas las configuraciones posibles, realiza análisis para cada configuración, y envía resultados individualizados para cada contratista.
  • Uso de modelos patentados o marcas registradas en entornos no clasificados: muchas compañías trabajan en proyectos de alta seguridad, desde proyectos donde se debe mantener el diseño de producto lejos de la competencia hasta programas de defensa altamente confidenciales. Incluso cuando se trabaja en programas de alta seguridad es necesario enviar a terceros una representación del modelo para poder ejecutar un análisis del conjunto que incorpora el componente. El uso de Superelementos Externos permite enviar matrices de contorno reducidas sin información geométrica del componente actual, sólo masa, rigidez, amortiguamiento y cargas en el contorno. Tras recibir el conjunto de matrices reducidas en un formado de entrada de NX NASTRAN el ingeniero puede definir un superelemento externo usando dichas matrices y atar la estructura exterior al modelo.

Proceso de Creación y Análisis de Superelementos con NX NASTRAN

NX NASTRAN permite usar tres estrategias diferentes para particionar el modelo en superelementos:

  • Main Bulk or Internal Superelements (Top-Down approach).
  • Part Superelements (Bottom-Up Approach).
  • External Superelements.

1.- Main Bulk Superelements

Como su nombre indica estos superelementos se crean en la sección Main Bulk Data del fichero de entrada de NX NASTRAN:

  • Es el enfoque más tradicional de los superelementos.
  • El usuario parte el modelo completo y lo divide en superelementos.
  • NX Nastran determina qué nodos son externos a cada superelemento.

Main Bulk or Internal Superelements (Top-Down Approach)

2.- Part Superelements

Los superelementos tipo PART se definen de forma diferente. Cada superelemento se crea en su propia sección en el Partitioned Bulk Data Section del fichero de entrada de NX NASTRAN. Cada sección del bulk data es auto suficiente ya que contiene toda la información sobre nodos, elementos, propiedades, restricciones y cargas por cada componente del modelo. Es como si una serie de componentes por separado se ensamblan en un modelo final de elementos finitos.

  • Los Superelementos se crean a partir de modelos de elementos finitos independientes por cada componente y se incluyen en el mismo fichero de entrada de NX NASTRAN.
  • Usa la tarjeta “BEGIN SUPER” para particionar el fichero de entrada.

Part Superelements (Bottom-Up Approach)

3.- External Superelements

Un superelemento externo es una matriz reducida del contorno de un modelo completo almacenado en un fichero externo *.op2, *.op4, *.dball o punch. Estas matrices no incluyen ninguna información sobre la geometría interna del superlemento, únicamente se conocen los nodos a los cuales están atadas las matrices.

  • Cada superelemento externo se crea de forma independiente y se combina en un análisis por separado.
  • Es un proceso muy manual, pero muy ventajoso para simplificar la organización del modelo.
  • Permite compartir modelos con marcas registradas (o patentes) al no contener información de la geometría interna del modelo.

External Superelement Procedure

4. Análisis Soportados

Los superlementos se pueden utilizar en los siguientes tipos de Análisis de NX Nastran:

  • Estático lineal (SESTATIC SOL101)
  • Análisis de Frecuencias (SEMODES SOL103)
  • Pandeo Lineal (SEBUCKL SOL105)
  • Extracción de Modos Propios Complejos (SEDCEIG SOL107)
  • Análisis Dinámico Directo de Respuesta en Frecuencia (SEDFREQ SOL108)
  • Análisis Dinámico Directo de Respuesta Transitoria (SEDTRAN SOL109)
  • Análisis Dinámico Modal de Respuesta en Frecuencia (SEMFREQ SOL111)
  • Análisis Dinámico Modal de Respuesta Transitoria (SEMTRAN SOL112)
  • Optimización del Diseño (DESOPT SOL 200)

Saludos,
Blas.

One thought on “38.- CREACIÓN DE SUPERELEMENTOS EN FEMAP

  1. Bueno, sólo quise dejar un breve comentario en tu lugar a fin de
    que veas que si hay gente que lee. Por lo
    menos es lo que he visto. Espero que prosigas escribiendo como lo has hecho hasta el instante y
    que si en algo podemos cooperar en un futuro, me digas.
    Esto verdaderamente me gustaría.

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