39.- SOLID EDGE ST5: THERMAL SIMULATION

La nueva versión de SOLID EDGE ST5 trae importantes novedades en el módulo de Análisis por Elementos Finitos SIMULATION, siendo la más importante en mi opinión la posibilidad de realizar Análisis de Transferencia de Calor aplicando condiciones de contorno de conducción, convección y radiación (de momento sólo en régimen permanente) con “acoplamiento termo-estructural“, es decir, permite usar los resultados de temperaturas de un análisis de transmisión de calor como cargas y condiciones de contorno de un estudio mecánico (estático lineal o pandeo lineal) posterior y obtener los resultados de tensiones térmicas. A esta capacidad de “mapear” resultados de un análisis en otro se le conoce por el nombre de análisis “acoplado” termo-mecánico.

A continuación tenéis un pequeño avance de las novedades más importantes de SOLID EDGE ST5 SIMULATION, con vídeos y todo!!:

1.- Carga Total

Ahora existe la opción de aplicar una carga EN TOTAL sobre varias entidades y ST5 SIMULATION reparte la carga en cada entidad en función de su superficie. Antes la carga era siempre POR ENTIDAD.

En el siguiente vídeo tenéis explicado a fondo el tema:

2.- Mejoras en “Unir Cuerpos”

En el entorno de Pieza, Chapa y Ensamblaje la orden UNIR CUERPOS ofrece las siguientes mejoras:

• Ya no es necesario crear por adelantado superficies medias o copiar geometría de construcción antes de usar la orden UNIR CUERPOS, ahora simplemente se seleccionan los cuerpos y la orden UNIR CUERPOS realiza el trabajo de forma automática.
• Se puede seleccionar geometría con topología Manifold (por ejemplo las soldaduras en un ensamblaje) sin tener que definir ningún conector tipo GLUE. Antes únicamente se podía seleccionar geometría con topología Non-Manifold.
• Cuando se crea un estudio en un modelo con Cuerpos Unidos se recomienda usar los siguientes tipos de mallado:
  • Mallado Mixto y Cuerpos Generales (Ensamblajes)
  • Cuerpos Generales (Piezas y Chapa)

En el vídeo siguiente se explica todo muy bien:

3.- Simplificar Geometría para Mallar

Determinadas geometrías con aristas cortas o caras muy pequeñas pueden darnos muchos dolores de cabeza y producir errores de mallado. En ST5 SIMULATION se ha mejorado la rutina de mallado para producir mallas de mayor calidad.

En las opciones de mallado se ha añadido una opción denominada “Usar Algorithmo de Mallado Avanzado” que en caso de ocurrir un error de mallado elimina de forma automática pequeñas aristas/caras y seguidamente re-malla de nuevo el modelo.

Esta opción está activa por defecto, y sólo se usa cuando se produce un error de mallado.

4.- Mayor Rapidez de Postprocesado

Ya no es necesario procesar todos los resultados tras la ejecución del análisis, ahora los resultados se procesan de forma individual únicamente a la hora de visualizarlos en pantalla, simplemente debes activar la opción de “No procesar resultados tras el cálculo (más rápido)” en la definición del estudio.

5.- Combinar Resultados en Modelos Mixtos

Muy buena tarea de postprocesado al estilo FEMAP, el usuario ya no tiene que preocuparse de representar por un lado tensiones de vonMises en elementos sólidos y por otro tensions de vonMises en elementos SHELL, ahora es posible representar simultáneamente tensiones von Mises en modelos mixtos Shell con Sólidos.

En la figura anterior tenéis representado en pantalla las tensiones vonMises en un “cuerpo unido” con topología “Non-Manifold” mallado automáticamente con elementos 3-D sólidos CTETRA de 10-nodos y elementos 2-D Shell CQUAD4 de 4-nodos de la librería de elementos finitos de NX Nastran 8.1. Fijaros qué bien realiza la tarea el mallador de ST5 SIMULATION de satisfacer la continuidad de desplazamientos en la unión entre elementos Shell y Sólidos.

El siguiente vídeo recoge esta mejora y otras relacionadas con el postprocesado en elementos Shell:

6.- Espesor en Elementos Shell

También heredado de FEMAP ahora es posible visualizar en pantalla “virtualmente” el espesor de elementos Shell 2-D, tanto durante la creación de la malla de elementos finitos como durante la fase de postprocesado de resultados.

Además ahora es posible conocer exactamente el tamaño de malla que corresponde con cada nivel de mallado cuando se utiliza la corredera, de esta forma se tiene una idea mejor del tamaño de malla utilizada en cada momento.

También durante el postprocesado se pueden visualizar resultados directamente sobre el espesor de elementos Shell:

7.- Mejoras en la Tabla de Resultados

Otra nota de “profesionalidad” del postprocesado de ST5 SIMULATION cuando se trabaja con elementos 2-D SHELL la tenemos en la Tabla de Resultados que aparece al pulsar el botón RESULTADOS durante la fase de postprocesado: si hacemos “click” en cualquier nodo de un elemento Shell nos dará en pantalla tanto la información sobre la tensión en la fibra superior (TOP) como en la fibra inferior (BOTTOM), indicando con un asterisco (*) la cara que estamos visualizando.

Si visualizamos tensiones en el espesor de elementos Shell podremos ver simultáneamente la tensión en la fibra superior (TOP) e inferior (BOTTOM), ayudando a entender mejor el campo de tensiones en el modelo.

8.- Elementos Viga Curvados

ST5 SIMULATION soporta el mallado de marcos curvos con elementos 1-D viga CBEAM de 2-nodos de NX NASTRAN.

9.- Iso-Líneas e Iso-Superficies

En ST5 SIMULATION están disponibles dos nuevos métodos de visualización de resultados:

• Iso-Líneas: es de utilidad para entender la distribución de resultados en la superficie del modelo. Es posible utilizar isolíneas en modelos con mallas sólidos 3-D como mallas planas 2-D.
• Iso-Surfaces: se puede utilizar en modelos mallados con elementos sólidos 3-D tetraédricos, malla mixta o malla de superficie, mostrando la distribución de resultados en el interior del modelo.

10.-Cargas Térmicas de Temperatura

En ST5 SIMULATION hay que distinguir entre aplicar una carga “térmica” de temperatura y una carga “mecánica” de temperatura:

• En el análisis estructural cuando definimos una temperatura se aplica a TODO el modelo, no a entidades individuales, y la carga de temperatura se utiliza para calcular la deformación unitaria por dilatación que sufre el material (Epsilon=Alpha*DeltaT).
• Mientras que en cálculo de transferencia de calor la temperatura es una restricción térmica, allá donde apliquemos la carga de temperatura significa que se mantendrá a esa temperatura constantemente. Y se puede aplicar en entidades individuales: puntos, aristas, superficies o caras de sólidos.

11.- Flujo de Calor

La orden FLUJO DE CALOR es la relación de energía térmica transferida por unidad de superficie, y se puede aplicar en puntos, curvas, aristas, caras, superficies o cuerpos completos. En función de la distribución de la carga (si se aplica como carga total o por entidad) las unidades de la carga se actualizan automáticamente de forma dinámica pasando de W, a W/m o W/m2, es un detalle muy interesante.

En análisis de transmisión de calor en régimen permanente cuando se aplica una fuente de calor hay que definir un mecanismo de disipación de calor, de lo contrario el solver NX NASTRAN dará error. Se puede satisfacer este requisito de la siguiente forma:

• Aplicando una carga de temperatura en el extremo opuesto del modelo en orden a conseguir un gradiente de temperatura.
• Aplicando una condición de contorno de convección en otras caras del modelo para disipar la carga de calor aplicada al modelo.
• Por último indicar que un valor positivo del Flujo de Calor indica calor hacia el interior del cuerpo, mientras que un valor negativo indica calor saliendo del cuerpo.

12.- Generación de Calor Interna

En el entorno de Ensamblaje exclusivamente se puede utilizar la orden GENERACIÓN DE CALOR INTERNO para definir una potencia de calor, una generación de calor o una transferencia de calor en la pieza completa. Se puede aplicar la carga de generación de calor en cuerpos o piezas donde exista ya otra carga aplicada.

Una carga de generación de calor mide el ratio de energía térmica que es transferida POR UNIDAD DE VOLUMEN (o por pieza o componente). Típicamente, este calor debe ser conducido al contorno exterior del cuerpo y disipado por convección o radiación.

13.- Carga de Convección

Una condición de contorno térmica de convección es un intercambio de energía térmica que es proporcional a la diferencia entre la temperatura en la superficie de la pieza y la temperatura del medio fluido (gas o líquido) que le rodea.

El tipo de convección soportada en ST5 SIMULATION es Convección Natural y requiere introducir los siguientes valores:

• Coeficiente de Película: también conocido como coeficiente de transferencia de calor o coeficiente de convección, representa el ratio al cual un fluido (gas o líquido) intercambia calor con la superficie de un sólido. El coeficiente de película está influenciado por la densidad, viscosidad y velocidad del medio fluido. Las unidades del factor de película son W/m²ºC.
• Temperatura: es la temperatura del medio ambiente.

Un buen lugar como ayuda para buscar propiedades o coeficientes térmicos que no encuentras por ningún sitio es el “THERMAL WIZARD — from MAYA“:

http://www.thermal-wizard.com/tmwiz/default.htm

14.- Radiación

Una condición de contorno por radiación es la transferencia de calor debido a la radiación electromagnética emitada por la superficie de un cuerpo. La transferencia de calor ocurre cuando la radiación emitida choca contra otra superficie o cuerpo y es absorbida, reflejada o transmitida a otra entidad.

Cualquier cuerpo con una temperatura por encima de los 0ºK emite radiación, así como cualquier sólido o líquido caliente, y algunos gases calientes.

ST5 SIMULATION soporta los siguientes tipos de radiación:

• Radiación al espacio: define el intercambio de calor por radiación entre una carga o superficie y el espacio infinito (cuerpo negro).
• Radiación en un recinto: intercambio de calor por radiación entre un grupo de superficies.

15.- Acoplamiento Termo-Mecánico

En SOLID EDGE ST5 SIMULATION el usuario puede crear estudios “acoplados termo-mecánicos” definiendo EN EL MISMO ESTUDIO tanto las cargas mecánicas estructurales (fuerzas, momentos, presión, peso propio, etc..) como las cargas térmicas (temperaturas, convección, radiación, flujo de calor, etc..). El análisis se realiza de forma secuencial en las siguientes fases:

• Primero se resuelve el análisis de transferencia de calor en régimen permanente.
• Seguidamente se “mapean” los resultados de temperaturas como cargas en el modelo estructural.
• Y finalmente se resuelve el modelo estructural considerando las cargas mecánicas + térmicas para obtener la deformada y tensiones termo-mecánicas.

Saludos,
Blas.