• Tornillos Sólidos Pretensados con SOL101

He grabado un vídeo explicando cómo resolver en FEMAP V2019.1 problemas de contacto superficie-a-superficie con “múltiples” tornillos pretensados mallados con elementos 3-D sólidos CHEXA de 8-nodos usando el solver de Análisis Estático Lineal Simcenter Nastran (SOL101). Y aquí el uso del término “múltiple” es clave porque si el modelo de FEMAP V2019.1 incluyera un único tornillo sólido pretensado el cálculo estático lineal estaría bien, pero si tenemos más de un tornillo sólido pretensado el resultado que se obtiene no es correcto, sólo se pretensa un tornillo sólido de forma efectiva, el resto de tornillos no trabajan.

El error ya se ha reportado al equipo de desarrollo de Simcenter Nastran y estará corregido en la siguiente versión del software FEMAP V2020.1 que saldrá al mercado el próximo mes de Noviembre de 2019. Si el usuario es diligente en el sentido de verificar la bondad de los resultados del Análisis por Elementos Finitos enseguida se dará cuenta del error.

• Un remedio podría ser intercalar en la mitad del tornillo sólido la combinación de un elemento viga 1-D CBEAM + Spider RBE2 y aplicar la precarga en el elemento viga (en 2010 ya explicaba yo cómo hacerlo con FEMAP V10, ver http://www.iberisa.com/soporte/femap/tornillos_pretensados_chexa8.htm).

• Pero si quieres pretensar tornillos sólidos genuinos con la versión actual de FEMAP V2019.1 sin modificar el mallado ni esperar a que se corrija el error en futuras versiones, aquí tienes una solución alternativa, verás qué fácil!!.

Nota: la nueva versión de FEMAP V2020.2 corrige el problema de precarga en múltiples tornillos: ahora FEMAP exporta el fichero de entrada de NASTRAN utilizando la nueva orden ‘BOLTFRC‘ en lugar de ‘BOLTFOR‘ que era la fuente del problema. El error de BOLTFOR no se va a corregir así que esta orden ha dejado de estar soportada en las nuevas versiones de Simcenter Nastran.

Modelo Ejemplo

Para explicar el proceso de creación del modelo de Elementos Finitos de tornillos sólidos pretensados en FEMAP V2019.1 he “inventado” la geometría y cargas de un ejemplo bastante sencillo consistente en un ensamblaje de acero con 4 tornillos de M10 calidad 8.8 pretensados con 20 kN cada uno y una carga axial de tracción de valor 100 kN como carga de servicio:

Para el dato de precarga en los tornillos he utilizado la WEB de TRIBOLOGY-ABC.com que contiene información de gran ayuda para el ingeniero de diseño.

En el Simcenter Nastran USER’S GUIDE tenéis la descripción completa del proceso de cálculo que sigue el software Simcenter Nastran para el pretensado de tornillos …

Bolts (and certain types of threaded fasteners) are commonly tightened to levels producing very high preload forces. Preloading bolts to about 75% of their proof strength is typical. The bolt preload capability in Simcenter Nastran allows you to predict stresses in the bolts and the bolted medium that arise from bolt preload forces alone or bolt preload forces and service loads.

Historically, bolt preload was modeled using either an equivalent thermal load approach or a multipoint constraint (MPC) approach. Both methods are capable of providing accurate results. However, both methods are labor intensive requiring multiple solutions, manual capture of data, and hand calculations.

The Simcenter Nastran approach is much more efficient because the entire run is automated and allows for direct entry of the bolt preload forces. During the run, the model is solved twice. The first solution calculates the strains in the bolts resulting from bolt preload forces. The second solution uses that strain along with any other service loads as the total applied load.
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Malla con Elementos 3-D Sólidos CHEXA

La siguiente imagen muestra el modelo mallado con elementos sólidos 3-D a base de hexaedros CHEXA de 8-nodos, obteniendo una malla de excelente calidad y reducido tamaño (∼50,000 nodos y ∼39,000 elementos): en problemas de contacto crear un tamaño de modelo con el menor nº de nodos es clave, sólo es posible mallando con elementos hexaédricos CHEXA de 8-nodos, olvídate de los tetraedros CTETRA de 10-nodos, el modelo resultante sería alrededor de 10 veces mayor!! (en problemas de contacto no es lo mismo resolver un modelo con 50,000 nodos que 500,000 nodos, ojo!!). Atentos al vídeo cuando explico cómo evitar penetraciones de mallado no deseadas entre elementos de contacto!!, es clave para obtener resultados de tensiones razonables, sin que exista concentración de tensiones elevadas ni deformaciones no deseadas.

Bolt Region

El primer paso para definir en FEMAP una precarga en tornillos sólidos es usar la orden “Connect > Bolt Region” seleccionando los nodos de un plano transversal y el eje axial del tornillo sólido, con esta información el solver Simcenter Nastran calculará el área de la sección transversal y la orientación del tornillo.

Bolt Preload

A continuación se define la precarga del tornillo usando la orden “Model > Load > Bolt Preload“, esta orden se puede usar en un análisis estático lineal (SOL101), modal (SOL103), pandeo (SOL105), no lineal avanzado (SOL601) y con los nuevos módulos de análisis no lineal multi-step structural & kinematic (SOL401/402). Cada “Bolt Preload” se asocia con su correspondiente “Bolt Region” (que deberá estar definida con antelación en caso de tornillos mallados con elementos sólidos).

Truco: un Tornillo por Caso de Carga

Investigando con el GTAC (quiero dar las gracias a mi amigo David Whitehead, grande!) el error está en la entrada BOLTFOR de Simcenter Nastran: cuando más de una tarjeta BOLTFOR se escribe con un mismo SID en teoría los tornillos identificados por su ID (en el listado siguiente los tornillos 100, 101, 102 y 103) se deberían precargar todos juntos, pero esto no ocurre debido a un error de software.

La solución es crear un caso de carga por cada tornillo por separado, meter BOLT PRELOAD#1 en el LOAD CASE#1, BOLT PRELOAD#2 en el LOAD CASE#2 y así sucesivamente.

Y finalmente combinar todos los casos de carga en tornillos usando la orden “Model > Load > Combine” creando una combinación del tipo NASTRAN LOAD con un factor de escala de 1.0 aplicado a cada caso de carga primario, de esta forma tenemos una combinación que incluye todos los tornillos pretensados para utilizarla durante el cálculo.

Es clave no confundirse al crear la combinación de casos de carga, asegúrate de elegir “Nastran LOAD Combination” en vez de “Standard” (por defecto).

Si ejecutamos la orden “Model > Analysis > Preview Input” y generamos el fichero de entrada de Simcenter Nastran veremos que FEMAP usará diferente SID con cada tarjeta BOLTFOR, resolviendo el problema aparentemente.

Pero no, todavía no está resuelto el problema por completo: FEMAP no escribe el contenido de la tarjeta BOLTLD ni en el “bulk data” ni en el “case control section“, un nuevo error esta vez culpa de FEMAP causado por usar la combinación NASTRAN LOAD, así que es necesario meter su valor usando un “user defined text“.

No hay problema, en el CASE CONTROL SECTION de nastran metemos a mano el texto BOLTLD = 999

Y en el BULK DATA SECTION metemos a mano el texto siguiente (fijaros que cada campo son 8 caracteres):

$$
BOLTLD       999     1.0     1.0       1     1.0       2     1.0       3+
+            1.0       4
$$

En vez de activar el EDIT PREVIEW y pegar el texto en el fichero de entrada de nastran es más recomendable editar el estudio correspondiente y meter el texto de usuario como parte del análisis, de esta forma todo el contenido forma parte del mismo análisis, no tienes que meterlo de nuevo cada vez que ejecutas un PREVIEW INPUT.

Por ejemplo, en el estudio activo vete a “Options > Bulk Data” y haz doble-clic en cualquier campo:

Verás que se despliega la ventana del “Nastran Bulk Data Options“. En la esquina inferior derecha haz clic en “End Text” (puedes meterlo al principio o al final, a mí me gusta más al final de cada sección), quiere decir que vamos a meter un texto de usuario que se añadirá a final de la sección “NASTRAN Bulk Data” del fichero de entrada de Nastran que escriba FEMAP:

Y finalmente se abre una nueva ventana titulada “Analysis Text” donde el usuario podrá pegar el texto de la tarjeta BOLTLD:

La siguiente imagen muestra la sintaxis de la tarjeta BOLTLD, cada orden de nastran la tenéis disponible en FEMAP en “Help > Simcenter Nastran > QUICK REFERENCE GUIDE (QRG)“, el QRG es la biblia, un PDF con casi 2400 páginas!!. Es importante conocer la sintaxis de la orden BOLTLD, así en caso de tener un modelo con más de 4 tornillos podrás editar el texto de entrada correctamente, OK?.

Postprocesado de Resultados

Sólo Cargas de Servicio:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en tornillos usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo cargas de servicio: aquí no se ha definido ninguna precarga en tornillos, así que todo trabaja a tracción. Las tensiones en los tornillos rondan los 800 MPa.

Usando la creación automática de grupos por propiedades en FEMAP nos permite aislar componentes por propiedades y mostrar la leyenda de resultados ajustada únicamente a los nodos y elementos del grupo, permitiendo estudiar los desplazamientos y  tensiones en cada componentes de forma exacta. Así, activando el grupo de una de las bridas, podemos mostrar en pantalla las tensiones nodales (MPa) en la brida usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo cargas de servicio, como vemos unos 325 MPa.

Sólo Precarga en Tornillos:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en tornillos usando la Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) sólo bajo precarga en tornillos. Viendo la deformada se demuestra que todos los tornillos están trabajando de forma efectiva, con una tensión alrededor de los 425 MPa.

La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en la brida usando la componente de Tensión de vonMises = 150 MPa, bajo la precarga en tornillos. Aquí la brida trabaja masivamente a compresión, por eso no pongo la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) ya que su valor es testimonial (alcanza únicamente unos 15 MPa), la brida está trabajando únicamente bajo la precarga de los tornillos a compresión.

Precarga en Tornillos + Cargas de Servicio:
La siguiente imagen muestra el reparto de las tensiones nodales en el grupo de los tornillos usando la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) bajo cargas de pretensado + servicio: nótese que la máxima tensión en los tornillos casi alcanza los 1000 MPa.

Dado que la tensión en los tornillos con la precarga de 20 kN está cerca de los 1000 MPa es recomendable usar tornillos de alta resistencia (TAR) de calidad 10.9, o cambiar directamente a tornillos de M12. También dependiendo del objetivo del diseño, por ejemplo supongamos que se busca además minimizar la separación de las bridas para conseguir una unión lo más estanca posible, entonces sería recomendable duplicar el nº de tornillos en vez de aumentar la métrica, etc… Nótese que este artículo es un TUTORIAL para enseñar cómo trabajar con tornillos pretensados usando FEMAP V2019.1 y Simcenter Nastran, no tiene mayores pretensiones sobre opciones de diseño, ¿OK?.

Y finalmente la siguiente imagen muestra las tensiones nodales (MPa) en el grupo de la brida usando la componente de Máxima Tensión Principal de Tracción (σ1) bajo cargas de pretensado + servicio: vemos que gracias al pretensado de los tornillos la máxima tensión principal de tracción de la brida se reduce en unos 90 MPa, pasamos de 390 MPa a menos de 300 MPa, esto demuestra que las uniones atornilladas siempre deben someterse a un proceso de pretensado, las ventajas de aumento de vida a fatiga en los componentes mecánicos es importante.

Las uniones con tornillos pretensados son más eficaces que las uniones realizadas con tornillos NO pretensados ya que resisten mejor lo efectos de fatiga al no depender su tensión directamente de las cargas de servicio. Además, el rozamiento existente evita que los tornillos trabajan a cortadura (por cierto, en este ejemplo en la propiedad de contacto no se ha incluido rozamiento, existe deslizamiento perfecto). En definitiva, usando una carga de pretensado correcta en los tornillos se consigue una unión mucho más rígida, menos deformable y con un comportamiento óptimo a fatiga en el estado límite de servicio.

Pues nada, espero que este artículo os sea útil y sirva de ayuda para resolver con éxito problemas de tornillos pretensados mallados con elementos sólidos y resueltos mediante cálculo estático lineal con FEMAP y Simcenter Nastran (SOL101), si tenéis cualquier pregunta no dudéis en consultarme, encantado de ayudaros.
Aquí tenéis el video que he grabado explicando paso-a-paso el proceso, espero que os guste!!.

Ya estoy preparando el siguiente post titulado “Tornillos Pretensados con SOL401“, usaré este mismo ejemplo de tornillos sólidos para enseñar cómo resolver el problema usando el nuevo módulo Simcenter Nastran No Lineal Multi-Step Structural (SOL401), compararemos resultados con el módulo estático lineal (SOL101) ….

Saludos,
Blas.