¿Sobrevivirá su Armario Eléctrico a un Terremoto?

Cómo Verificar la Integridad Estructural de Equipos, Armarios y Componentes Electrónicos con FEMAP

LIVE WEBINAR | 09 JUNIO 2020 | 16:00 PM

Los armarios eléctricos, equipos mecánicos y ensamblajes con gran número de componentes electrónicos están sujetos a cargas dinámicas como sacudidas, terremotos y diversas excitaciones sísmicas. La necesidad de verificar de forma efectiva la integridad estructural de los equipos y componentes electrónicos antes de su fabricación puede realizarse por simulación numérica mediante el Método de Análisis por Elementos Finitos con FEMAP y Simcenter Nastran que nos permitirá conocer por adelantado las tensiones y deformaciones que sufrirá la estructura y así asegurar su integridad física antes de entrar en producción. A menudo, será necesario realizar simulaciones numéricas del más alto nivel mediante análisis dinámico avanzado.

Aprenderemos lo siguiente:

  • Extraer cargas estructurales estáticas y dinámicas.
  • Configurar análisis de tensiones y análisis dinámicos avanzados.
  • Postprocesar los resultados del análisis.

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Blas.

 

Métodos de Mallado por Elementos Finitos de una Celosía en FEMAP

El objetivo de esta publicación es enseñar cómo mallar en FEMAP V2020.1 una estructura metálica de celosía cuyas diagonales están unidas a los largueros principales mediante cartelas atornilladas.

Se utilizarán dos planteamiento diferentes de mallado para resolver el problema (se conoce en inglés como “Meshing Approach“): un mallado local bajando al detalle de la unión atornillada entre largueros y diagonales pero que conlleva un coste de preparación de la geometría y mallado importante, y un mallado global aprovechando las propiedades de unión articulada de los elementos CROD que permite crear de forma rápida y eficiente el modelo de elementos finitos en una fracción del tiempo del modelo local.

Al final evaluaremos la bondad de ambos métodos de mallado comparando los resultados obtenidos a partir de un análisis de frecuencias y modos de vibración realizado con el solver Simcenter Nastran (SOL103) y podremos valorar las ventajas e inconvenientes de cada método, yo creo que vamos a llevarnos una grata sorpresa!!.

Método#1: Mallado Local

Básicamente consiste en utilizar las siguientes técnicas de mallado explicados en detalle en el vídeo:

  • Se generan superficies intermedias (MIDSURFACES) para las placas de amarre de espesor 12 mm soldadas a los largueros principales y de las placas del mismo espesor soldadas a los extremos de las diagonales para mallar con elementos 2-D Shell primando el mallado mayoritario con cuadriláteros CQUAD4 de 4-nodos de mayor precisión y exactitud de resultados frente a triángulos CTRIA3 de 3-nodos cuya utilización se debe limitar al máximo en la medida de lo posible
    • Para facilitar el mallado exclusivo con elementos 2-D Shell CQUAD4 se debe partir la geometría de superficies medias creando regiones regulares de 4 lados, un proceso que puede ser laborioso y costoso en tiempo si las superficies presentan formas complejas o rebuscadas, pero los beneficios obtenidos en calidad de mallado y precisión de resultados hace que en general merezca la pena.
  • Los tornillos M20 de unión entre placas base y diagonales se mallan con una mezcla de elementos viga 1-D CBEAM + elementos rígidos RBE2. Para saber más sobre los detalles de mallado de este tipo de uniones atornilladas te recomiendo consultar mi blog en la siguiente dirección:
    https://iberisa.wordpress.com/2015/10/13/rbe2-vs-rbe3-on-femap-with-nx-nastran/
  • Las diagonales Ø50 mm se mallan con elementos viga 1-D CBEAM, “mergeando” nodos con los elementos Shell de los extremos de placa, proyectando la curva de centro de la viga sobre la superficie de la placa, de esta forma aseguramos la continuidad de la malla.
    • Los elementos viga CBEAM y shell CQUAD4 son elementos “compatibles“, ambos tienen 6 GDL por nodo (TX, TY, TZ, RX, RY & RZ) por tanto al mergear nodos tenemos una unión que transmite perfectamente desplazamientos y rotaciones, simulando con bastante precisión el comportamiento real de unión rígida obtenida mediante soldadura entre diagonal y placas de extremos.
  • Los largueros principales Ø95 mm se mallan con elementos viga 1-D CBEAM, mergeando nodos con los elementos 2-D Shell de la placa base de forma similar a cómo se ha explicado anteriormente en el caso de diagonales y placas extremo.
  • Contacto NO PENETRATION superficie-a-superficie: en el caso de aplicar cargas de pretensado en los tornillos M20 se deberá considerar incluir en el modelo de Elementos Finitos el contacto de no penetración entre las placas atornilladas, definiendo la propiedad de contacto, regiones y conectores, tal como explico en el video.

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Método#2: Mallado Global

En este segundo planteamiento de mallado de una CELOSIA vamos a sacar partido del elemento CROD con el cual mallaremos todas las diagonales de la celosía: es una barra bi-articulada que no tiene grados de libertad de rotación, por tanto no transmite momentos, es ideal para mallar estructuras de celosía ya que los elementos CROD sólo trabajan a tracción-compresión.

El único cuidado que debemos tener es MALLAR CADA BARRA CON UN ÚNICO ELEMENTO CROD, ya que si mallas con más de un elemento tendrás error de cálculo por RIGID BODY MOTION, es decir, la existencia de un mecanismo. Claro!, si mallas con más de un elemento es como simular una cadena con uniones articuladas. Además deberás evitar crear celosías de más de 3 barras (el concepto básico es el triángulo rígido), de lo contrario tendrás un cuadrilátero articulado, y el calculador te dará error de nuevo por mecanismo.
Para saber más sobre los errors del solver Simcenter Nastran visita mi blog en la siguiente dirección:
https://iberisa.wordpress.com/2011/02/20/mensaje-de-error-de-nx-nastran-run-terminated-due-to-excessive-pivot-ratios/

La siguiente imagen muestra la definición de las propiedades del elemento CROD en FEMAP: simplemente debes introducir el área de la sección transversal así como la Constante de Torsión “J”.

La siguiente figura muestra las ecuaciones usadas para calcular la Constante de Torsión “J” para una variedad de secciones transversales:

Definición de la Constante de Torsión “J” para formas geométricas comunes

El Coeficiente de Torsión “C” se usa por Simcenter Nastran para calcular la tensión por torsión de acuerdo con la siguiente ecuación:

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Comparación de Resultados

La siguiente imagen muestra el 1er modo de vibración a flexión de la celosía mallada utilizando el LOCAL MESHING APPROACH, mallando en detalle la unión atornillada entre diagonales y largueros: la frecuencia fundamental de vibración de la celosía tiene un valor de 10.5 Hz, es muy flexible, la frecuencia natural está muy por debajo de los 33 Hz considerada como estructura rígida, por lo tanto el factor de amplificación dinámica (Dynamic Amplification Factor, DAF) que puede tener la estructura en caso de no existir ningún arriostramiento lateral (es la clave en este tipo de estructuras) podría ser ciertamente muy elevado.

La siguiente imagen muestra la animación del 1er modo de vibración de la celosía mallada utilizando un GLOBAL MESHING APPROACH, mallando las diagonales de la celosía con un único elemento CROD: la frecuencia fundamental de la celosía tiene un valor de 11 Hz.

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En Resumen …

Una imagen vale más que mil palabras: el modelo global de la celosía a base de elementos CBEAM + CROD creado de forma rápida en una fracción de tiempo del modelo local proporciona una precisión excelente, tanto el valor de la frecuencia fundamental de resonancia como la forma del 1er modo de vibración de flexión coinciden plenamente con el modelo local mallado en detalle con elementos Shell CQUAD4 + CBEAM + RBE2 + CONTACTOS Superficie-a-Superficie, así que merece la pena aprender la lección:

Siempre tu primer modelo de elementos finitos debe ser lo más sencillo posible, te dará información muy importante que te permitirá tomar decisiones de forma rápida sobre cómo afrontar el proyecto, te permitirá comprobar si el concepto de diseño usado es válido, si en base a los resultados preliminares pudiera ser necesario o no realizar análisis dinámicos avanzados del tipo Respuesta en Frecuencia, Random Vibration o No Lineales para comprobar problemas de inestabilidad por pandeo, etc..

Pues nada más de momento, espero que este artículo os resulte útil e interesante, gracias!!.
Saludos,
Blas.

Emisión en Directo de las Novedades de FEMAP V2020.2

Estreno en primicia en YouTube de las Novedades de FEMAP V2020.2

Lanzamiento de FEMAP 2020.2
en Directo
Miércoles 20 de Mayo a las 20:00 horas

Únete a nosotros el 20 de Mayo de 2020 y serás uno de los primeros en recibir un adelanto de las novedades de Simcenter FEMAP 2020.2 en el estreno de su lanzamiento en YouTube.

En este evento virtual podrás disfrutar en primicia de lo siguiente:

  • Conocer las mejoras de rendimiento de la interfaz de usuario y de visualización, de los avances en preprocesado, de las nuevas capacidades de postprocesado, mejoras en el soporte de módulos de análisis y mucho más.
  • Ver demostraciones en directo sobre las mejoras y novedades, todas diseñadas para hacer tu trabajo más fácil, rápido y sencillo.
  • Establecer contacto con los expertos del equipo de desarrollo de FEMAP a través de preguntas y respuestas en vivo y en directo.

Entra en YouTube y configura tu recordatorio, ¡Nos vemos el Miércoles!.

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Saludos,
Blas.

Trabajar con FEMAP desde Casa

Con el #COVID-19 muchos usuarios de FEMAP se han visto obligados a trabajar desde casa por un periodo de tiempo indeterminado, así que para ayudaros en el proceso de puesta en marcha y configuración de FEMAP y Simcenter Nastran en vuestra casa SIEMENS pone a disposición del usuario de FEMAP una licencia que podrás descargar desde el GTAC de Siemens, más abajo os enseñaré cómo hacerlo.

Pero antes quisiera explicaros las diferentes opciones para trabajar en casa disponibles en este momento en función del tipo de licencia que tengamos de FEMAP.

Los usuarios de FEMAP con Licencia Flotante en Red FLEXlm tienen varias formas de llevarse la licencia a casa: desde la opción BORROW (disponible en FEMAP desde la versión V12) que permite prestar la licencia al portátil por un máximo de 120 días y devolverla a la red local de la oficina a tu vuelta (si alguien tiene problemas para configurar el BORROWING que me diga y encantado de ayudarle), hasta utilizar una Conexión de Escritorio Remoto y conectar con el ordenador de la oficina a través de una conexión VPN (Virtual Private Network) que tenga montada o contratada tu empresa con un proveedor de servicios. Una conexión VPN permite crear una red local sin necesidad de que sus integrantes estén físicamente conectados entre sí, sino a través de Internet. Con una red VPN se obtienen las ventajas de la red local, con una mayor flexibilidad, pues la conexión es a través de Internet y puedes estar conectado por ejemplo de una punta del mundo a la otra. Además, a nivel de seguridad, el riesgo disminuye si el trabajador y la empresa se conectan mediante una conexión VPN: el acceso está protegido, la conexión está previsiblemente cifrada y el trabajador tiene el mismo acceso que si estuviera físicamente en la oficina.

Con VPN el portátil se puede conectar a la Red Local de tu oficina como si estuvieras allí físicamente

¿Pero qué pasa si el mecanismo de seguridad de mi licencia de FEMAP es con llave USB (es decir, node-locked dongle – Sentinel SuperPro)?. Pues que hacer todo lo explicado anteriormente (hasta hoy!!) no es posible: no podemos hacer un BORROWING ni trabajar con Escritorio Remoto ni a través de una conexión VPN, en estos casos el mecanismo de licencia no funciona. No es que sea un defecto, es parte de su concepción, la llave USB tiene múltiples ventajas (un coste de compra de software y mantenimiento de la licencia mucho más reducido que la licencia flotante, la puedes conectar a cualquier ordenador, puedes viajar físicamente con ella donde quieras, etc..), pero también tiene sus limitaciones, en mi opinión la más grave (además de las explicadas anteriormente) es la limitación de poder compartir en la red módulos sueltos “stand-alone” del pre- & postprocesador FEMAP y adquirir un menor número de licencias de los módulos de cálculo del solver Simcenter Nastran. En resumen, aunque en un principio resulte más caro a la larga el mecanismo de licencia flotante ofrece mayores ventajas y resulta más económico que el mecanismo de llaves USB.

Dibujo de la llave USB de FEMAP

Afortunadamente, el equipo de desarrollo de FEMAP ha resuelto el problema: desde hoy todos los usuarios de FEMAP con llave USB que estén bajo mantenimiento activo pueden descargar desde el GTAC de SIEMENS PLM una licencia “node-locked” válida hasta el 30 de Abril 2020 usando tu WEBKEY desde la siguiente dirección:
https://download.industrysoftware.automation.siemens.com/. 

Cuando se aproxime la fecha del 30 de Abril se evaluará la situación y si hace falta se publicará una nueva licencia válida para un periodo de tiempo adicional y así se continuará todo el tiempo que sea necesario.

La siguiente imagen del servidor GTAC muestra la localización del fichero de licencia license.dat, listo para descarga.
Una vez descargado en tu ordenador debes copiarlo en el directorio de FEMAP. El fichero de licencia es válido para cualquier versión de FEMAP, desde la última versión disponible actualmente V2020.1 hasta cualquier versión antigua.

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Updating Existing Dongle Licensing:
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Para que FEMAP reconozca el nuevo fichero de licencia license.dat debes re-convertir el mecanismo de licencia de la llave USB y pasar de Node-Locked-dongle a Network Client. Para lo cual debes hacer lo siguiente:

  • Cierra cualquier sesión de FEMAP.
  • Desde el Explorador de Windows vete al directorio donde tengas instalado FEMAP (en la última versión de FEMAP V2020.1 se instala por defecto en “C:\Program Files\Siemens\Femapv2020_1”).
  • En el directorio de instalación de FEMAP localiza “go_network.bat”, ejecútalo haciendo doble-clic y cambiará el método a licencia flotante.
  • Instala en este directorio el fichero de licencia license.dat y a partir de ahora podrás trabajar con el software sin ninguna limitación, sin ser necesario insertar físicamente la llave USB en el ordenador.

Más tarde cuando quieras volver a funcionar con el mecanismo de licencia mediante llave USB Dongle-Sentinel SuperPro haz lo siguiente:

  • Cierra cualquier sesión de FEMAP.
  • Desde el Explorador de Windows vete al directorio donde tengas instalado FEMAP (en la última versión de FEMAP V2020.1 se instala por defecto en “C:\Program Files\Siemens\Femapv2020_1”).
  • En el directorio de instalación de FEMAP localiza “go_dongle.bat”, ejecútalo haciendo doble-clic y cambiará el método a licencia node-locked-dongle.

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New Installation:
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Si necesitas realizar una nueva instalación del software FEMAP V2020.1 en tu Portátil o WorkStation de casa con Windows 10 y usar el fichero de licencia license.dat anterior debes asegurarte de responder correctamente a la pregunta “Select Licensing Method“, asegúrate de elegir la opción NETWORK CLIENT – FLEXlm, de lo contrario, aunque no parezca lógico, FEMAP no utilizará el fichero de licencia del tipo node-locked anterior.

Pues nada, esperemos que esta publicación te resulte interesante y te ayude a trabajar con FEMAP en casa a salvo de cualquier contagio con el COVID-19, porque lo más importante en la vida es la salud, sin salud el resto poco importa!!. Ya sabes, #QuédateEnCasa, #StayatHome

Saludos,
Blas.

• Análisis Dinámico Avanzado con FEMAP y Simcenter Nastran-I: Modal Frequency Response (SOL111)

La intención de este POST es enseñar porqué a menudo un simple Análisis Estático Lineal (SOL101) con FEMAP y Simcenter Nastran no basta para validar un diseño, siendo necesario realizar Análisis Dinámicos Avanzados de respuesta en el dominio del tiempo y/o de la frecuencia para obtener una visión más global y completa del comportamiento estructural del diseño.

La pieza en cuestión es un SOPORTE de chapa de acero inoxidable de espesor 4 mm que lleva adosado un motor de 20 kg de peso que se mallará como un elemento masa concentrada CONM2 colocado en el Centro de Gravedad (CdG) del motor y conectado al soporte mediante un SPIDER con un elemento rígido RBE3. La condición de diseño es que el desplazamiento máximo admisible en el CdG del motor sea MENOR de 1 mm.

 

1.- Análisis Estático Lineal (SOL101)

La siguiente animación muestra la secuencia de preparación del modelo de Elementos Finitos del Soporte:

  1. Importar la geometría sólida a partir de un fichero CAD 3D en formato Parasolid (*.X_T).
  2. Creación de la superficie media para mallar con elementos Shell.
  3. Preparación de la geometría dividiendo las superficies en regiones regulares para conseguir un mallado de excelente calidad a base de elementos 2-D Shell CQUAD4, con CERO TRIÁNGULOS.
  4. Y finalmente mallar las superficies usando el MESHING TOOLBOX.

Calidad de la Malla

La malla plana 2-D así obtenida tiene una excelente calidad (Jacobiano < 0.55), y no incluye ningún triángulo!!. Es importante invertir tiempo en aprender a manejar las potentes herramientas que ofrece FEMAP para trabajar la geometría y poder así generar mallas 2-D perfectas, de esta forma serás más productivo y podrás sacar partido más rápido de las técnicas de mallado avanzadas de FEMAP con el MESHING TOOLBOX.

La clave: partir, partir, partir superficies!. En el MESHING TOOLBOX > GEOMETRY EDITING tienes numerosos órdenes como POINT-TO-POINT, POINT-TO-EDGE, EDGE-TO-EDGE, SLICE, etc.. que son herramientas interactivas muy potentes (pero muy fáciles de usar) para preparar la geometría creando regiones regulares donde usar MAPPED MESH para crear mallas estructuradas de excelente calidad.

Representación del Motor

Se ha creado un elemento CONM2 de masa concentrada con su nodo colocado en el CdG del motor para representar la masa del motor M = 0.02 Tons = 20 kg (utilizaremos siempre el sistema de unidades internacional modificado: cargas en N, longitud en mm, masa en Toneladas, densidad en Tons/mm3, y tensiones & presión en MPa). Este nodo a su vez se une al SOPORTE mediante un elemento rígido RBE3, activando únicamente los GDL de traslación en los nodos independientes, este detalle es importante.

Condiciones de Contorno

Se ha creado un elemento rígido RBE2 seleccionando todos los nodos de los cuatro agujeros que sirven para sujetar el SOPORTE a una base rígida desactivando los grados de libertad (GdL) de rotación correspondientes a los nodos DEPENDIENTES de los agujeros. En el nodo INDEPENDIENTE del centro del SPIDER RBE2 se ha prescrito la condición de empotramiento TX=TY=TZ=RX=RY=RZ=0.

Se ha optado por crear un SPIDER RBE2 usando como nodos DEPENDIENTES todos los nodos de los 4 agujeros para aplicar posteriormente de forma fácil la excitación dinámica de aceleración de la base (ENFORCED MOTION ACCELERATION) en el nodo central INDEPENDIENTE del elemento RBE2. Este planteamiento no permite obtener los esfuerzos en los tornillos ya que se han ignorado (el objetivo aquí es estudiar el SOPORTE), pero si fuera de interés obtener los esfuerzos locales para dimensionar los tornillos esto es perfectamente posible, simplemente se deben crear SPIDER RBE2 locales en cada agujero y a su vez unir todos los nodos del centro del agujero con un RBE2 global. Para obtener todos los esfuerzos en los tornillos se debe incluir un elemento CBUSH colocado entre ambos elementos RBE2 (usar MESH > CONNECT > UNZIP), con los dos nodos coincidentes colocados en el centro de cada tornillo: un nodo del CBUSH va al nodo independiente del RBE2 de cada agujero, y el otro al nodo dependiente del RBE2 global.
(Nota: En caso de que la excitación no sea un movimiento de aceleración o desplazamiento de la base sino una excitación forzada, por supuesto, no es necesario crear el spider central).

Carga de Gravedad

Usando la orden MODEL > LOAD > BODY creamos el caso de carga de gravedad aplicando al modelo completo una aceleración AZ = -1g de valor 9.81 m/s^2 (redondeando AZ=-10e3 mm/s^2).

Postprocesado de Resultados

Tras ejecutar el análisis estático lineal podemos ver que el resultado de desplazamiento máximo se localiza en el nodo CdG del motor (nodo#2) de valor URES=0.382 mm (TZ=-0.375mm), mucho menor que la limitación máxima requerida de 1 mm.

Resumen de resultados del Análisis Estático Lineal (SOL101)

También podemos comprobar que la reacción vertical RFZ=+209 N está en equilibrio con el peso del conjunto “SOPORTE de Acero de espesor 4 mm + MOTOR de 20 kg“, en total = 0.0209055 Tons = 20.9055 kg.

Resumen del Sumatorio de Masa Total

Y por último vemos que las tensiones de vonMises en el SOPORTE a nivel estructural no son elevadas para el caso de carga de peso propio AZ=-1g, la máxima tensión nodal de vonMises ronda los 130 MPa, muy por debajo de los 700 MPa de límite elástico del material. Por lo tanto, aparentemente, en lo que respecta al análisis estático lineal, el diseño del soporte cumple de forma holgada con los requisitos mínimos establecidos, tanto en desplazamiento como en tensión.

Sin embargo, como es probable que exista una carga de excitación de la base, es necesario realizar un análisis adicional del comportamiento dinámico del SOPORTE. Estudiaremos el comportamiento estructural del SOPORTE desde el punto vista dinámico, ejecutando un análisis de frecuencias y modos de vibración, así como análisis dinámico avanzado modal de respuesta en el dominio de la frecuencia como modal transitorio en el dominio del tiempo.

 

2.- Normal Modes/Eigenvalue (SOL103)

Un análisis de frecuencias naturales y modos de vibración con Simcenter Nastran (SOL103) proporciona información muy valiosa sobre el comportamiento dinámico de cualquier estructura y es un análisis obligado para cualquier investigación del comportamiento dinámico de una estructura ya que cualquier análisis dinámico avanzado se basa en el método de superposición modal, utiliza los mismos modos propios calculados mediante un análisis modal (SOL103).

Hay muchas razones por las cuales se debe realizar un análisis modal de una estructura. Una razón es conocer la interacción dinámica entre un componente y la estructura base. En muchos casos un simple análisis modal de la estructura nos va a proporcionar suficiente información para tomar decisiones de diseño importantes. Por ejemplo, en el diseño de la estructura base de un ventilador industrial se requiere que la frecuencia natural de la estructura base tenga una frecuencia natural menor del 85% o mayor del 110% de la velocidad de giro del ventilador para evitar problemas de resonancia (ruido y vibraciones). O por ejemplo conocer si la frecuencia de rotación de un ventilador amarrado al suelo de un edificio está muy cerca o lejos de alguna de las frecuencias naturales de vibración del edificio. Si las frecuencias coinciden el daño o fallo estructural del ventilador está asegurado!!. En estos casos detalles tales como el cálculo de desplazamientos o las tensiones no son necesarios de cara a evaluar la idoneidad del diseño.

También es importante realizar un análisis modal de cara al posterior análisis dinámico avanzado (análisis modal transitorio, respuesta en frecuencias, análisis de espectros de respuesta, vibraciones aleatorias, etc..) ya que sus resultados se basan en el análisis de frecuencias naturales, donde podremos conocer las frecuencias de los modos de vibración más importantes y usar esta información para seleccionar el tamaño del incremento de tiempo o valores concretos de frecuencia para realizar el análisis dinámico avanzado y obtener resultados correctos.

Los resultados del análisis dinámico muchas veces se comparan con los resultados del ensayo físico en el banco de pruebas. Pues bien, un análisis modal puede usarse como guía para el ensayo experimental. En la planificación del ensayo físico, un análisis modal puede servir para indicar la mejor posición donde colocar acelerómetros. Y tras el ensayo físico se puede utilizar un análisis modal para correlar los resultados del banco de pruebas con los resultados del Análisis por Elementos Finitos.

De igual manera, los cambios de diseño se pueden evaluar usando las frecuencias naturales y modos de vibración. Por ejemplo, se puede estimar si una modificación del diseño causa un incremento de la respuesta dinámica simplemente viendo si la frecuencia aumenta o disminuye. Y la enorme utilidad de disponer de resultados de Energía de Deformación a partir de un Análisis Modal como guía para localizar las zonas a modificar para aumentar la rigidez de la estructura. El análisis modal siempre ofrece valiosas ayudas, de una forma rápida y eficiente, sólo hay que saber leer lo que aparece en pantalla.

En resumen, que hay muchas razones para calcular las frecuencias naturales y modos de vibración de una estructura, siendo además básico y obligatorio su uso cuando se trata de resolver problemas avanzados de respuesta dinámica, como es nuestro caso.

Un resumen de los resultados obtenidos mediante el análisis estático lineal anterior es el siguiente:

  • δmax = 0.382 mm (TZ=-0.375mm)
  • σmax = 130 MPa
  • σlimit = 700 MPa

Definición del Análisis Modal

Seleccionamos el tipo de análisis 2..Normal Modes/Eigenvalue y el solver 36..Simcenter Nastran para ejecutar el análisis de frecuencias y modos de vibración (SOL103):

Participación Modal de la Masa

En un análisis de frecuencias naturales y modos de vibración es crítico conocer la fracción de masa modal efectiva y la suma de masa modal acumulada modo a modo, ya que este detalle tan importante nos permitirá saber cuántos modos deberemos incluir en cualquier análisis dinámico avanzado modal posterior, sea tanto en el dominio del tiempo como de la frecuencia.

Con el comando MEFFMASS de Simcenter NASTRAN activamos la petición de cálculo de la masa efectiva modal, factores de participación, y las fracciones de la masa efectiva modal como parte del análisis de frecuencias y modos de vibración (SOL103). La masa efectiva se calcula respecto a un nodo de referencia, el valor por defecto es el origen del sistema de coordenadas. FEMAP crea automáticamente las funciones X-Y de masa modal.

En el MODAL XYPlot recomiendo activar SUMMARY y MODAL EFFECTIVE MASS FRACTION. FEMAP escribe lo siguiente en el fichero de entrada de Simcenter Nastran:

MEFFMASS(PLOT,GRID=0,FRACSUM,SUMMARY) = YES

  • SUMMARY solicita el cálculo de la Fracción de Masa Efectiva Total (es decir, los elementos de la diagonal principal de la Matriz de Masa Efectiva Modal dividido por la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido), Matriz de Masa Efectiva Modal, y la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido.
  • FRACSUM solicita el cálculo de la Fracción de Masa Efectiva Modal. Corresponde a la Matriz de Masa Generalizada (términos de la diagonal) multiplicado por la Masa Efectiva Modal y dividido por la Matriz de Masa de Cuerpo Rígido (términos de la diagonal).

Postprocesado de Resultados

Tras ejecutar el cálculo de frecuencias naturales con Simcenter Nastran (SOL103) FEMAP crea las siguientes funciones de fracción y suma de masa modal que podemos visualizar con CHARTING.

Funciones generadas automáticamente en FEMAP

En la siguiente gráfica X-Y tenemos la SUMA DE MASA MODAL EFECTIVA por cada modo de vibración. Se aprecia que con el cálculo de los 10 primeros modos capturamos casi el 100% de la masa total del modelo, lo que significa que los resultados de cualquier análisis dinámico avanzado usando el método modal normal incluyendo los 10 primeros modos de vibración conducirán a una solución razonable y correcta de la respuesta dinámica de la estructura.

La gráfica X-Y muestra claramente que la suma de masa modal capturada con el primer modo de vibración en la dirección vertical del eje Z se eleva hasta el 88%, y que prácticamente con los 3 primeros modos de vibración ya tenemos capturada más del 90% de la masa modal en las tres direcciones principales.

En la siguiente gráfica X-Y tenemos la distribución de la FRACCIÓN DE MASA MODAL EFECTIVA por cada modo y en cada dirección. En efecto, con los 3 primeros modos ya hemos capturado prácticamente toda la masa modal del sistema, ya no queda mucho donde “rascar”.

Animación de los Modos de Vibración

El Modo#1 corresponde a la frecuencia fundamental de la estructura, es el modo de máxima energía por tanto el más importante. Es un modo de flexión a 25.3 Hz en la dirección del eje Z.

Resultados del Análisis de Frecuencias

El Modo#2 corresponde a un modo ortogonal de flexión a 33 Hz en la dirección del eje X.

El Modo#3 corresponde a un modo de flexión a 40.8 Hz en la dirección del eje Y.

Strain Energy

La Energía de Deformación (Strain Energy) es un resultado elemental disponible tras ejecutar un Cálculo de Frecuencias con Simcenter Nastran (SOL103). Es un dato muy útil de cara a obtener grandes ganancias de rigidez estructural con mínimos cambios de diseño ya que nos ayuda a localizar áreas del modelo que cambiando localmente su espesor o dimensiones de la sección transversal redunda en un aumento brutal de la rigidez de la estructura y reducción de la deformada.

La Energía de Deformación es básicamente la energía elástica almacenada en un elemento. Por ejemplo, si fijamos un muelle por un extremo y tiramos del extremo opuesto la gráfica de Fuerza vs. Desplazamiento que obtendremos será similar a la figura siguiente, siempre que estemos en régimen lineal de pequeños desplazamientos. Pues bien, el área bajo la curva se denomina Energía de Deformación Unitaria.

Curva de Carga vs. Desplazamiento

Aplicado a nuestro caso podemos ver en la siguiente imagen el Porcentaje de Energía de Deformación del SOPORTE para el Modo#1: significa que la zona en rojo almacena más del 22.7% del total de la energía de deformación del modelo completo. Incrementando el espesor localmente en la zona del redondeo (no todo el modelo) reforzando localmente sólo esa zona redundará en un aumento de rigidez notable del SOPORTE a nivel global, minimizando tanto la deformada como el aumento de peso. ¡¡FEMAP se convierte así en la mejor herramienta de diseño!!.

 

3.- Respuesta en Frecuencias (SOL111)

El análisis Dinámico Avanzado Modal de Respuesta en Frecuencias con Simcenter Nastran (SOL111) es un método eficiente para obtener la respuesta en régimen permanente a una excitación oscilatoria de carácter sinusoidal. En un análisis de respuesta en frecuencias la carga es una onda sinusoidal en la que se especifica la frecuencia, amplitud y ángulo de fase, con la excitación explícitamente definida en el dominio de la frecuencia. Las cargas pueden venir en forma de aplicación de fuerzas y/o movimientos de la base (desplazamientos, velocidades y aceleraciones). El análisis de respuesta en frecuencias está limitado al estudio de estructuras elásticas lineales. Ejemplos de excitación oscilatoria los tenemos en máquinas rotativas, neumáticos desequilibrados, palas de helicópteros, etc…

Un análisis modal de respuesta en frecuencias está gobernado por una carga variable en forma sinusoidal. La ecuación de movimiento (equation of motion, EOM) es la siguiente:

Y como la ecuación incluye fuerzas, la solución incluye resultados de desplazamientos y tensiones. Pero hay un pequeño problema: los resultados de un análisis de respuesta en frecuencias vienen en forma de magnitud y ángulo de fase.
Por ejemplo: los desplazamientos en cualquier nodo Simcenter Nastran los calcula como Uo y θ, seguidamente en FEMAP cuando postprocesamos resultados calcula la respuesta variable en el tiempo a cada frecuencia (ω) como:

Por tanto, un análisis de respuesta en frecuencias asume que la fuerza de excitación es sinusoidal y Simcenter Nastran resuelve la ecuación de movimiento en el dominio de la frecuencia obteniendo los resultados en forma de magnitud y ángulo de fase. Esto hace que la interpretación de resultados no sea sencilla y requiere entender cómo la fuerza sinusoidal interacciona con los modos de vibración a cada frecuencia.

Dependiendo del tipo de estructura y de la naturaleza de las cargas se pueden usar dos métodos numéricos diferentes en un análisis de respuesta en frecuencias: directo y modal.

  • Método Directo (SEDFREQ SOL108): resuelve las ecuaciones acopladas de movimiento en términos de frecuencia forzada.
  • Método Modal (SEMFREQ SOL111): utiliza los modos de vibración de la estructura para reducir y desacoplar las ecuaciones de movimiento (cuando no se usa amortiguamiento modal). La solución para una frecuencia forzada en particular se obtiene sumando las respuestas modales individuales, por eso es importante realizar un análisis modal previo por separado y estudiar los resultados de frecuencias y participación modal de la masa antes de ejecutar cualquier análisis dinámico avanzado. El método modal es mi favorito.

 Amortiguamiento (Damping)

El Amortiguamiento es una aproximación matemática usada para representar la disipación de energía absorbida en estructuras. El amortiguamiento es muy difícil de caracteriza correctamente ya que está causado por diversos mecanismos, incluyendo:

  • Efectos viscosos (por ejemplo, un amortiguador).
  • Fricción Externa (rozamiento en juntas y uniones estructurales).
  • Fricción Interna (característica de cada tipo de material).
  • No Linealidades Estructurales (deformación plástica, holguras).

Las causas físicas del amortiguamiento en análisis dinámico es cualquier proceso que disipe energía o reduzca la respuesta estructural por fricción interna. Las velocidades internas o desplazamientos causan fuerzas de amortiguamiento reactivas que son irreversibles y no conservativas. Como ejemplos tenemos dispositivos mecánicos tales como los amortiguadores, la histéresis interna en materiales como la goma, el rozamiento en juntas y uniones, y otros efectos no lineales tales como las deformaciones plásticas en metales.

La especificación adecuada del amortiguamiento es probablemente lo más complicado en un análisis dinámico avanzado, es difícil saber si el valor introducido es correcto desde el punto de vista físico. Por ejemplo, es relativamente sencillo verificar si la masa o la rigidez del modelo está correctamente definida, pero no es sencillo chequear la bondad del amortiguamiento utilizado.

La selección correcta del valor del amortiguamiento es relativamente poco importante para excitaciones transitorias de corta duración (por ejemplo cargas de choque, impulsos o explosiones) debido a que el pico de la respuesta ocurre durante el primer ciclo de la excitación. La especificación del amortiguamiento es más importante para excitaciones transitorias de larga duración, por ejemplo terremotos (puede haber diferencias en el pico de respuesta del orden del 10% al 20%) y es crítica para cargas que añadan energía continuamente al sistema. Por tanto, a menudo es más conservador ignorar el amortiguamiento en un análisis de respuesta transitoria.

Los cuatro tipos de amortiguamiento soportados en Simcenter Nastran son el viscoso, el estructural, el modal y el no lineal. En Análisis Dinámicos de Respuesta en Frecuencia una forma de incluir el amortiguamiento es usar el “Modal Damping“. El amortiguamiento modal es o viscoso o estructural y se aplica a cada modo por separado, por tanto en ausencia de otras fuentes de amortiguamiento las ecuaciones de movimiento permanecen desacopladas.

En el cálculo del SOPORTE atornillado a la base vamos a utilizar un 3% Modal Damping, de acuerdo con la siguiente tabla de Ratios de Amortiguamiento donde para estructuras metálicas con uniones varía entre el 3% y el 7% del amortiguamiento crítico viscoso.

Valores Representativos de Amortiguamiento Viscoso

Definimos en FEMAP la curva de Amortiguamiento Modal mediante una función del tipo “7.. Critical Damping vs. Freq.“ con un valor ζ = 3% constante entre 0 y 300 Hz:

“Viscous Damping” del 3% de Amortiguamiento Crítico, constante en todo el rango de Frecuencia

 Tabla de Frecuencias

El número de puntos de la tabla frecuencias debe ser muy denso alrededor de las frecuencias de resonancia para asegurar que la magnitud de la respuesta de pico se calcula con precisión, se debe asegurar que haya al menos entre 5 a 10 puntos alrededor de cada frecuencia de resonancia. En nuestro caso, voy a enseñaros cómo definir una tabla de frecuencia entre 0 a 50 Hz, con incremento de 1 Hz, incluyendo 5 puntos a cada lado de la frecuencia fundamental.

La siguiente animación muestra cómo crear de forma manual una tabla de frecuencias exclusivamente alrededor de la primera frecuencia fundamental de resonancia f1 = 25.29966 Hz tomando un total de 11 puntos y que se expanda un 10% alrededor de la frecuencia fundamental (al final tendremos 5 puntos a cada lado):

Y seguidamente editamos la Tabla de Frecuencias generada en el paso anterior y rellenamos los puntos de frecuencia entre 0 y 50 Hz, con incremente 1 Hz, usando la función LINEAR RAMP, así de sencillo.

El valor de la función en el eje Y es simbólico, no es ningún factor de escala, es una forma de visualizar los puntos de la tabla de frecuencias, es puramente cosmético.

Por supuesto, podemos añadir puntos en la Tabla de Frecuencias de forma individual, por ejemplo meter de forma manual el valor de la frecuencia correspondiente al resto de modos de vibración incluidos en el rango entre 0 y 50 Hz, simplemente es copiar y pegar:

Al final el aspecto de nuestra Tabla de Frecuencias entre 0 y 50 Hz es el siguiente:

 Definición del Análisis SOL111

Seleccionamos el tipo de análisis 4..Frequency/Harmonic Response y el solver 36..Simcenter Nastran para ejecutar el Análisis Dinámico Modal de Respuesta en Frecuencias (SOL111):

A continuación seleccionamos el método y el número de modos a utilizar en el análisis dinámico avanzado:
• Método: Modal
• Nº de Modos Propios: 10

En análisis dinámico avanzado la utilización de un valor elevado de modos propios produce una respuesta más exacta (a costa de un incremento en el tiempo de cálculo). El número de modos propios a considerar en el análisis debe ser lo suficientemente grande para cubrir el rango de frecuencias de interés (el término “frecuencias de interés” se refiere al rango de frecuencias cuya respuesta va a ser calculada así como al rango de frecuencias para el que se aplica la carga). Como regla general se deberá considerar un número suficiente de modos propios para cubrir un rango de frecuencias de hasta dos veces la máxima frecuencia de interés. Por ejemplo, si debemos calcular la respuesta de una excitación a 100 Hz, entonces se deberá utilizar en el cálculo de la respuesta transitoria tantos modos como sean necesarios para llegar al menos hasta los 200 Hz. Otra regla general es utilizar tantos modos como sean necesarios para cubrir un rango de entre 2 y 10 veces la frecuencia dominante de la estructura.

Seguidamente introducimos las funciones que vamos a utilizar en el análisis dinámico avanzado: la curva de amortiguamiento modal y la función con la lista de frecuencias para el cálculo.

Seguidamente definimos las cargas y condiciones de contorno del modelo: usaremos las mismas cargas y condiciones de contorno del modelo estático lineal, donde la carga aplicada es la aceleración de la gravedad redondeada a g=-10e3 mm/s2 aplicada en la dirección negativa del eje Z introducida como BODY LOAD.

Y finalmente en el NASTRAN OUTPUT REQUEST activamos qué resultados queremos obtener tras ejecutar el análisis dinámico avanzado de respuesta en frecuencias modal, básicamente desplazamientos, aceleración, reacciones, esfuerzos y tensiones en elementos. Comentar que la solución en el dominio de la frecuencia son valores complejos, así que tenemos que decidir si queremos tener magnitud y ángulo de fase, or parte real e imaginaria.

Un detalle importante es activar siempre la opción RELATIVE ENFORCED MOTION RESULTS en análisis dinámicos con excitación de la base (Enforced Motion). La respuesta de desplazamientos en valor absoluto contiene la contribución de cuerpo rígido de aceleración de la base, mientras que la respuesta de desplazamientos relativos ignora la contribución de cuerpo rígido (rigid body drift). La respuesta dinámica en tensiones y aceleraciones no está afectada al activar la opción de resultados relativos, el valor resultante es el mismo.

 Postprocesado de Resultados de Desplazamiento

Recordamos los resultados obtenidos del análisis estático lineal (SOL101) inicial:

  • δmax = 0.382 mm (TZ=-0.375mm)
  • σmax = 130 MPa
  • σlimit = 700 MPa

Así como los resultados del análisis de frecuencias (SOL103):

  • f1 = 25.3 Hz
  • f2 = 33.4 Hz
  • f3 = 40.8 Hz

La siguiente imagen muestra el máximo resultado de desplazamientos que se produce coincidiendo con la frecuencia de resonancia f1 = 25.299 Hz de valor 6.025 mm debido al factor de amplificación dinámica:

Con TOOLS > CHARTING creamos la gráfica X-Y de la respuesta de desplazamiento en el nodo#2 vs. frecuencia.

Haz clic con el botón derecho del ratón sobre la carpeta de resultados generada tras ejecutar el análisis dinámico y activa PLOT STUDY > TRANSLATION vs. Set, Z y mete el nodo#2 para generar la respuesta en frecuencia del análisis dinámico avanzado.

El gráfico X-Y muestra la respuesta de desplazamiento en traslación TZ del nodo#2 del CdG del motor en función de la frecuencia. Se observa que coincidiendo con la frecuencia natural a 25.299 Hz tenemos un desplazamiento de 6.025 mm, por lo tanto el Factor de Amplificación Dinámica (Dynamic Amplification Factor, DAF) = 6.0245/0.375 = 16 veces sobre la respuesta estática (el valor de 0.375 mm está visible en la esquina inferior izquierda a 0.0 Hz).

Nótese que el resultado TZ=0.375 mm de desplazamiento de traslación del CdG del motor (nodo#2)  obtenido para la frecuencia f=0.0 Hz coincide exactamente con el resultado del Análisis Estático Lineal (SOL101). En efecto, la frecuencia a 0.0 Hz equivalente a una solución en régimen estático.

Por lo tanto, con el requisito de mantener una deformada de menos de 1 mm en el nodo del CdG del motor, cualquier  excitación dinámica de la base con una frecuencia entre 20 Hz y 30 Hz requeriría un rediseño del soporte, la amplificación dinámica es importante.

La solución de respuesta en frecuencias obtenida es una solución compleja definida como Magnitud y Fase (con respecto a la fuerza aplicada), o real e imaginaria, que son componentes vectoriales de la respuesta.

FEMAP permite representar resultados complejos tanto en magnitud y fase como en forma real e imaginaria, añadiendo una segunda gráfica X-Y debajo de la actual. En FEMAP haz clic en el icono CHART OPTIONS para poder activar el menú COMPLEX PLOT (por defecto 0..OFF)

Además en FEMAP podemos crear un nuevo tipo de gráfico (Chart Data Series) llamado 4..Expand Complex que permite representar de forma más detallada la magnitud y ángulo de fase de resultados complejos.

En la siguiente imagen vemos el resultado obtenido de gráfica X-Y tras seleccionar el vector T3 de traslación del nodo#2 para la frecuencia fundamental de vibración de valor 25.29 Hz usando un incremento del ángulo de fase de 10º entre 0 y 360º: el máximo resultado de 6.02 mm se produce para el ángulo de fase de 90º.

Resultados de Tensiones

En cuanto a las tensiones, jugando con la orden LIST > OUTPUT > SUMMARY TO DATA TABLE obteniendo el máximo valor del modelo de cada componente elemental de la tensión vs. frecuencia y copiando el resultado en un nueva función de FEMAP podemos generar gráficos X-Y de todas las componentes de tensión máxima vs. frecuencia: queda claro que la máxima tensión elemental se produce coincidiendo con la frecuencia fundamental de resonancia a 25.3 Hz:

En la siguiente imagen he puesto un límite de 700 MPa para el valor de tensiones nodales de vonMises: por encima todo está en rojo, indicando que el material ha superado el límite elástico, la plastificación es masiva en ciertas zonas del SOPORTE. En caso de sufrir una aceleración de la base en el rango de frecuencias entre 22 y 28 Hz el SOPORTE superaría claramente la tensión admisible del material y sufriría una más que probable rotura del mismo.

En resumen, que muchas veces un análisis estático lineal no es suficiente para validar un diseño. En la realidad, las cargas nunca son 100% estáticas, todo es variable, así que es altamente recomendable estudiar la respuesta dinámica de la estructura para no llevarnos sorpresas desagradables con los Factores de Amplificación Dinámica (DAF), ya veis que con FEMAP y Simcenter Nastran todo es muy sencillo, ¿OK?.
Saludos,
Blas.

• Nuevo FEMAP V2020.1 (Noviembre 2019)

Nos complace informarte que ya está disponible para descarga desde el servidor GTAC de SIEMENS la nueva versión del software Simcenter FEMAP V2020.1 con nuevas capacidades y notables mejoras en Pre-Postprocesado y Análisis por Elementos Finitos incluyendo además la última versión disponible en el mercado del “solverSimcenter Nastran 2019.2. FEMAP v2020.1 es la última versión del software FEMAP centrada en el usuario con nuevas características y numerosas mejoras solicitadas por usuarios de todo el mundo, junto con soluciones importantes a problemas conocidos. La lista de novedades y características es la siguiente:

    • Interfaz de Usuario (GUI) y Visualización.
    • Mejoras en Geometría.
    • Mallado y Preprocesado por Elementos Finitos.
    • Postprocesado de Resultados.
    • Soporte de nuevos solvers de Cálculo por Elementos Finitos.
    • Interfaces de Geometría.

Dirección de Simcenter FEMAP

FEMAP lleva en el mercado +30 años dedicado a cubrir todas las necesidades del ingeniero experto en el Método de Análisis por Elementos Finitos (MEF).

El objetivo es la perfección y máxima eficiencia en todas las tareas MEF:

  • Creación eficiente de modelos MEF de alta fidelidad que representen con precisión los problemas de ingeniería del mundo real.
  • Interpretación intuitiva de los resultados del análisis MEF para mejorar el diseño y las prestaciones de los productos de ingeniería.

Simcenter FEMAP está construido sobre potentes capacidades para:

  • Idealización de geometría y cálculo de modelos MEF.
  • Potente mallado, creación de modelos y edición interactiva.
  • Soporte completo de los principales “solvers” MEF de la industria.
  • Herramientas API de personalización muy flexibles para agilizar los procesos de análisis.

 

RoadMap” de Simcenter FEMAP

• Lanzamiento de nuevas versiones de FEMAP cada seis meses:
la nueva versión con todas sus novedades incluirá cambio de la base de datos, actualización del interfaz de usuario, actualización de licencias, mejoras en la API (lenguaje de programación de FEMAP), todo con una cadencia de 6 meses, así que en los meses de Abril y Octubre de cada año tendremos nuevas versiones de FEMAP. Desde SIEMENS nos informan que habrá también un nuevo sistema de numeración: 2019.1, 2020.1, 2020.2, etc..

• “Intermediate Maintenance Release“, si fuera necesario:
en los meses intermedios si fuera necesario se lanzará al mercado paquetes de actualización que no incluirán cambios en la base de datos, ni en el interfaz de usuario, ni es las licencias, sólo contendrá correcciones de errores o actualizaciones críticas, con pequeñas mejoras. Se podrá actualizar FEMAP ejecutando un parche, no será necesario una instalación completa. También será posible actualizar de forma independiente el “solver” Simcenter Nastran, en caso de salir posteriormente al mercado una versión más moderna de la incluida inicialmente en el lanzamiento de FEMAP.

La siguiente imagen muestra las opciones de descarga disponibles a fecha de hoy en el GTAC de SIEMENS para Simcenter FEMAP V2020.1 donde se aprecia la existencia de las nuevas carpetas “Maintenance Packs” y “Nastran Updates“. Por cierto, nuevo MP1 disponible para descarga!!

 

1.- Novedades en Interfaz de Usuario (GUI)

Iconos

Una de las novedades que más te llamarán la atención al abrir la nueva versión de FEMAP V2020.1 son los nuevos iconos recreados con un estilo moderno, con una nueva paleta de colores para mejorar el contraste, facilitar la selección y minimizar la curva de aprendizaje del software: más de 1600 iconos nuevos!!.

  • El formato vectorial de los iconos permite que Femap sea totalmente compatible con pantallas de alta resolución (4K).
  • Para el escalado de la pantalla FEMAP ofrece soporte completo de “High DPI“.

Sistema de Coordenadas de elementos CBUSH

Ahora es posible visualizar el sistema de coordenadas de elementos CBUSH creados con la propiedad “Spring/Damper” tanto de elementos con nodos coincidentes como no-coincidentes, y controlar el tamaño del símbolo (tecla F6).

 Nuevo bloque de Color

Junto con la identificación del nº de color por cada propiedad o entidad ahora se visualiza un rectángulo relleno con el color correspondiente al nº de color seleccionado. Además, si se especifica alguna configuración para Estilo de Línea, también se mostrará debajo del “bloque de color” en el botón.

 Control de Dígitos

En “FILE > PREFERENCES > GRAPHICS” se ha agregado la sección de control de dígitos para visualizar los resultados numéricos en la pantalla gráfica. Esta sección contiene dos botones: “Regional Configuration” y “Options” que se utilizan para establecer configuraciones globales para el formato de visualización de dígitos para representar valores de números reales en la pantalla gráfica.

La opción “Digid Locale” se usa para especificar las opciones generales de Estilo, Ceros Decimales y Signo para todos los dígitos que se muestran en la ventana gráfica. Al presionar “PREVIEW“, se usará la configuración actualmente especificada en el cuadro de diálogo para modificar temporalmente la visualización de dígitos en la ventana de gráficos.

La ventana de diálogo “Digit Options” se usa para especificar el Método, Redondear a Cero y Estilo de Exponente para cualquier opción en la orden “View > Options” (tecla F6).

 

2.- Novedades en Geometría

“Synchronous Technology” en FEMAP

Una de las novedades más interesantes de la nueva versión V2020.1 es la integración en FEMAP de la tecnología SYNCHRONOUS de SIEMENS para manipular geometrías de forma fácil, directa y sencilla. En la siguiente imagen se muestra cómo FEMAP es capaz de identificar simultáneamente múltiples caras paralelas en una pieza de forma automática, no es necesario repetir la operación por cada cara.

En el MESHING TOOLBOX cuando se selecciona “Translate Surface(s)” bajo el menú desplegable “Translate Mode” tenemos disponibles diferentes modos de trabajo:

  • Default: requiere primero seleccionar un vector, opcionalmente una distancia y por último seleccionar cualquier superficie o borde de entidades.
  • Auto Normal: sólo disponible cuando “Selection Method = Surface”. Requiere primero meter una distancia en el campo “Value” y seguidamente seleccionar las superficies.
  • Interactive: primero seleccionar cualquier nº de superficies o bordes de entidades, seguido especificar un vector usando el cuadro de diálogo y pulsar OK.

La siguiente imagen muestra otro ejemplo de la integración de SYNCHRONOUS TECHNOLOGY: rotación de una parte del modelo simplemente seleccionando una cara cilíndrica del interior. Futuras mejoras: soporte de simetrías y detección de agujeros alineados y características.

Blend Removal 

  • Eliminación más robusta y mejorada de filetes y redondeos, incluidos los redondeos “escalonados”, cuando se utilizan comandos y características del MESHING TOOLBOX que están diseñados para realizar esta tarea.

Nuevas opciones para “Washer” 

  • Nueva opción de alineación “Perpendicular to Curve” al crear arandelas a través de la herramienta “Geometry Editing > Washer” del MESHING TOOLBOX, además de las ya existentes de tangente a curva, por vector y modo automático.

3.- Mallado y Preprocesado por Elementos Finitos 

Tools > Check > Mesh Interference 

Nueva orden para determinar si existe interferencia entre elementos, es decir, si un elemento pasa y/o se superpone a otro elemento. Este comando permite determinar si se está produciendo una interferencia entre elementos línea 1-D, elementos tipo área 2-D y/o sólidos 3-D, y tiene en cuenta la sección transversal de los elementos línea 1-D y el espesor de los elementos planos 2-D.

Mesh > Geometry > Solids 

Nueva opción “2..Into Model” que permite mergear los propios nodos creados durante el mallado con los nodos existentes en el modelo de elementos sólidos tetraédricos. Se diferencia de la opción “1..New Nodes” que significa que no mergea nodos de malla recién creada con nodos de la malla actualmente existente, y “3..All Nodes”, que simplemente realizaría una fusión de nodos del modelo completo.

Mesh > Edge/Sking Elements .. 

La orden ha sido mejorada para que la selección de caras y aristas de elementos ahora sea más rápida:

  • Ahora se puede seleccionar de forma inmediata las aristas libres y las caras libres de elementos.
  • Permite aplicar OFFSET en elementos 1-D CBEAM.

4.- Soporte de “solvers” de Elementos Finitos

  • Soporte mejorado de Simcenter Nastran y MSC Nastran:
    • Capacidad para manejar una elevada numeración de entidades (IDs por encima de 99,999,999)
    • Creación/lectura/escritura de “Monitor Points” (entidades MONPNT1 y MONPNT3).
    • Creación/lectura/escritura de entidades “DMIG” (entidades MONPNT1 y MONPNT3).
    • Creación/lectura/escritura de la orden “BOLTFRC” fuera de los módulos SOL401 y SOL402. Esta es la solución definitiva que corrige el problema que teníamos con FEMAP V2019 y Simcenter Nastran 2019 en análisis estático lineal (SOL101) en modelos con más de un Tornillo Sólido Pretensado (ver https://iberisa.wordpress.com/2019/09/15/tornillos-pretensados-con-elementos-solidos-chexa/)
  • Soporte mejorado de lectura/escritura de entidades con Abaqus, Ansys y LS-DYNA.

5.- Automatización de Cargas y Restricciones

 

6.- Mejoras en PostProcesado de Resultados

IsoSurface

Cuando se utiliza “Dynamic IsoSurface” se pueden visualizar únicamente los elementos que tengan un valor por debajo del valor especificado (“1..Negative Cap”) o por encima el valor especificado (“2..Positive Cap“). Esta última opción es muy útil para visualizar resultados de un Análisis de Optimización Topológica con Simcenter Nastran (SOL200).

MUY IMPORTANTE: Cambios en API

Muy importante para programadores y usuarios del lenguaje de programación (API) de la nueva versión de FEMAP V2020.1: con la llegada de los nuevos módulos de análisis No Lineal “Multi-Step” (SOL401/402) los rangos estáticos de los “OUTPUT VECTOR ID” de las versiones anteriores de FEMAP no pueden acomodar la gran cantidad de nuevos tipos de análisis y nuevos tipos de resultados que se encuentran en los múltiples módulos de análisis actuales. Para acomodar la adición continua de nuevos resultados, algunos “OUTPUT VECTOR ID” actuales se han movido a nuevos rangos de ID. Así que cuando se ejecute una API antigua en FEMAP aparecerá el siguiente mensaje de aviso:

7.- Interfaces de Geometría

Los siguientes interfaces de FEMAP v2020.1 se han actualizado para soportar los nuevos formatos de geometría:

8.- Futuros Desarrollos

La siguiente imagen muestra el camino de futuros desarrollos de Simcenter FEMAP que veremos en la próxima versión del software (primavera de 2020), sujeto a cambios!!.

9.- Enlaces Interesantes

Espero que este artículo sobre las novedades de Simcenter FEMAP V2020.1 de SIEMENS PLM os resulte útil e interesante, cualquier pregunta sobre su utilización o instalación no dudéis en consultarme, encantado de responderos – Gracias!.

Saludos,
Blas.


• 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 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 si el usuario es diligente en el sentido de verificar la bondad de los resultados enseguida se dará cuenta del error.

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

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.
../..

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.