En esta serie de cinco vídeos se muestran las tareas típicas de Preprocesado y preparación de la geometría así como el mallado por Elementos Finitos con FEMAP V12 de un típico panel rigidizado con nervios longitudinales perteneciente a la industria aeronáutica. Las tareas de preparación del modelo usando el MESHING TOOLBOX de FEMAP incluyen la limpieza de la geometría a partir del modelo CAD 3D Sólido, la idealización geométrica consistente en la creación de MIDSURFACES, el mallado con elementos 2-D Shell CQUAD4 de 4-nodos, y el mallado alternativo de los rigidizadores con elementos viga 1-D CBEAM de 2-nodos.
En 1882 Heinrich Hertz resolvió el problema del contacto entre dos cuerpos elásticos con superficies curvas. Esta relevante solución clásica supone el fundamento para problemas más modernos de la mecánica de contacto. Los principios de la mecánica de contacto pueden ser aplicables en áreas como el contacto rueda-carril, mecanismos de acoplamiento, embragues, sistemas de frenos, neumáticos y rodamientos deslizantes, motores de combustión, articulaciones, juntas, remodelaciones, estudio de materiales, soldadura por ultrasonidos, contactos eléctricos y muchos otros. Los desafíos actuales en este campo incluyen desde la verificación de resistencia entre elementos de contacto y la influencia de la lubricación y el diseño de material en la fricción y el desgaste. Otras aplicaciones de la mecánica de contacto se amplían al campo de la micro y nanotecnología.
“Midsurface Modeling” se denomina así el proceso de extracción de la superficie media entre dos caras paralelas de la pared de un sólido con el objetivo de preparar la geometría para mallar con elementos Shell 2-D CQUAD4 en orden a reducir la complejidad del modelo y aumentar la precisión y exactitud del Análisis por Elementos Finitos.
Es un recurso muy potente, versátil y de máxima importancia, particularmente en análisis avanzados (lineales y no lineales) donde, por ejemplo, sería imposible abordar un problema de Análisis No Lineal Dinámico Transitorio Implícito (SOL601,129) con cientos de steps en caso de mallar con elementos sólidos tetraédricos CTETRA, el tamaño de la base de datos sería enorme, probablemente cientos de Gigas, habría que disponer de cientos de GB de memoria RAM para poder abrir el modelo debido al enorme tamaño de la base de datos resultante. Por esta razón es crítico conocer bien cómo crear superficies medias de forma rápida y eficiente para mallar con elementos Shell CQUAD4, en la práctica profesional del experto analista son los elementos más utilizados.
En FEMAP existen numerosas funcionalidades para la creación más o menos automática de superficies medias, las dos más importantes son:
“Geometry > Midsurface > Automatic…“: agrupa en un mismo comando las tres órdenes siguientes de creación semi-manual de una superficie media: Generate, Intersect y Cleanup. La orden solicita que se introduzca una distancia máxima de búsqueda de pares de superficies, crea las superficies medias, las recorta y borra los trozos que sobran.
Las tareas que lleva a cabo esta orden son las siguientes:
“Geometry > Midsurface > Offset Tangent Surfaces…“: se utiliza preferentemente sólo con sólidos de espesor constante. La orden pide seleccionar una cara, busca todas las que sean tangentes en base a una tolerancia dada y genera la superficie media. Tiene una peculiaridad muy importante: las superficies medias generadas con el método OFFSET ya están “cosidas“, todas forman un único cuerpo, lo cual facilita el posterior mallado.
La utilización de una u otra orden dependerá en general del tipo de geometría de partida. Por ejemplo, en el siguiente modelo CAD 3-D sólido existe una intersección en T que condiciona como más adecuado el uso del método “Automatic” en vez de “Offset“.
La siguiente imagen muestra la malla generada a base de elementos Shell 2-D CQUAD4. Sobre dicha malla se representa el reparto de la calidad de los elementos utilizando el parámetro de distorsión de la malla ALTERNATE TAPER (se considera fallo cuando Q4_TAPER > 0.5) que en general es el parámetro de control de distorsión de la malla más exigente de NX Nastran con los elementos Shell CQUAD4.
La siguiente imagen muestra la distribución de la calidad de la malla en el modelo de elementos finitos utilizando el parámetro de distorsión de los elementos en base a la relación de aspecto (ASPECT RATIO, AR). Se considera fallo cuando el valor máximo es AR > 10.
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Hola!,
Es un lujo poder combinar la ingeniería y el placer por los Elementos Finitos usando FEMAP y NX NASTRAN con el amor por la bicicleta de montaña MTB, todo ello se ha visto reunido en este “ejercicio de ingeniería” realizado con la ORBEA Rallon X10, una máquina perfecta para practicar la especialidad Enduro en MTB con descensos rápidos en la montaña.
La siguiente imagen muestra la malla por elementos finitos del cuadro a partir del modelo CAD 3-D utilizando elementos Shell 2-D CQUAD4 y elementos sólidos 3-D CHEXA de 8-nodos. La capacidad de FEMAP de creación automática de superficies medias (midsurfacing) a partir de modelos sólidos es vital a la hora de afrontar el mallado con elementos Shell de componentes de pequeño espesor y gran longitud. Masivamente he utilizado la capacidad de FEMAP y NX NASTRAN de unir mallas incompatibles Shell-Sólido mediante la opción “GLUE edge-to-face” y mallas no coincidentes Sólido-Sólido con “GLUE Face-to-face“, lo cual ofrece una total libertad de mallado y permite concentrarnos en obtener mallas de máxima calidad y mínima distorsión. El uso de elementos hexaédricos permite reducir el tamaño del modelo al máximo manteniendo una elevada precisión de resultados a un coste muy reducido gracias a las capacidades de mallado hexaédrico de FEMAP (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).
La siguiente imagen muestra el detalle de la unión entre elementos sólidos Tetraédricos 3-D CTETRA de 10-nodos y elementos viga 1-D CBEAM utilizando elementos rígidos RBE2: es un recurso muy interesante que utilizo muy a menudo para reducir el tamaño del modelo en componentes que actúan como una viga, trabajando masivamente a flexión (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).
En la imagen siguiente se muestra de forma comparativa la malla y la geometría de base que hace posible ese mallado tan precioso. Las claves para conseguir mallas de buena calidad son tres: partir, partir y partir!!. Es vital particionar correctamente la geometría, en FEMAP se pueden seguir múltiples caminos para conseguir una malla de calidad, los conceptos son básicos, siempre lo mismo, por eso es importante practicar y aprender bien el concepto ya que las posibilidades son numerosas.
Utilizando mallas sólidas a base de elementos hexaédricos CHEXA de 8-nodos se consiguen dos objetivos: excelente calidad de resultados (especialmente en problemas de contacto) y reducido tamaño del modelo, vital de cara a realizar análisis dinámicos tanto lineales como no lineales (haz click en la imagen para verla en su tamaño completo).
Y por último os dejo un detalle más de mallado: los agujeros en FEMAP no son un problema, podemos incluirlos perfectamente en cualquier malla local con total precisión, tenéis disponibles recursos muy potentes tales como “WASHER” y “PAD” tanto en el MESHING TOOLBOX para actualizar la malla de forma interactiva como en “Geometry > Curve – From Surface“. Las órdenes “Split Point-to-Point“, “Split Point-to-Edge“, etc.. son muy valiosas para dividir la geometría de forma rápida, ¿OK? — a disfrutar!!.
Hola!,
Los elementos CWELD/CFAST se utilizan en FEMAP para definir uniones estructurales del tipo soldaduras punto-a-punto y uniones roblonadas o remachadas en modelos de Elementos Finitos para resolver con NX NASTRAN.
A pesar de existir numerosas formas de modelizar uniones estructurales y remaches en NX NASTRAN (por ejemplo mediante elementos CBUSH o CBAR, o elementos rígidos RBE2) los elementos CWELD/CFAST son en general más fáciles de usar, menos propensos a cometer errores y su formulación siempre satisface la condición de invarianza de cuerpo rígido, así que os invito a utilizar este elemento lo más posible.
PROPIEDADES DE CWELD/CFAST
El elemento CWELDes básicamente un elemento de cortadura del tipo viga flexible de longitud L y sección transversal de diámetro D, tal como muestra la siguiente figura:
Representación del Elemento CWELD
MALLAR CON CWELD/CFAST
FEMAP permite crear difrentes tipos de elementos CWELD/CFAST, desde el clásico nodo-a-nodo hasta las opciones más avanzadas entre elementos y/o “patch” de nodos.
Elem to Elem (ELEMID): la soldadura se define entre un elemento Shell y otro elemento Shell, indicando manualmente la posición de la soldadura y el método de Proyección o Eje.
Elem to Elem Vertex (ELEMID): la soldadura se define entre un elemento Shell y un nodo de otro elemento Shell, indicando manualmente la posición de la soldadura y el método de Proyección o Eje.
Elem Vertex to Elem Vertex (ALIGN): la soldadura se define entre un nodo de un elemento Shell y otro nodo de un elemento Shell.
Patch to Patch (ELPAT): la soldadura se define del mismo modo que el método Elemento a Elemento. La diferencia está en que NX NASTRAN calculará si el diámetro de la soldadura abarca elementos adicionales, en cuyo caso conectará los nodos de esos elementos adicionales a la soldadura.
Prop to Prop (PARTPAT): la soldadura se define entre todos los elementos de una propiedad Shell a todos los elementos de otra propiedad Shell y la posición se debe definir manualmente.
Nodes to Nodes (GRIDID): la soldadura se define entre un nº de nodos (máximo 8) en elementos Shell a otro nº de nodos (máximo 8) en elementos Shell, y la posición de la soldadura se define manualmente usando el método de Proyección o Eje.
Nodes to Elem Vertex (GRIDID): la soldadura se define entre un nº de nodos (máximo 8) en elementos Shell a otro nodo de un elemento Shell, y la posición de la soldadura será perpendicular al nodo seleccionado.
Elem to Elem (CFAST, ELEM): Este método es exclusivo para elementos CFAST, el pasador se define desde un elemento Shell a otro elemento Shell, indicando manualmente la posición de la soldadura y el método de Proyección o Eje.
Prop to Prop (CFAST, PROP): Este método es exclusivo para elementos CFAST, el pasador se define entre todos los elementos de una propiedad Shell a todos los elementos de otra propiedad Shell y la posición se debe definir manualmente.
Y en el siguiente vídeo te explico lo básico para manejar elementos CWELD/CFAST con FEMAP y NX NASTRAN.
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Hola!, En esta última entrega de Tutoriales sobre el mallado en FEMAP V10.3 de modelos sólidos con elementos “brick” 3-D hexaédricos CHEXA de 8-nodos os voy a explicar un par de trucos que yo utilizo muy a menudo para mallar geometrías de revolución cuando falla el método automático con el siguiente mensaje de error:
Mesh Size on Solid 1 Solid(s) Selected… Computing Mesh Sizes… Solid 1 can not be hex meshed. Unable to identify the surfaces for the base and top of the mesh.
PREPARACIÓN DE LA GEOMETRÍA
En la imagen siguiente os muestro cómo preparar la geometría para realizar una malla 2-D paramétrica del tipo “plot-only” (también se conoce como “seed meshing”) de excelente calidad que sirva de base a la malla 3-D utilizando las técnicas de partir geometría con “Split Point-to-Edge” y “Curve Washer“:
MALLADO 2-D “PLOT-ONLY”
En la siguiente imagen tenéis la malla 2-D del tipo “Plot-Only” que servirá de base a la malla 3-D sólida hexaédrica, controlando que los paámetros más importantes de distorsión de la malla tales como JACOBIAN y ASPECT RATIO tengan unos valores lo más pequeño posible:
MALLADO 3-D HEXAÉDRICO
Utilizando la orden “Mesh > Revolve > Element” creamos una malla 3-D hexaédrica por rotación de la malla 2-D alrededor del eje de revolución un ángulo de 90º.
La malla resultante tiene una calidad excelente, con una distorsión mínima en la zona de mayor interés del redondeo creando elementos hexaédricos “bricks” de 8-nodos perfectamente construidos, mientras que en la zona próxima al eje de revolución se crean prismas triangulares “wedges” de 6-nodos:
ASOCIACIÓN MALLA + GEOMETRÍA
Y por último sólo nos queda utilizar la orden “Modify > Associativity > Automatic ..” para asociar la malla sólida 3-D con la geometría sólida (puntos, curvas, superficies y sólidos):
FEMAP nos ofrece un resumen con los detalles de la operación de asociar la malla con la geometría, el resultado es perfecto, a efectos prácticos es lo mismo que si hubiéramos mallado directamente el sólido ya que podemos aplicar cargas y condiciones de contorno directamente a la geometría — qué fácil, ¿eh?.
Automatic Associativity 21375 Element(s) Selected… 1 Solid(s) Selected… Attaching to Solid 1… 25 Nodes associated with Point(s). 464 Nodes associated with Curve(s). 4018 Nodes associated with Surface(s). 18744 Nodes associated with Solid(s). 21375 Elements associated with Geometry.
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Hola!,
Cuando tenemos superficies con geometría complicada (o simplemente no regular) las opciones de mallado automático 2D “por defecto” en general no nos permiten conseguir mallas con elementos CQUAD4 de buena calidad, es entonces cuando debemos utilizar los recursos avanzados de mallado 2D. Este vídeo enseña cómo utilizarlos.
La orden “Mesh > Mesh Control > Approach On Surface ..” se utiliza en FEMAP para especificar el tipo de malla a crear en una superficie. Normalmente, si no se especifica ningún método, FEMAP decide si crear una malla libre (free mesh) o una malla estructurada (mapped mesh). Esta orden le permite al usuario tomar el control de la situación y crear mallas mapeadas de buena calidad…
MAPPED – FOUR CORNER
Este método de mallado 2-D permite crear una malla mapeada entre cuatro esquinas de una superficie, el orden de selección de puntos puede ser arbitrario.
La siguiente figura muestra las cuatro esquinas seleccionadas de una superficie. Para que FEMAP cree una malla mapeada es requisito imprescindible que la suma de elementos especificados en las curvas exteriores sea igual al nº de elementos en las curvas interiores. Este requisito es clave, si el nº de divisiones no coincide entonces FEMAP crea una malla libre.
No es obligatorio seleccionar los puntos de la superficie, FEMAP automáticamente realiza esta tarea por el usuario, lo cual es muy útil en superficies con numerosas curvas como en la siguiente figura:
En el vídeo adjunto podréis aprender cómo definir mallas utilizando el método “Mapped-Four Corner” y generar mallas como la siguiente:
MAPPED – THREE CORNER
Esta opción es similar al método “Four Corner Meshing Approach“. La malla resultante puede estar creada completamente a base de cuadriláteros, pero dependiendo de la geometría puede presentar elevada distorsión en ciertas zonas.
MAPPED – THREE CORNER FAN
Este método es similar al “Three Corner Meshing Approach”, la diferencia es que la malla resultante contiene únicamente triángulos en la primera esquina seleccionada.
CURVATURE-BASED MESH REFINEMENT
Existe un parámetro en la orden “Mesh > Mesh Control > Size On Surface..” denominado “Curvature Based Mesh Refinement” que permite reducir automáticamente el tamaño del elemento en superficies con elevada curvatura.
La siguiente imagen es el resultado de activar la función de refinado de malla basado en la curvatura, en el vídeo adjunto explico cómo hacerlo:
QUAD EDGE LAYERS
Existe un parámetro en la orden “Mesh > Geometry > Surface..” denominado “Quad Edge Layers” que permite especificar el nº de capas de elementos CQUAD4 que FEMAP tratará de crear en cada curva del contorno de una superficie.
La siguiente imagen muestra la malla resultante de combinar la orden WASHER con QUAD EDGE LAYERS = 2
Por supuesto, combinando las diferentes técnicas de mallado 2-D de superficies de FEMAP explicadas anteriormente podemos crear una malla “chula” como la de la figura, con la mínima distorsión de la malla posible — con imaginación!!:
En el siguiente vídeo explico las técnicas avanzadas de mallado 2-D de FEMAP V10.2 — espero que os sea útil!.
En esta serie de cinco vídeos se muestran las tareas típicas de Preprocesado y preparación de la geometría así como el mallado por Elementos Finitos con FEMAP V12 de un típico panel rigidizado con nervios longitudinales perteneciente a la industria aeronáutica. Las tareas de preparación del modelo usando el MESHING TOOLBOX de FEMAP incluyen la limpieza de la geometría a partir del modelo CAD 3D Sólido, la idealización geométrica consistente en la creación de MIDSURFACES, el mallado con elementos 2-D Shell CQUAD4 de 4-nodos, y el mallado alternativo de los rigidizadores con elementos viga 1-D CBEAM de 2-nodos.
Limpieza de la Geometría:
Femap y Simcenter Nastran 