• BREAKOUT Modeling in FEMAP (GLOBAL-to-LOCAL Analysis)

Breakout Modeling es un concepto que permite evaluar tensiones en un pequeño detalle o porción de una pieza (LOCAL o SOURCE MODEL) a partir de los resultados de desplazamientos del conjunto o ensamblaje completo (GLOBAL o TARGET MODEL). Los dos modelos de Elementos Finitos pueden contener mallas completamente diferentes, tanto de tipo (2-D ó 3-D) como de forma (2-D Shell CQUAD4, 3-D Solid CHEXA, etc..). FEMAP ofrece diferentes opciones para “mapear” datos e interpolar resultados desde el modelo global al modelo local.

El Workflow a seguir con la técnica del Breakout Modeling es el siguiente:

  • El primer paso es analizar la estructura global usando una malla relativamente grosera, y obtener los resultados de desplazamientos y tensiones típico de cualquier análisis estructural, lineal y no lineal.
  • Seguidamente creamos el modelo BREAKOUT, es decir, cortamos una porción del modelo global donde queremos obtener al detalle la concentración de tensiones existente en la zona más crítica. Aquí usaremos una malla muy refinada para capturar cualquier detalle de la geometría real.
  • El siguiente paso es “mapear” los resultados de desplazamientos desde el modelo global y aplicarlos como condiciones de contorno de desplazamiento (enforced displacements) en los planos de corte del modelo BREAKOUT.
  • Finalmente calcular el modelo para evaluar tensiones.

Usos del Breakout Modeling

Se recomienda el uso del Breakout Modeling por las siguientes razones:

  • Crear una malla muy refinada de la estructura completa pueda resultar muy “cara” y costosa en términos de prestaciones, excesivo tamaño del modelo y requisitos de hardware (memoria RAM) elevados, especialmente en análisis no lineal.
  • Una malla global muy refinada (y por consiguiente un tamaño de modelo muy elevado) pueda aumentar de forma significativa el tiempo de cálculo de cara a realizar variantes y modificaciones del diseño.
  • Cuando la evaluación de tensiones deba realizarse con el modelo existente (con malla grosera).
  • Resulte difícil localizar por adelantado las zonas críticas del modelo, ya que muchas veces no es obvio.

En resumen, si tras ejecutar el Análisis por Elementos Finitos de un gran modelo descubres durante el postprocesado y examen de resultados que existe una zona de especial interés en la cual has utilizado una malla grosera, la mejor alternativa frente a rehacer el modelo y crear una malla más refinada a nivel global es la técnica de BREAKOUT MODELING aplicada exclusivamente a la zona de interés local.

Este concepto funciona muy bien porque incluso con una malla global relativamente grosera el Método de Elementos Finitos ofrece una precisión excepcional en la predicción del campo de desplazamientos en un modelo estructural (¡¡la convergencia en desplazamientos está prácticamente casi siempre asegurada!!). Debido a que el modelo local presenta una malla muy refinada se pueden obtener resultados de tensiones y deformaciones unitarias con una muy elevada precisión en base a las derivadas del campo de desplazamientos, OK?.

Breakout Modeling Workflow

1.- En primer lugar creamos el modelo de la estructura usando una malla grosera. Lo interesante de esta técnica es que el modelo global puede estar muy simplificado, podemos ignorar perfectamente cualquier tipo de detalle en la geometría (tales como pequeños agujeros, redondeos, radios de acuerdo, etc..) ya que la malla grosera utilizada en el modelo global no es lo suficiente refinada para capturar los pequeños detalle de la geometría real.

modelo-global

2.- Seguidamente ejecutamos el análisis por elementos finitos del modelo global con malla grosera para obtener el campo de desplazamientos y tensiones resultantes. Nos interesa estudiar la concentración de tensiones máximas que se produce en la cambio de sección de la pieza, donde además existe un radio de acuerdo de valor muy pequeño.

resultados-modelo-global

3.- El siguiente paso es crear el Breakout Modeling tras identificar (basándonos en los resultados de tensiones del modelo global) las zonas críticas de interés. En el ejemplo siguiente nos interesa conocer la concentración de tensiones local que se produce en el radio de acuerdo, para lo cual partimos el modelo global y nos quedamos con una geometría reducida alrededor del redondeo.

breakout-modeling

4.- Mallamos el modelo local con una malla muy refinada de excelente calidad a base de elementos 3-D Sólidos CHEXA de 8-nodos, dividiendo la superficie del radio de acuerdo con 8 elementos, lo cual nos asegura capturar perfectamente la concentración de tensiones que se produzca en el súbito cambio de geometría.

mesh-quality

breakout-mesh

5.- A continuación en FEMAP procedemos a “mapear” resultados del modelo global al modelo local utilizando la orden “Model > Load > Map Output from Model ..“. Para que el proceso funcione correctamente tanto el modelo global (SOURCE) como el modelo local (TARGET) deberán estar abiertos simultáneamente en la misma sesión de FEMAP. Además, en el modelo global (SOURCE) se deberá crear un grupo de elementos con los resultados a “mapear” en los nodos o elementos del modelo local (TARGET).

mapping-displacements

Seguidamente FEMAP nos indicará que seleccionemos los nodos sobre los cuales queremos “mapear“, es decir, interpolar el campo de desplazamientos del modelo global en el modelo local, seleccionando las superficies de corte del modelo BREAKOUT. Los resultados de desplazamientos del modelo global pasarán a ser las condiciones de contorno de desplazamientos “no-nulos” (es lo que se conoce como “enforced displacements“) que utilizaremos como cargas para calcular el modelo local y obtener el campo de tensiones resultantes.

prescribed-enforced-displacements

6.- Y finalmente tras ejecutar el análisis del modelo local pasamos a postprocesar los resultados de desplazamientos y tensiones. Vemos que la máxima tensión nodal de vonMises en el modelo global era de 17.14 MPa, mientras que ahora en el modelo local obtenemos un valor máximo de 32.9 MPa, ¡casi el doble!.

vonMises-stress

Esta técnica de “mapeado” de resultados Global-to-Local de FEMAP tienes múltiples aplicaciones y usos, por ejemplo las temperaturas obtenidas en un cálculo de Transmisión de Calor con NX Nastran (SOL153) o en un análisis de Fluidos (CFD) con FEMAP/FLOW pueden ser cargas en un modelo estructural mallado con diferente tipo de elemento y/o diferente densidad de malla para obtener las tensiones térmicas provocadas por el campo de temperaturas obtenidas por interpolación entre ambos modelos.

map-output-from-model

Aquí os dejo un vídeo donde explico el procedimiento paso-a-paso, espero que os sirva para utilizar la orden correctamente y os resulte útil e interesante!!.

Saludos,
Blas.

Datos de Contacto de IBERISA (Spain)

51.- Thermal Coupling Tutorial

Hello!,
This is my first tutorial fully written on english, then I beg your pardon for any sintax error or mistake I made have — thanks!.

In the following link you have a FEMAP & NX NASTRAN Tutorial explained step-by-step dealing with Thermal Coupling of Steady-State Heat Transfer Finite Element Analysis from CHIP to PCB (Printed Circuit Board) with GLUE Surface-to-Surface Thermal Contact and Orthotropic Material Properties:

http://www.iberisa.com/soporte/femap/termico/Heat_Transfer_from_Chip_to_PCB.htm

I have created in FEMAP the following picture that explains the problem very well:

MODELO

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35.- EJEMPLOS DE APLICACIÓN: ORBEA Rallon X10

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!!.

Saludos,
Blas.

22.- MALLADO CON ELEMENTOS HEXAÉDRICOS (HEX Meshing-III)

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.

 

Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito para nuestros clientes de IBERISA.

Saludos,
Blas.

Descargar vídeo (216 MB, 26 min.): http://www.megaupload.com/?d=NTXYZXCV

4.- Mallado con Elementos Hexaédricos (HEX Meshing-II)

Hola!,
En esta nueva entrada trato de explicar los conceptos básicos del mallado con hexaedros en FEMAP V10.2, a veces es mejor empezar por lo más sencillo para asegurarnos que se entienden bien las cosas.

Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito para nuestros clientes de IBERISA.

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Blas.

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3.- Mallado con Elementos Hexaédricos (Hex Meshing-I)

Hola!,
En este vídeo explico cómo preparar la geometría en FEMAP V10.2 para mallar con elementos sólidos 3D hexaédricos CHEXA de 8-nodos. Es fundamental dominar la técnica de mallado con elementos “brick” CHEXA y obtener mallas de buena calidad porque permiten conseguir la máxima precisión de los resultados con el menor tamaño de modelo posible.

Mallas Hexaédricas 3D (Hex Meshing)

En análisis estático lineal mallar con elementos “brick” CHEXA de 8-nodos es importante en comparación con los elementos tetraédricos CTETRA de 10-nodos, se obtiene mayor precisión de los resultados y tanto el tamaño del modelo como el tiempo de cálculo es mucho menor, pero en Análisis No Lineales o en Análisis Dinámicos Avanzados el uso de elementos hexaédricos es “crítico”, aquí no vale cualquier malla como en análisis estático lineal, la calidad debe ser máxima, la malla debe presentar la menor distorsión posible y no vale tener un modelo con digamos un millón de elementos ya que el manejo de la base de datos es imposible. En este tipo de análisis el tamaño en MBytes y número de GDL del modelo debe ser el menor posible, así que el uso de elementos tetraédricos es prácticamente prohibitivo (en problemas de contacto el tiempo de cálculo se alarga una eternidad), mientras que los elementos sólidos de alto orden CHEXA de 20-nodos son perfectos (y utilizando el parámetro “ELCV=1” podemos convertir los elementos “brick” de 20-nodos en 27-nodos con el módulo No Lineal Avanzado SOL601/701, cuyo uso es altamente recomendado en problemas de contacto!!), permiten conseguir rápidamente la convergencia de la solución, el tiempo de cálculo es reducido y la precisión del análisis máxima.

Diferentes Tipos de Elementos Sólidos 3-D Hexaédricos “CHEXA” de NX Nastran V7.1

En resumen, siempre que la geometría lo permita se debe mallar con elementos hexaédricos CHEXA con mínimo 8-nodos y olvidarse de los tetraedros CTETRA de 10-nodos. La clave está en preparar rápidamente la geometría CAD para que el mallado hexaédricos sea práctico y rápido. En este vídeo trato de explicar cómo hacerlo en FEMAP V10.2, espero que os sirva!!.

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Saludos,
Blas.

Descargar vídeo (217 MB, 35 min.): http://www.megaupload.com/?d=84XWNTGV