FEMAP Stress Linearization Tool

En FEMAP tenemos una herramienta muy potente y valiosa para interpretar resultados de tensiones en modelos 3-D sólidos mediante la técnica de “Linealización de Tensiones” de acuerdo con la norma “ASME Section VIII, Division 2, Annex 5.A: Linearization of Stress Results for Stress Classification“, un código para recipientes a presión aceptado mundialmente que ofrece recomendaciones para el postprocesado de tensiones a partir de los resultados de un modelo de Elementos Finitos. El enlace de descarga es el siguiente: FSLT.zip (224 KB)

Una vez instalada la herramienta, abre FEMAP, carga un modelo sólido con resultados, haz clic en el ejecutable “*.exe” y verás que se abre un panel emergente a la derecha del modelo donde podrás seleccionar el set de resultados e introducir dos nodos para calcular la linealización de tensiones (siempre seleccionar primero el nodo interior y después el nodo exterior). El programa asume que las tensiones están calculadas en el sistema de coordenadas Global Cartesiano, no soporta tensiones en elementos sólidos calculadas en cualquier otro sistema de coordenadas de referencia.

Introducción a la Clasificación de Tensiones

El método de linealización de tensiones desarrollado en ASME VIII-2 nació para dar explicación a los diferentes tipos de tensiones que se producen en los recipientes a presión y que tienen diferente implicación en la seguridad del componente. Se observó que las tensiones de flexión son menos peligrosas que las tensiones de membrana, y que las tensiones locales en zonas de transición geométrica pueden ser mucho mayores que las tensiones globales (más de 2 veces!!). A pesar de los avances en Elementos Finitos el análisis de tensiones en recipientes a presión es todavía una tarea compleja, considerar únicamente las tensiones nodales máximas de vonMises no es correcto.

Línea de Clasificación de Tensiones, SCL

En el Método de Elementos Finitos (MEF) los resultados de tensiones en un modelo continuo mallado con elementos sólidos se obtiene una distribución de tensiones total. Por tanto, para producir tensiones de flexión y membrana la tensión total se debe linealizar en componentes básicas de la tensión y usarlas para calcular la tensión equivalente. En cambio, con elementos 2-D Shell las tensiones de flexión y membrana se obtienen directamente como resultados de tensión.

Una Línea de Clasificación de Tensiones (Stress Classification Line, SCL) es una línea recta que va desde el interior al exterior del componente, perpendicular tanto a la superficie interior como exterior. La siguiente imagen muestra diferentes ejemplos de Líneas de Clasificación de Tensiones (SCL) en modelos 3-D y 2-D planos Axisimétricos:

La siguiente imagen muestra algunas recomendaciones para crear correctamente SCL: deberán estar orientadas de forma perpendicular a las líneas de contorno de la componente de tensión de mayor magnitud. Sin embargo, como esto es muy complicado de implementar, se puede obtener una precisión similar orientando la SCL perpendicular a la superficie media de la sección transversal.

La herramienta de linealización de tensiones toma las tensiones nodales a lo largo de la línea y las divide en las siguientes componentes:

  • Tensión de Membrana, o tensión media (Membrane Stress): es siempre positiva, y no se puede decir si la tensión media es de compresión o de tracción (como ocurre con la tensión de Treska o de von-Mises). La tensión de membrana es habitualmente igual a la tensión admisible del código en áreas globales y 1.5 en áreas locales.
  • Tensión de Flexión (Bending Stress): es la diferencia de tensión entre el interior y el exterior.
  • Tensión de Membrana + Flexión: (Membrane + Bending): es la suma de los dos valores numéricos anteriores. El código ASME permite que la tensión de membrana + flexión sea mayor que la tensión de membrana sólo. En algunas zonas locales, la tensión de membrana + flexión puede ser mayor que el límite elástico del material.
  • Tensión de Pico (Peak Stress): es la tensión máxima a lo largo de la SCL. Es siempre positiva, pero no necesariamente mayor que la tensión de Membrana + Flexión. La Tensión de Pico habitualmente se usa para determinar la vida a fatiga en la SCL.

La siguiente imagen muestra las componentes de tensión de membrana, flexión y de pico de una distribución de tensiones 3-D a partir de los resultados de un modelo de elementos finitos mallado con elementos sólidos:

El programa “FEMAP Stress Linearization Tool” linealmente interpola las seis componentes de la tensión 3-D en múltiples puntos a lo largo de SCL. Calcula la Tensión de Membrana en los puntos de interpolación basado en la fórmula 1/t del documento ASME VIII-2. También calcula la Tensión de Flexión, que sólo usa la tensión en el plano perpendicular a SCL. Si se activa la opción “Full Component Bending” (ONse usan todas las componentes de la tensión, si no se activa (OFF) solo se usan las componentes en el plano. La Tensión de Flexión se calcula con la fórmula 6/t^2 del documento. La Tensión de Membrana + Flexión también se plotea a lo largo de la SCL, así como otros valores clave.

El programa “FEMAP Stress Linearization Tool” funciona con FEMAP V10.3.1 y FEMAP V11.0.X en adelante. Cada vez que selecciones dos nodos, o cambies de OUTPUT SET, o cambies cualquier otra opción, se actualiza automáticamente tanto el gráfico X-Y como los resultados, y una copia de los resultados se envía al PORTAPAPELES, así que si haces un PEGAR podrás ver lo siguiente:

La siguiente figura muestra un ejemplo de aplicación de la linealización de tensiones en modelos de Elementos Finitos mallados con elementos sólidos 3-D:

Si quieres saber más sobre Linealización de Tensiones te recomiendo visitar la web de Pressure Vessel Engineering en la siguiente dirección: http://www.pveng.com/FEA/FEANotes/NutsBoltsStress/NutsBoltsStress.php

También te recomiendo visitar la comunidad 3-D SIMULATION – FEMAP FORUM de SIEMENS donde tienes más información así como posibles actualizaciones sobre la herramienta FEMAP Stress Linearization Tool.

Saludos,
Blas.

53.- SINE VIBRATION MODAL FREQUENCY RESPONSE DYNAMIC ANALYSIS – ENFORCED MOTION

Últimamente veo que hay bastante interés en Análisis de Vibraciones ya que recibo bastantes consultas al respecto, tanto peticiones de empresas para realizar servicios de cálculo e ingeniería como consultas de usuarios finales y clientes de FEMAP, así que utilizando la última versión de FEMAP V11.1 (todavía en fase BETA) y aprovechando que ya incorpora internamente la última versión del solver de Análisis por Elementos Finitos NX NASTRAN V9.0 –¡¡con novedades muy interesantes en Análisis Dinámico Avanzado!!– voy a enseñaros a resolver un sencillo problema de Análisis Modal Dinámico de Respuesta en Frecuencias (SOL111) también conocido como “Sine Frequency Swept“, es decir, barrido en frecuencias seno.

FREQ-RESPONSE

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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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48.- CATAMARÁN DE ALTA VELOCIDAD Mallado y Analizado con FEMAP y NX Nastran

Gary Davidson, Senior Director del Dpto. de Estructuras de la empresa Revolution Design (Australia) nos explica en este vídeo cómo el uso de FEMAP y NX NASTRAN ha sido clave en el Diseño, Mallado y Análisis por Elementos Finitos de un Catamarán de alta velocidad.

CATAMARAN_small

foto_catamaran_small

catamaran_bottom_small

Saludos,
Blas.

Datos de Contacto de IBERISA (Spain)

41.- FEMAP MIDSURFACE MODELING: Método “OFFSET”

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:

Midsurface Auto
xxxx Surface(s) Selected…
Examining Surfaces…
Extracting Mid-Surfaces…
Removing Duplicates…
Intersecting Mid-Surfaces…
Identifying Unnecessary Mid-Surfaces…
Deleting Unnecessary Mid-Surfaces…

  • 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.

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 y exclusivo para nuestros clientes de IBERISA.

Saludos,
Blas.

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.

Femap Tips and Tricks: Model Bounding Box

Hola!,
En este vídeo descubrimos un nuevo truco de FEMAP que explica cómo determina el programa el valor de la tolerancia de “mergeado” o cómo calcula la escala de la deformada, todo es función de la diagonal del “Model Bounding Box“, un cubo virtual 3D que abarca el modelo de elementos finitos por completo. Ya sabéis, es importante no colocar nodos en el infinito ….

Saludos,
Blas.