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.