Últimamente recibo muchas consultas de usuarios de FEMAP interesados en realizar Análisis Dinámicos Avanzados (tal como respuesta en frecuencia o vibraciones aleatorias) incluyendo el efecto de precarga en tornillos y contactos superficie-a-superficie que impida la penetración de unas piezas en otras (me alegro, se ve que está subiendo mucho el nivel de exigencia de los cálculos entre nuestros usuarios, ánimo!!). Esta capacidad de precargar tornillos y definir contactos está soportada desde hace tiempo en el software de cálculo por Elementos Finitos Simcenter NASTRAN, el problema lo tenemos en FEMAP, la versión actual de FEMAP V2020.2 todavía no tiene los menús ni el procedimiento automatizado (workflow) en el interface de usuario para crear modelos dinámicos avanzados incluyendo la precarga en tornillos. Según los americanos esta capacidad la tendremos disponible pronto en la siguiente versión de FEMAP V2021, que llegará al mercado mundial en unos pocos meses.
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!!.
He grabado un vídeoexplicando 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 V2019.1 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 estará corregido en la siguiente versión del software FEMAP V2020.1 que saldrá al mercado el próximo mes de Noviembre de 2019. Si el usuario es diligente en el sentido de verificar la bondad de los resultados del Análisis por Elementos Finitos enseguida se dará cuenta del error.
Os he preparado un vídeo muy completo sobre cómo calcular con FEMAP y NX NASTRAN las tensiones de vonMises de Zunchado (también conocido como “Snap-Fit“, “Press-Fit“, “Interference-Fit“, “Overlapping“, etc..) por contacto lineal “superficie-a-superficie” que se producen en el montaje de piezas eje-agujero en donde el diámetro del agujero es ligeramente menor que el diámetro del eje. El zunchado se puede realizar por presión (“Press-Fit“) o utilizar un calentador por inducción para dilatar suficientemente la pieza hembra y proceder el montaje sin esfuerzo. Finalmente el conjunto se deja enfriar hasta la temperatura ambiente, garantizando una unión perfecta. El Zunchado por presión (“Press-Fit“) únicamente se puede resolver mediante análisis no lineal avanzado (SOL601/701), aquí os voy a enseñar únicamente cómo simular las tensiones de contacto por zunchado térmico mediante un sencillo análisis estático lineral (SOL101).
Método-1: INTERFERENCIA “EXPLÍCITA”
En el ejemplo propuesto se trata de estudiar las tensiones de zunchado entre un eje de Acero y un casquillo de Nylon. El radio del eje es 0.05 mm mayor que el radio del agujero, y la geometría de base para el mallado presenta dicha interferencia de forma “explícita”.
En la siguiente imagen definimos los parámetros MINDi y MAXDi correspondientes a la mínima y máxima distancia de búsqueda en la cual el solver NX NASTRAN determina inicialmente si la distancia entre caras de elementos pertenecientes a las regiones de contacto “source” y “target” están dentro del umbral para crear elementos de contacto. Estos valores se utilizan sólo una vez, y al principio del análisis estático lineal (SOL101), y sirven para determinar dónde se deben crear inicialmente elementos de contacto. La mínima distancia debe ser negativa y ligeramente mayor del valor de la interferencia, tomaremos por ejemplo MINDi=-0.5mm. Por supuesto, en este caso utilizamos el parámetro INIPENE=0, así el contacto se evalúa tal como se ha modelizado …
Os recuerdo cómo funcionan los contactos lineales en NX NASTRAN: el solver proyecta normales a partir de las caras de los elementos pertenecientes a la región origen (“source” o “slave“) y mira a ver si alguna de esas normales intersecta con caras libres de elementos de la región destino (“target” o “master“). Si la normal proyectada intersecta con una cara de un elemento, y la distancia entre las dos caras está dentro del rango definido por los valores MINDi y MAXDi, entonces se crea un elemento de contacto. Recordar también que el análisis SOL101 se usa en problemas lineales con pequeños desplazamientos y deformaciones, por tanto el nº de elementos de contacto creados inicialmente permanece constante para el resto del análisis, no se actualiza con cada iteración de contacto.
La siguiente imagen muestra la deformada (exagerada!!) y las tensiones de vonMises (MPa) de zunchado obtenidas mallando con elementos lineales 3-D sólidos hexaédricos CHEXA de 8-nodos (bajo orden): la calidad de los resultados tanto de tensiones como desplazamientos deja mucho que desear!!.
La siguiente imagen muestra la deformada (exagerada!!) y las tensiones de vonMises (MPa) de zunchado obtenidas mallando con elementos parabólicos 3-D sólidos hexaédricos CHEXA de 20-nodos: la calidad de los resultados es excelente!!.
Y finalmente la siguiente imagen muestra la deformada (de nuevo exagerada!!) y las tensiones de vonMises (MPa) de zunchado obtenidas mallando con elementos parabólicos 3-D sólidos tetraédricos de alto orden CTETRA de 10-nodos: sorprende la calidad de los resultados, prácticamente al nivel de los elementos hexaédricos CHEXA de 20-nodos!!.
Método-2: OFFSET
El parámetro OFFSET es una opción de las regiones de contacto que permite tener en cuenta una capa rígida que exista entre caras de elementos en contacto. Puede tener diversas aplicaciones, por ejemplo, pensemos en un modelo que tenga dos superficies metálicas en contacto y una de ellas tenga un revestimiento cerámico. Si la rigidez del material cerámico no es lo bastante significativa como para incluirla en el análisis, entonces no es necesario discretizarla, pero el espesor que añade la capa cerámica a la cara metálica pude ser importante cuando se resuelva el problema de contacto.
La distancia OFFSET también se utiliza para estudiar interferencias en problemas de zunchado cuando se modelizan como caras coincidentes. El valor del OFFSET es precisamente el zunchado o interferencia de contacto entre cuerpos. La ventaja es que tanto el radio del eje como del anillo es exactamente el mismo, pudiendo estudiar rápidamente el efecto de diferentes valores de zunchado si necesidad de modificar la geometría ni mallar de nuevo, toda una ventaja!!. Por supuesto, en este caso utilizamos el parámetro INIPENE=3, así eliminamos interferencias no deseadas …
La siguiente imagen muestra la deformada (exagerada!!) y las tensiones de vonMises (MPa) de zunchado obtenidas mallando con elementos lineales 3-D sólidos hexaédricos CHEXA de 8-nodos considerando un OFFSET = 0.05 mm: la calidad de los resultados es excelente, y el tiempo de cálculo y los recursos de memoria RAM utilizados mínimos!!.
EN RESUMEN …
En la siguiente tabla tenéis compiladas las pruebas realizadas: a destacar la buena precisión de los resultados obtenidos por el elemento tetraédrico parabólico CTETRA de 10-nodos de NX NASTRAN, a costa claro está del tiempo de cálculo y consumo de recursos de memoria RAM, y por supuesto la grata sorpresa del uso del parámetro OFFSET en regiones de contacto que ofrece grandes posibilidades para “jugar” con diferentes valores de zunchados, y le saca partido al uso de elementos lineales CHEXA de 8-nodos sin apenas penalizar la precisión de los resultados, manteniendo una velocidad de cálculo elevada y reducidos recursos de memoria RAM — una joya!!.
Número
de Nodos y
Elementos
URES
máx.
(mm)
vMises
máx.
(MPa)
Tiempo
de
Cálculo
HEX8
15875 nodos
13213 elem.
(46000 gdl)
0.0845
21.2
0:1:15
HEX20
60708 nodos
13213 elem.
(177500 gdl)
0.0527
11.01
0:4:45
TET10
91654 nodos
61328 elem.
(268950 gdl)
0.0527
10.54
0:7:0
HEX8 +
OFFSET
15875 nodos
13213 elem.
(46000 gdl)
0.0529
10.71
0:0:25
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.
Hola!,
El parámetro “INIPENE” es parte del algoritmo de Contacto Lineal “Superficie-a-Superficie” del solver NX NASTRAN (SOLs 101, 103, 111 y 112) y se usa para controlar el contacto entre regiones que inicialmente se deberían tocar limpiamente sin intereferencias pero que por la naturaleza facetada del mallado por elementos finitos (especialmente en zonas curvadas) algunas caras de elementos pueden tener una ligera penetración (“overlap“) o separación (“gap“) no deseada, sobre todo cuando se usan mallas groseras no cuadráticas (elementos de bajo orden) y nodos no coincidentes.
En la siguiente imagen se muestra la orden BCTPARM que utilizamos en FEMAP y NX NASTRAN para definir la propiedad de contacto lineal “superficie-a-superficie” entre componentes. El parámetro INIPENE nos ofrece las siguientes posibilidades:
0,1..Calculated (valor por defecto): El contacto lineal “superficie-a-superficie” entre componentes se evalúa exactamente tal como se ha mallado la geometría. No se realizará ninguna corrección en caso de existir penetraciones o holguras (“gaps“) entre elementos. Así, por defecto, si existe una interferencia inicial (“overlap“) entre un nodo “contact source” y un segmento “contact target” entonces NX NASTRAN “resolverá” la penetración existente ejecutando las iteraciones de contacto que sean necesarias (hasta un máximo especificado por el parámetro MAXS, por defecto 20). Si la penetración inicial es involuntaria el efecto que se produce es la aparición de “baches” en los bordes del elemento que causan concentraciones de tensiones locales en el análisis de contactos. Esta opción es la más adecuada para definir contactos entre caras planas.
2..Calculated/Zero Penetration: Las penetraciones iniciales se eliminan, es decir, se hace un “reset” de la penetración a una nueva condición inicial en la cual no existen interferencias.
3..Zero GAP/Penetration: Tanto las penetraciones como las holguras iniciales se eliminan, es decir, se hace un “reset” de holguras y penetraciones a una nueva condición inicial en la cual no existen interferencias. Esta opción es la más adecuada para contactos entre superficies curvadas.
La siguiente imagen muestra los efectos por penetraciones iniciales no deseadas: aparición de concentración de tensiones locales muy severas, de carácter artificial, que caso de sumarse a las tensiones por cargas de servicio desvirtuarán por completo los resultados obtenidos mediante un análisis por elementos finitos con contactos “superficie-a-superficie“, así que ojo!! — ¿OK?.
En el siguiente vídeo tenéis explicado un simple ejemplo donde se muestra el uso correcto del parámetro INIPENE para evitar efectos no deseables en el análisis de problemas de contacto lineal “superficie-a-superficie” — espero que os sirva!!
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Hola!,
Más de una vez los usuarios de FEMAP y NX NASTRAN me han hecho la siguiente pregunta: ¿Cómo realizar un análisis dinámico de frecuencias (SOL103) de un ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” entre piezas permitiendo que los componentes se desplacen entre sí pero que no penetren unos con otros?. Con NX NASTRAN no hay problema: el solver permite realizar lo que se conoce como un “pre-stiffness modal analysis” a través del comando STATSUB calculando la matriz de rigidez diferencial que incluye la matriz de contacto (función ya disponible en NX Nastran V5.0 desde Abril 2007, ver http://www.iberisa.com/productos/nxnastran/nx_nastran_v5.htm).
MODOS NORMALES
Las siguientes imágenes corresponden a los primeros modos de vibración del ensamblaje sin considerar ningún tipo de contacto, se aprecia la existencia de penetración libre entre componentes.
Mode#1 = 1190.027 Hz
Mode#3 = 1456.516 Hz
MODOS CON CONTACTO
En las siguientes imágenes se muestran animados los modos de vibración #1 y #3 del ensamblaje considerando el contacto “superficie-a-superficie” sin penetración. Además de evidenciarse una forma del modo diferente, el valor numérico de la frecuencia (Hz) de los modos con contacto es notablemente superior (f1=1728 Hz con contacto vs. f1=1190 Hz sin contacto), por tanto a igualdad de masa se demuestra que la rigidez es superior en el modelo considerando el contacto “superficie-a-superficie“.
Mode#1 = 1728.475 Hz
Mode#3 = 2377.522 Hz
El procedimiento aquí explicado abre la puerta a realizar cálculos de frecuencias (SOL103) considerando no sólo contacto “superficie-a-superficie”, sino también ver el efecto de las cargas de tracción o compresión en el comportamiento modal de la estructura, capturando el efecto de rigidización por tensión (stiffening effect) o debilitamiento por cargas de compresión (softening effect).
En el siguiente vídeo explico la forma de hacerlo en FEMAP V10.3, espero que os sirva!!.
Últimamente recibo muchas consultas de usuarios de FEMAP interesados en realizar Análisis Dinámicos Avanzados (tal como respuesta en frecuencia o vibraciones aleatorias) incluyendo el efecto de precarga en tornillos y contactos superficie-a-superficie que impida la penetración de unas piezas en otras (me alegro, se ve que está subiendo mucho el nivel de exigencia de los cálculos entre nuestros usuarios, ánimo!!). Esta capacidad de precargar tornillos y definir contactos está soportada desde hace tiempo en el software de cálculo por Elementos Finitos Simcenter NASTRAN, el problema lo tenemos en FEMAP, la versión actual de FEMAP V2020.2 todavía no tiene los menús ni el procedimiento automatizado (workflow) en el interface de usuario para crear modelos dinámicos avanzados incluyendo la precarga en tornillos. Según los americanos esta capacidad la tendremos disponible pronto en la siguiente versión de FEMAP V2021, que llegará al mercado mundial en unos pocos meses.
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.
Femap y Simcenter Nastran 