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CASO PRÁCTICO DE ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS “Carroceria estructural- Camabaja”.
Andrés Quiceno
Junio del 2012
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Agenda
¿Quienes somos?
¿Quién usa estas tecnologías?
¿Qué es la Ingeniería Inversa ?
Acerca de SolidWorks Simulation
Caso Práctico: Análisis de carrocería cama-baja
CAD 3D
SolidWorks Simulation
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¿ Quienes somos ?
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¿ Quién usa estas tecnologías?
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¿ Quién usa estas tecnologías?
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SolidWorks Simulation – Caso Práctico Carrocería Camabaja
En este caso practico, se muestran las herramientas de modelación de
estructuras de SolidWorks, y los resultados que se pueden obtener de
diferentes análisis estructurales usando el método de elementos finitos.
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Herramientas CAD
Modulo de estructuras
Detección de interferencias
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Detección de interferencias
En un ensamblaje complejo, puede ser difícil determinar visualmente si los
componentes interfieren entre ellos.
Con Detección de interferencias, se puede:
• Determinar las interferencias entre componentes.
• Visualizar el volumen real de interferencia como un volumen sombreado.
• Cambiar la configuración de visualización de los componentes que interfieren y que
no interfieren para ver mejor la interferencia.
• Seleccionar para omitir las interferencias que se desean excluir, como los
taladros de ajuste forzado, las interferencias de cierres roscados, etc.
• Elegir la inclusión de interferencias entre sólidos dentro de una pieza multicuerpo.
• Elegir el tratamiento de un subensamblaje como un componente único, de manera
que las interferencias entre los componentes del subensamblaje no se notifiquen.
• Distinguir entre las interferencias de coincidencia y las interferencias estándar.
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Se podría corregir el modelo para hacer el análisis, pero se prefiere hacer
nuevamente el modelo empleando el modulo de estructuras.
El modelo enviado tiene inicialmente 92 interferencias, las cuales se deben
corregir para realizar el análisis de elementos finitos.
Detección de interferencias
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Modulo de estructuras
Para modelar la estructura empleando el modulo de estructuras se realizaron los
siguientes pasos:
1. Creación de los perfiles
2. Agregarlos a la librería de perfiles de pieza soldada
3. Crear el croquis 3D
4. Seleccionar las líneas y el tipo de miembro estructural de la librería.
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1. Creación de los perfiles 2. Agregarlos a la librería de perfiles de
pieza soldada
http://www.youtube.com/watch?v=aANcqKSS2Fo&feature=plcp
Para tener una guía sobre la creación de la librería de perfiles personalizados,
puede consultar el siguiente link:
Modulo de estructuras
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3. Crear el croquis 3D
La funcionalidad Piezas soldadas permite diseñar una estructura de piezas soldadas
como una única pieza. Los croquis 2D y 3D sirven para definir la estructura básica, a
continuación, se crean miembros estructurales que contengan grupos de segmentos de
croquis.
Modulo de estructuras
4. Seleccionar las líneas y el tipo de miembro
estructural de la librería.
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Modulo de estructuras
Vista explosionada de piezas multicuerpo.
Lista de piezas con cantidad y longitud.
http://www.youtube.com/watch?v=SfRuit6pyRw&feature=plcp
Puede consultar más información:
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Modulo de estructuras
Algunas Ventajas del modulo de estructuras de SolidWorks:
El modelo final no tiene interferencias. (Facilita el análisis mediante el MEF)
Para futuros modelos no es necesario crear los perfiles, ya que forman parte de la
librería.
Documentación: Lista de piezas, lista de soldaduras, longitud de piezas….
Vista explosionada de piezas multicuerpo
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Alcance de SolidWorks Simulation
Caida Estático
Frecuencia
Térmico
No lineal
Fatiga
Optimización
Análisis Dinámico
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Acerca de SolidWorks Simulation
Las soluciones del producto COSMOS han sido elegidos por más de 15.000 empresas y entidades
educativas de todo el mundo, que se cree han hecho de COSMOS el
software de análisis de elementos finitos más utilizado en el mundo.
Structural Research and Analysis Corporation (SRAC) es una filial de Dassault Systèmes S.A.
(Nasdaq: DASTY, Euronext Paris: #13065, DSY.PA) y miembro de la NAFEMS (National Agency for
Finite Element Methods and Standards). SolidWorks Simulation ofrece software de ingeniería
asistida por computador (CAE), soluciones que van desde el análisis de esfuerzos y deformaciones
hasta los análisis más complejos, incluidos los análisis de impacto, respuestas dinámicas, estudios
no lineales, fatiga, transferencia de calor, dinámica del fluido, materiales compuestos, entre
otros. SRAC ha sido un desarrollador de software líder e innovador de elementos finitos,
optimización y simulación de productos desde 1982.
MENTOR GRAPHICS
Mechanical Analysis Division
Structural Research & Analysis
Corporation (SRAC) HISTORY:
1995: SRAC – COSMOSM
2001: SRAC – DS
2003: SRAC – SW
2010: SW SIMULATION
MSC.Software
Dynamics Module
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1- Seguridad al volcamiento
2- Resistencia mecánica de la cama baja
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
4- Dinámica, comportamiento no lineal
Herramientas CAE
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Cama Baja de 40 TONS
Material: Acero estructural A36
Modelamiento:
Se simplifica el ensamblaje de la cama-baja, conservando solo los componentes estructurales que deben soportar la carga.
Se asume la distribución de carga uniforme en la plataforma de la cama baja.
Se realizan análisis donde se considera la acción del peso de la carga de 40 TON.
Consideraciones para los análisis
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Las propiedades de la librería de materiales del Software de
diseño DS SolidWorks, son tomadas del "Metals Handbook Desk
Edition (2nd edition)", ASM International.
Material
Acero estructural A36
Consideraciones para los análisis
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Configuración del estudio
Restricción fija Carga aplicada
40 Toneladas. Carga distribuida
CONDICIONES DE FRONTERA
DISCRETIZACIÓN MATERIAL
Acero estructural A36
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Pandeo
1- Seguridad al volcamiento
Valor BLF (factor de seguridad) Estado del pandeo Notas
1 < BLF Pandeo no previsto Las cargas aplicadas son menos que las cargas
críticas calculadas. No se espera el pandeo.
0 < BLF < 1 Pandeo previsto Las cargas aplicadas superan las cargas críticas
calculadas. Se espera el pandeo.
BLF = 1 Pandeo previsto Las cargas aplicadas son exactamente iguales a
las cargas críticas calculadas. Se espera el
pandeo.
BLF = -1 Pandeo no previsto El pandeo se produce cuando se deshacen todas
las direcciones de las cargas aplicadas. Por
ejemplo, si una barra se encuentra bajo el efecto
de una carga de tracción, el BLF debe ser
negativo. La barra no se pandeará.
-1 < BLF < 0 Pandeo no previsto Se predice el pandeo si se invierten todas las
cargas.
BLF < -1 Pandeo no previsto No se predice el pandeo aún si se revierten todas
las cargas.
El factor de carga crítica de pandeo (BLF, por su sigla en inglés) es el factor de seguridad
contra el pandeo o la relación de las cargas de pandeo con respecto a las cargas
aplicadas. La siguiente tabla ilustra la interpretación de los valores BLF posibles:
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Pandeo
1- Seguridad al volcamiento
En la tabla de resultados se aprecia que:
Los coeficientes de seguridad de pandeo al tener valores mayores a 1, y menores a
-1, indican que las cargas críticas asociadas a cada modo o manera de pandear no
generan situaciones de inestabilidad elástica.
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2- Resistencia mecánica de la cama baja
En este estudio se analiza la estructura de la cama-baja, diseñada para una
carga de 40 toneladas, la cual esta compuesta de diferentes elementos
estructurales soldados.
Se emplean elementos solidos tetraédricos de segundo orden para realizar el
análisis.
Formas de simplificar este tipo de
estudios, optimización de los
resultados, realizar diferentes
escenarios de diseño, son algunas
herramientas poderosas de SolidWorks
Simulation, que permiten afianzar las
decisiones del diseño de estructuras,
el manejo de estas herramientas y las
bases del análisis de elementos finitos
están contempladas en la capacitación
de análisis de elementos finitos.
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Análisis Estático - Tensión de Von Mises
2- Resistencia mecánica de la cama baja
El esfuerzo máximo de Von Mises que se presenta en la estructura de 10E6MPa,
valor que esta muy por encima del limite elástico del material, se encuentra
concentrado en la zona de sujeción señalada en la imagen.
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Análisis Estático - Desplazamientos
2- Resistencia mecánica de la cama baja
El desplazamiento
máximo se presenta en
la zona en voladizo de
la estructura ,
presentando un valor
de 29100mm.
Este valor de desplazamiento nos indica que se debe realizar un análisis no lineal para
verificar el comportamiento de la estructura.
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Análisis Estático - Deformaciones
2- Resistencia mecánica de la cama baja
Las deformaciones máximas se presentan en la zona donde se soporta la
estructura, en la parte posterior.
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El análisis estático lineal supone que
las relaciones entre las cargas y la
respuesta inducida es lineal. Por
ejemplo, si duplica la magnitud de las
cargas, la respuesta (desplazamientos,
deformaciones unitarias, tensiones,
fuerzas de reacción, etc.) también se
duplica.
Análisis Estático NO LINEAL
2- Resistencia mecánica de la cama baja
Todas las estructuras reales se comportan de forma no lineal de uno u otro modo en
algún nivel de la carga.
En algunos casos, el análisis lineal puede ser adecuado. En muchos otros, la
solución lineal puede producir resultados erróneos debido a que se violan las
suposiciones sobre las que se basa. La no linealidad puede ser provocada por el
comportamiento del material, los grandes desplazamientos y las condiciones de
contacto.
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Análisis Estático NO LINEAL - Tensión de Von Mises
2- Resistencia mecánica de la cama baja
El esfuerzo máximo de Von Mises que se presenta en la estructura de 17E6MPa,
valor que esta muy por encima del limite elástico del material, y realmente es
superior al valor hallado en el estudio estático.
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Análisis Estático NO LINEAL - Tensión de Von Mises
2- Resistencia mecánica de la cama baja
Distribución de esfuerzos de von Mises en concentrador
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Análisis Estático NO LINEAL - Desplazamientos
2- Resistencia mecánica de la cama baja
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Análisis Estático NO LINEAL - Deformación unitaria
2- Resistencia mecánica de la cama baja
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Un sólido alterado de su posición de descanso tiende a vibrar a ciertas
frecuencias denominadas naturales o resonantes. Para cada frecuencia
natural, el sólido adquiere una determinada forma denominada forma modal. El
análisis de frecuencia calcula las frecuencias naturales y las formas modales
asociadas.
La resonancia es la respuesta excesiva que se produce cuando un sólido está
sujeto a una carga dinámica que vibra en una de sus frecuencias naturales. Por
ejemplo, un automóvil con una rueda mal alineada tiembla violentamente
cuando alcanza una determinada velocidad a causa de la resonancia. El
temblor, en cambio, disminuye o desaparece a otras velocidades. Otro ejemplo
es el de un sonido fuerte, como la voz de un cantante de ópera, que puede
romper un cristal.
El análisis de frecuencia le ayuda a evitar la resonancia mediante el cálculo
de frecuencias resonantes.
Frecuencia
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
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3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
Frecuencia- Resultados
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Frecuencia - Formas modales
Modo 1- 2.8735 Hz Modo 2- 6.4895 Hz
Modo 3- 8.8251 Hz Modo 4- 8.89434 Hz
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
Ver los videos de los modos de frecuencia
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Las cargas y descargas repetidas debilitan los objetos a lo largo del tiempo,
incluso cuando las tensiones inducidas son considerablemente inferiores a
los límites de tensión permitidos. El análisis de fatiga evalúa los efectos de
las cargas cíclicas sobre el modelo.
Fatiga
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
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Fatiga
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
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Fatiga
3- Frecuencia, fatiga, durabilidad
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Utilice análisis dinámicos cuando haya que tener presentes los
efectos de inercia o amortiguación. Puede realizar un análisis
dinámico lineal y no lineal de sistemas sujetos a entornos de
carga dinámica, incluidas las excitaciones de la base.
El análisis dinámico lineal se basa en frecuencias naturales y
formas modales. Calcula la respuesta de la estructura mediante la
adición de contribuciones de distintos modos. Puede crear
estudios de historia-tiempo modal, estudios armónicos y de
vibración aleatoria.
El análisis dinámico no lineal maneja materiales no lineales,
condiciones de contacto y grandes desplazamientos.
Análisis dinámicos
4- Dinámica, comportamiento no lineal
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Participación de masa (Normalizada) Número de modos Frecuencia(Hertz) Dirección X Dirección Y Dirección Z
1 2.8868 3.5687e-008 4.8125e-005 0.67239
2 6.4683 1.326e-006 0.017987 0.0012442
3 8.8465 0.00017682 0.41637 0.016412
4 8.9629 8.3186e-005 0.25869 0.024508
5 11.062 0.00028907 0.0014892 7.3706e-005
6 11.327 1.0848e-006 1.3002e-005 0.029848
7 13.859 8.2628e-006 0.00023854 0.00013403
8 16.449 4.2556e-005 2.369e-007 0.037168
9 21.374 0.00084906 0.0043586 0.017096
10 21.558 2.5218e-006 0.04629 0.0013477
11 28.16 0.00079237 8.7877e-006 0.0095604
12 29.989 0.022268 0.00065591 0.0005381
13 30.389 0.00062523 0.00010964 0.0031104
14 30.929 0.021968 0.0014769 0.00042013
15 31.239 0.032212 0.0016118 1.7253e-005
Sum X = 0.079321 Sum Y = 0.74935 Sum Z = 0.81387
4- Dinámica, comportamiento no lineal
Las relaciones de participación de masa son importantes para determinar la conveniencia de los
modos calculados para resolver problemas dinámicos con movimiento de base. Muchos códigos
requieren que al menos el 80% de la masa del sistema participe en determinadas direcciones
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EDRAWINGS – INFORME WORD
Resultados
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SolidWorks Simulation Conclusiones
En este documento se mostraron algunos de los resultados que
entregan diferentes tipos de estudios a realizar en análisis
estructural, utilizando el software SolidWorks Simulation 2012.
Esta presentación se complementa con el informe que genera
SolidWorks Simulation automáticamente en formato Word. En este
se incluyen diferentes parámetros necesarios para realizar un
estudio adecuado de la cama-baja y verificar la validez del análisis
realizado.
El criterio necesario para analizar estos resultados depende de la
pericia y experiencia del ingeniero, por lo que en la capacitación se
analizan diferentes situaciones comunes en diferentes ramas de la
ingeniería.
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Cada vez mas cerca….
Bogotá D.C | Carrera 11A No. 93A-62 Oficina 303 Parque de la 93
Teléfono/Fax: (+57-1) 742 6638
Envigado (Antioquia) | Calle 35 Sur No. 43A-31 Oficina 201
Teléfono/Fax: (+57-4) 332 1032
www.ategroup.biz
www.solidworks.com
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www.rapidform.com
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