DropTest, Análisis de Choque en
COSMOS/DesignSTAR 2006
(Febrero-2006)
El estudio del choque contra una superficie en COSMOS/DesignSTAR 2006 permite evaluar el efecto del impacto de una pieza o ensamblaje contra una superficie plana rígida o flexible. Una aplicación típica es el estudio del choque de un objeto contra el suelo en caída libre. El programa calcula automáticamente las cargas de impacto y gravitacionales considerando contacto entre componentes. Soporta materiales lineales elásticos isotrópicos y modelos de materiales no lineales tales como el modelo de plasticidad de vonMises. Por defecto utiliza formulación de grandes desplazamientos, pero se puede activar la formulación de pequeños desplazamientos si todos los materiales se comportan de forma elástica lineal, es decir, el material no incurre en deformación plástica.
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| Choque contra el suelo de unos prismáticos considerando el contacto entre componentes | Distribución de tensiones von Mises tras chocar contra un suelo rígido |
La definición de un problema de choque en caída libre se puede hacer de dos formas:
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Se define la altura de caída (h), la aceleración de la gravedad (g) y la orientación del plano de impacto. El programa calcula la velocidad (v) en el momento del impacto a partir de la fórmula V=(2gh)1/2. El cuerpo o ensamblaje se mueve en la dirección de la gravedad como un cuerpo rígido hasta que impacta con la superficie de choque. |
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Alternativamente se define la velocidad (v) en el momento del impacto, la aceleración de la gravedad (g) y la orientación del plano de impacto. El programa calcula la región de impacto en base a la dirección de la velocidad (v) en el momento del impacto. |
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| Posición del plano de impacto en caso de especificar la altura de caída (h) | Posición del plano de impacto en caso de especificar la velocidad (v) en el momento del impacto |
El módulo DropTest resuelve el problema dinámico en el dominio del tiempo considerando las fuerzas de inercia (gravedad y fuerza de impacto), el amortiguamiento y las fuerzas elásticas. Hay dos clases de métodos básicos para integrar directamente las ecuaciones en el dominio del tiempo: métodos implícitos y métodos explícitos. Los métodos explícitos no requieren ensamblar o descomponer la matriz de rigidez, una característica muy interesante que ahorro tiempo de cálculo. Sin embargo, requieren utilizar un incremento de tiempo menor que un cierto valor crítico para que la solución sea convergente. Este incremento de tiempo crítico es típicamente muy pequeño.
Los esquemas de integración directa "explícitos" dan resultados aceptables con incrementos de tiempo en general uno o dos órdenes de magnitud mayores que el incremento de tiempo crítico requerido por los métodos de integración explícitos. Sin embargo requiere un cálculo intensivo para cada paso de la solución.
El módulo DropTest de COSMOS/DesignSTAR 2006 utiliza métodos de integración explícitos para resolver los problemas de choque. Automáticamente estima el incremento de tiempo crítico basado en el tamaño del elemento más pequeño y utiliza un valor menor para prevenir divergencias de la solución. Para evitar tener elementos muy pequeños se recomienda suprimir pequeños detalles del modelo o utilizar controles locales de mallado para prevenir la generación automática de elementos muy pequeños. El programa internamente ajusta el incremento de tiempo según progresa la solución. Para ayudar a la convergencia de la solución se recomienda utilizar una buena transición de malla. El programa monitoriza el balance de energía y el calculador termina cuando el balance de energía indica divergencia de la solución. En base a los resultados de la máxima tensión vonMises o de las fuerzas de contacto entre componentes se puede predecir si existirán fallos del material o separación entre piezas.
La siguiente imagen muestra el impacto contra el suelo de unos binoculares cayendo de una altura de cerca de 1 m. El cálculo tiene activada la opción de "Large displacements" y se desea estudiar el comportamiento del ensamblaje un tiempo de 800 milésimas de segundo tras el impacto. Se considera el contacto entre componentes
