Soporte al Usuario de COSMOS/™ -- Nota Técnica Nº S2
ANALISIS ESTATICO LINEAL DE UN ENSAMBLAJE DE SOLIDWORKS
Productos: COSMOS/Works para SolidWorks
Versión: Todas las Versiones
Categoría: Preprocesado, Análisis y Postprocesado
Ultima revisión: Diciembre-2001
Análisis de Tensiones y Desplazamientos de un conjunto de piezas ensambladas en SolidWorks. La geometría de partida se crea de forma interactiva con SolidWorks. A continuación el usuario puede realizar tantas simulaciones (llamadas "estudios") como desee sometiendo al sistema mecánico a diferentes estados de carga y condiciones de contorno, o "probar" el comportamiento de la estructura con diferentes materiales y así conocer su resistencia real sin necesidad de construir numerosos y costosos prototipos físicos.
Aspecto de la ventana de COSMOS/Works
Descripción
El "Assembly" de SolidWorks se ha mallado con elementos sólidos TETRA4 de 4-nodos y 3 gdl/nodo (UX, UY & UZ), resultando un modelo de Elementos Finitos con más de 61.000 elementos, 13925 nodos y más de 41000 Grados de Libertad (o ecuaciones) a resolver. El tamaño máximo del elemento utilizado es de 4 mm, pero mediante la técnica de mallado AccuStress™ el usuario de COSMOS/Works puede mallar automáticamente con elementos de muy reducido tamaño aquellas zonas que por tener cambios geométricos o curvaturas severas presenta concentraciones de tensiones importantes.
Otra característica avanzada de COSMOS/Works explotada en este trabajo ha sido la capacidad de mallar ensamblajes considerando contacto entre componentes utilizando elementos GAP de contacto/fricción que impiden que una pieza penetre en otra, pero permite que se separen libremente.
La siguiente figura muestra las anteriores prestaciones del programa, así como el aspecto general de la malla utilizada donde se aprecia la transición de malla en las zonas más críticas de contacto entre componentes:
Detalle del Modelo de Elementos
Finitos
Propiedades del Material
Todos los materiales se han considerado del mismo tipo, Acero aleado de las siguientes propiedades (unidades Sistema Internacional: Newton, m2):
Material Name:Alloy Steel
Description: Acero Aleado
Unit System: SI
| Property Name | Value |
|---|---|
| Elastic modulus in x | 205939649995.542450 |
| Poisson's ratio in xy | 0.280000 |
| Shear modulus in xy | 79433864998.280655 |
| Thermal expansion coef in x | 0.000013 |
| Mass density | 7747.253500 |
| Thermal conductivity in x | 50.230222 |
| Specific heat | 469.361570 |
| Tensile strength | 723825894.489333 |
| Yield strength | 620422615.561571 |
Cargas y Condiciones de Contorno
Se ha modelizado la mistad del conjunto, aplicando la correspondiente condición de contorno de simetría (desplazamiento normal al plano de simetría = 0).
También se ha restringido el movimiento en UX=UY=UZ=0 en el tornillo de anclaje a la base, y se ha utilizado una condición de contorno especial en coordenadas cilíndricas aplicada al eje de giro que está unido a la base, impidiendo el desplazamiento axial y radial, dejando libre el movimiento circunferencial.
Se ha aplicado una carga de 500 N en sentido horizontal (Eje-Z) en la "uña".
Análisis
| Quality: | Draft |
| Number of Elements: | 61194 |
| Number of Nodes: | 13925 |
| Solver Type: | Direct |
| Quality: | Draft |
Resultados de Tensiones
Las siguientes imágenes muestran los resultados de tensiones von Mises (MPa) vistos en planta y un detalle del tornillo de anclaje, así como la animación en formato .AVI de la distribución de tensiones resultantes:
Vista en Planta de la Distribución de tensiones von Mises en el Conjunto
Distribución de Tensiones en la Base del Tornillo
Corte por un plano horizontal que permite ver la
distribución de
tensiones von Mises en la sección
Resultados de Desplazamientos
Las siguientes imágenes muestran los resultados de desplazamientos resultantes (mm), vistos por delante y por detrás:
Distribución de Desplazamientos sobre la Deformada
(Vista por delante)
Distribución de Desplazamientos sobre la Deformada
(Vista por detrás)
Distribución del Factor de Seguridad
La siguiente imagen muestra a través de un mapa de colores directamente sobre el modelo cómo se reparte del Factor de Seguridad frente a tensiones von Mises en el Diseño. Este Factor de Seguridad resulta de dividir la tensión von Mises en cada punto entre el valor del límite elástico del material, obteniendo así una visión directa de la bondad del diseño, y permitiendo ver qué zonas están más tensionadas que otras, y dónde se puede eliminar/incrementar material. De acuerdo con el criterio de fallo von Mises, el factor de seguridad mínimo del modelo es 4.5:
Reparto del Factor de Seguridad frente a Tensiones von Mises
Conclusiones
La densidad de malla utilizada es razonable, el tipo de elemento utilizado es TETRA4, elemento sólido TETRAEDRO de 4-nodos de bajo orden con 3 gdl/nodo.
La calidad de la solución es aceptable, aunque la precisión del análisis se puede mejorar utilizando un mallado con tamaño de elemento más reducido, al menos mallar con tamaño máximo de elemento de 2 mm refinando la malla en aquellas zonas de máxima tensión tales como pasadores y tornillo de anclaje, así como utilizar elementos de alto orden TETRA10.
El elemento TETRA4 tiene unas prestaciones reducidas, es un elemento del tipo CST (Constant Strain Tetrahedron, tetraedro de deformación y tensión constante) que ofrece resultados de buena calidad sólo cuando las deformaciones son constantes a lo largo del elemento. El elemento ofrece pobres prestaciones representando estados de carga de flexión o torsión, si el eje de flexión o torsión corta al elemento o es próximo a él. Si se utiliza una alta densidad de malla, el elemento TETRA4 ofrece una buena relación precisión/coste de la solución.
El elemento TETRA10 (elemento 10 nodos, y un total de 30 GDL/elemento) es siempre el más aconsejado para usar en el mallado de modelos sólidos 3D, representa exactamente problemas de flexión pura, pero el coste en tiempo de solución es elevado.
Para validar los resultados obtenidos en un Análisis por Elementos Finitos y comprobar que los mismos sean razonables, lo más importante es constatar que existe equilibrio de fuerzas entre cargas aplicadas y reacciones en los apoyos. COSMOS/Works permite comprobar las reacciones en cada superficie donde se hayan aplicado las correspondientes "restricciones" de movimiento:
 |
 |
| Reacciones
en el Pasador de la Pieza "Uña". Nótese el equilibrio entre Cargas y Reacciones en el modelo completo: la carga aplicada es 500 N, la reacción global es 500 N |
Reacciones en el Tornillo de anclaje a la base |
Dicho equilibrio de cargas se cumple, por tanto podemos decir que los resultados se encuentran dentro de lo razonables.
Otro aspecto es mejorar la precisión de los resultados: para ello es necesario realizar un estudio de convergencia, refinando la densidad de malla y comprobando la variación de resultados de desplazamientos y sobre todo de tensiones. Si esta variación no es superior a un 8%, podemos decir con seguridad que los resultados obtenidos son válidos y exactos, ya que no son función de la malla al no experimentar cambios apreciables al refinar la misma.
