VirtualPresentation

1. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis de Resistencia de Prototipos Digitales
Modulo 1 : Introducción
Flavio Costa
Gerente General – SEMCO CAD

2. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Resumen de la Clase
Aprender a realizar análisis de esfuerzos en ensambles mediante el
método de elementos finitos

3. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Objetivos de Aprendizaje
Al final de esta clase, usted será capas de :
 Preparar un modelo o prototipo digital para su posterior análisis de
resistencia
 Revisar y modificar los tipos de contacto entre las piezas del modelo
 Revisar y afinar la malla (mesh) del modelo
 Realizar el calculo y Analizar los resultados

4. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Introducción al Análisis por Elementos
Finitos

5. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Método de Elementos Finitos
• Método matemático
• Divide el modelo a analizar en pequeños componentes
• Permite predecir el comportamiento de un modelo ante ciertas
acciones (fuerzas, calor, etc) del entorno.
• Siglas
• FEM : Finite Element Method
• FEA = Finite Element Analysis.

6. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tipos de Análisis

7. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tipos de Análisis
Lineal
No Lineal
Térmico
Flujo de
Fluidos
Electrostático
Fatiga
Multi-fisica

8. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis Lineal
 Los materiales son lineales (Elástico).
 Ley de Hooke
 No hay deformación permanente
 Las cargas producen pequeñas
deformaciones o rotaciones.
 Los cambios de dirección en las cargas
debido a las deformaciones pueden ser
despreciados.
 Las condiciones de borde no cambian.
Fluencia
Rotura
Zona
Elástica

9. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis Lineal
 Esfuerzos
 Vibraciones
 Pandeo
 Dinámico

10. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis No Lineal
 Los materiales pueden ser no lineales,
experimentan grandes deformaciones (caucho)
o metales trabajando en la zona plástica
 Las cargas pueden producir grandes
deformaciones y/o rotaciones.
 Las cargas pueden cambiar de dirección
debido a las deformaciones.
 Las condiciones de borde pueden cambiar
bajo un patrón conocido.
Rotura
Zona
Plástica
Fluencia

11. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis No Lineal
 Esfuerzos
 Vibraciones
 Dinámico
 Caída Libre

12. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis de Fatiga
 Cargas que varían cíclicamente
 Materiales Elásticos (ley de Hook)
 No hay deformación permanente

13. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis Térmico
 Estado Estable
 Las cargar térmicas son constantes en el tiempo.
 El sistema esta en equilibrio térmico
 Distribución de temperaturas y flujo de calor.
 Estado Transitorio
 El sistema no esta en equilibrio térmico.
 Las cargas térmicas pueden ser constante o variables.
 Determina la temperatura y flujo de calor
 El material puede cambiar de estado entre solido y líquido.

14. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Flujo de Fluidos
 Se Calcula la distribución de velocidades y presiones bajo diferentes
condiciones :
 Flujo de Fluidos Estable
 El fluido se encuentra en estado estable.
 Efectos Inerciales son ignorados
 Flujo de Fluidos Inestable
 Fluido sujeto a aceleración o cambia en el tiempo
 Efectos inerciales son incluidos
 Flujo a través de medios porosos
 El fluido se encuentra en estado estable.
 Efectos Inerciales son ignorados

15. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Análisis Electroestático
 Corrientes y Voltaje Electrostáticas
 Calcula la distribución de corrientes y voltajes en
condiciones estables debido a voltajes inducidos
y fuentes de corriente
 Campo de Fuerza y Voltaje Electrostáticos
 Calcula la distribución de corrientes y voltajes en
condiciones estables en un aislante debido a
voltajes inducidos y fuentes de corriente

16. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Multi-Física
 Calcula las temperaturas, flujo de calor, velocidades y distribuciones
de presión en un fluido o modelo compuesto por partes solidas
interactuando con un fluido.

17. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Conceptos Básicos

18. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Conceptos Básicos
 Nodos
 Elementos
 Mallas
 Grados de Libertad
 Tipos de Elementos
 Conexiones
 Condiciones de Borde

19. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Nodo, Elemento y Malla
 La malla esta compuesta por nodos y elementos
 En los nodos se aplican las cargas y se determinan sus efectos
(deformaciones).
 Los elementos son los conductores de los efectos entre los nodos
Nodo
Elemento
Malla

20. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Grados de Libertad (DOF)
 Los grados de libertad ( DOFs ) de un nodo caracterizan la respuesta y
representan el posible movimiento de un nodo.
 Un elemento estructural puede tener 3 grados de translación y 3 de rotación,
dando el máximo de 6 grados de libertad.
 La temperatura en un análisis térmico tienen un solo grado de libertad en un
nodo.
Nodo

21. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Elemento
 Un elemento es una relación matemática que define como los DOFs de un
nodo se relacionan con los del siguiente nodo.
 La relación matemática también define como las deflexiones crean esfuerzos
y deformaciones.

22. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tipos de Elementos
 Los tipos de elementos son :
 Lineales : Una línea conectando 2 nodos
 2D : Elemento contenido en un plano, como Triangulo o cuadrilátero (3 o 4
líneas cerrando un área)
 3D planos : Elemento plano o casi plano, contenido en el espacio 3D.
Triangulo o cuadrilátero y representa a una forma delgada con espesor fijo
 3D sólidos : Elemento espacial con 4, 5 o 6 caras (Triángulos o
cuadriláteros) con 4,5 o 6 nodos.

23. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Conexión
 Un elemento se puede comunicar con otro únicamente a través de nodos
comunes.
No hay comunicación Nodos de comunicacion

24. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Condiciones de Borde
 Son las condiciones de trabajo a las
cuales esta sujeto el modelo a
analizar.
 Apoyos
 Fuerzas
 Temperaturas
 Fuentes de calor
 Las condiciones de borde son
deducidas por el usuario.
 Condiciones mal definidas nos
llevaran a resultados erróneos.
Apoyos
Fuerzas

25. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Flujo de Trabajo

26. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Flujo de Trabajo
Preparación
del Modelo
Condiciones
de Borde
Definición de
Contactos
Refinamiento
de la Malla
Análisis
Optimización

27. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Preparación

28. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tareas de Preparación del Modelo
Simplificación del Modelo
Asignación de Material
Definición de Apoyos
Definición de Cargas
Definición de Contactos

29. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Simplificación del Modelo

30. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Selección de Componentes
 Aislar el sub-ensamble o conjunto
de piezas (ensambladas) sobre las
cuales realizaremos el análisis.
 Identificar los componentes o
partes que no trabajan o no
participan del análisis

31. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Simplificación del Modelo
 Suprimir formas pequeñas que no
son representativas y no tienen
efecto sobre el análisis, ejemplo :
 Agujeros pequeños, diámetros
menores de 1/100 de la longitud de
la pieza
 Redondeos y chaflanes pequeños.
 Textos y/o formas decorativas
grabados y/o en relieves sobre la
pieza
Estas medida simplifica la malla y
reducen el tiempo de la simulación
Logotipo
Chaflan
Acanalado

32. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Asignación Material

33. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Asignación Materiales

34. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Definición de Apoyos (Constraints)

35. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Restricciones - Apoyos
1. Fixed - Fija
2. Frictionless – Sin fricción
3. Pin - Rotación

36. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Fixed Constraint - Apoyo Fijo
 Se usa para indicar que un apoyo
es completamente rígido.
 Se aplica a un punto, arista o
cara, la cual pierde los grados de
libertad
 Ningún punto de la geometría
seleccionada se deforma

37. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Fixed Constraint - Apoyo Fijo
 Por default restringe todos los
grados de libertad
 Permite particularizar, escogiendo
las direcciones restringidas
 Si se ingresa un valor, este indica
que nuestro modelo fue armado
con una pre-deformación, lo cual
generara una pre-carga.

38. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Frictionless Constraint - Apoyo Sin Fricción
 Se aplica para liberar el
desplazamiento en una superficie
 La superficies puede ser plana o
curca
 Las aristas y vértices no son
seleccionables.

39. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Pin Constraint – Apoyo Tipo Pin
 Se aplica para prevenir la
deformación Radial, Axial o
Tangencial de una zona cilíndrica
 Se aplica una o cualquiera de las
combinaciones
 Se debe restringir por lo menos
una de las opciones.
 Para un rodamiento o
pin se libera la dirección
tangencial

40. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Conclusiones Apoyos
 Los apoyos definen los DOFs de las zonas donde se apoya la pieza a
analizar y esto influye sobre las posibilidades de deformación de la
pieza.
 Solo un cambio en la forma de apoyar puede influir drásticamente en
la rigidez o flexibilidad del sistema.

41. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Definición de Cargas (Loads)

42. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tipos de Cargas - Loads
 Force (Fuerza)
 Pressure (Presión)
 Bearing (Rodamiento)
 Moment (Momento)
 Gravity (Gravedad)
 Remote Force
 Body

43. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Aplicación Fuerza
 Se puede aplicar a un punto,
una arista o eje, Cara.
 Paralela a la arista o eje
 Perpendicular a la cara
Punto
Arista
Cara

44. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Aplicación Presión
 Solo se aplica a caras
 Perpendicular a la cara
 Presión negativa sale de
la cara

45. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Bearing Load (Rodamiento)
 Solo se aplica a caras Cilíndricas
 Componente axial, se distribuye
uniformemente sobre toda la superficie
 Componente radial, es distribuida,
basada en la proyección del área
perpendicular a la dirección de la
componente radial

46. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Aplicación Momento
 Solo se aplica a caras
 Cumple con la ley de la mano
derecha
 Click la flecha de dirección para
seleccionar la dirección de la
fuerza (plana o arista)

47. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Creación de Contactos

48. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Pregunta
 Que diferencia el proceso de calculo de una pieza del de un
ensamble?

49. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Respuesta
 Una pieza, esta compuesta por un único material y las fuerzas de
distribuyen de acuerdo a las características de la forma y propiedades
mecánicas del material.
 Un ensamble, esta compuesto por varias piezas, que pueden ser de
diferente material.
 Las piezas están ensambladas (unidas por diferentes tipos de juntas),
las cuales definen como se comunican las fuerzas de una pieza a otra.

50. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Contactos
 Los contactos permiten definir las
condiciones como 2 o mas piezas
se conectan entre si.
 Los contactos establecen los
grados de libertad en la zona de
conexión y de esta forma se
definen como pasan las fuerzas
de una pieza a la otra.

51. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Tipos de Contactos
 Bonded Contact
 Separation Contact
 Sliding/No separation contact
 Separation/ No Sliding Contact
 Shrink Fit/No Sliding Contact
 Spring Contact

52. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Bonded Contact
 Unión rígida entre todos los Nodos de las caras (zonas) en contacto
 Todos los puntos de la zona de contacto de ambas piezas se
desplazan en la misma magnitud y dirección.

53. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Separation
 Las zonas en contacto se pueden separar mientras se deslizan una
con respecto a la otra, pero no existe penetración de una a la otra.

54. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Sliding / No Separation
 Las zonas en contacto no se pueden separar en dirección normal a las
caras.
 Se pueden deslizar una con respecto a la otra.

55. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Separation / No Sliding
 Las zonas en contacto se pueden separar en dirección normal a las
caras.
 No se puede deslizar una con respecto a la otra.

56. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Shink Fit / Sliding
 Se comporta como Separation
 Inicialmente existe interferencia entre la piezas

57. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Shink Fit / No Sliding
 Se comporta como Separation/No sliding
 Inicialmente existe interferencia entre la piezas

58. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Spring
 Crea un resorte entre 2 caras.
 Se puede definir la constante de rigidez normal y tangencial

59. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Enmallado - Mesh

60. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Definiciones
 La malla (mesh) es la conversión del modelo a analizar en una
representación matemática.
 La calidad de la malla define la precisión de los resultados.

61. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Creación y refinamiento de mallas
 Inventor proporciona comandos para controlar la calidad de la malla,
estos pueden ser aplicados en forma global o local.
 En la figura se ven las opciones relacionadas con la creación y
refinamiento de la malla :
Mesh Settings
Local Mesh Settings
Convergense Settings
Mesh View

62. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh View
 Mesh View crea la malla tomando en cuenta los parámetros definidos
en Mesh Settings

63. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh Settings
 Permite definir una serie de
valores que se usaran para
refinar la malla y explicaremos a
continuación.
 Son aplicados a toda la pieza o
ensamble
 Son definidos para cada
simulación

64. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh Settings
 Average Elements Size :
 Es el tamaño promedio del elemento
o en otras palabras la distancia
promedio entre nodos.
 El valor es una fracción de la
dimensiones mas larga de la
pieza (sea en X, Y o Z).
 Un menor valor produce una
malla mas pequeña.
 Valores Típicos entre 0.1 y 0.05 Longitud = 100mm
Average Element Size = 0.1
Tamaño Elemento = 10mm

65. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Efecto Average Element Size
0.1 0.05 0.01

66. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh Settings
 Minimum Element Size :
 Es la distancia mínima entre nodos.
 Es una fracción del Average
Element Size.
 Si se incrementa disminuye el
numero de nodos, pero la calidad
baja.
 Valores típicos entre 0.1 y 0.3

67. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Efecto Minimum Element Size
Average Element Size =0.1
0.2 0.5 1.0

68. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh Settings
 Grading Factor :
 Relación de tamaño entre 2 elementos
vecinos.
 La transición entre zona de malla
gruesa y delgada sea suave.
 Menores valores producen mallas mas
uniformes.
 1.5 indica que el tamaño entre 2
elementos vecinos 1.5 veces la
dimensión del elemento anterior.
 Valores Típicos entre 1.5 y 3.0

69. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Efecto Grading Factor
1.5 3.0 6.0
Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2

70. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Mesh Settings
 Maximun Turn Angle : El ángulo
máximo de un arco. De 1 a 90
grados. Menor valor produce
mallas mas pequeñas.
Recomendado 30 a 60 grados.
 Create Curved Mesh Elements :
Crea malla en aristas y caras
curvas. Si se desactiva solo usa
elementos rectos.

71. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Efecto Maximun Turn Angle
60 15
Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2
90

72. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Efecto Create Cirved Mesh Element
Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2

73. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Local Mesh Settings
 Se usa para refinar zonas especificas
 Element Size : Indica el tamaño promedio del
elemento a crear en unidades (mm o inch).
 Para lograr un efecto, use un valor menor
que el indicado en Global Average Size
(Mesh Settings).
 Todos los parámetros para controlar la malla
en forma global son adimensionales y
definen proporciones. Este valor es una
medida absoluta en la unidad de longitud que
se esta trabajando

74. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Convergencia

75. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Convergencia y Refinamiento
 La convergencia y el refinamiento están íntimamente relacionadas.
 Mientras mas pequeña la malla, mas elementos y mas precisos los
resultados.
 La simulación demora mas, mientras mas elementos hay.
 El método de refinamiento consiste en afinar la malla solo en aquellos
lugares donde es necesario.

76. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Refinamiento H
 Método iterativo permite comparar 2 soluciones e identificar las zonas
donde hay que refinar.
 El criterio para refinar es la convergencia
 Convergencia se da cuando 2 soluciones difieren en un % menor que
un valor objetivo (Dato).

77. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Convergencia
 Maximum Number of h
Refinement :
 Numero máximo de ciclos de
refinamiento. Valores de 1 a 5.
 Stop Criteria (%) :
 Se detiene el calculo cuando los
valores de 2 ciclos continuos son
menores que el valor de Stop
Criteria. Si se alcanza el Stop
Criteria, se detiene, así no se haya
alcanzado el numero de ciclos.

78. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Convergencia
 h Refinement :
 % de elementos a refinar.
 0 : incluye a todos los elementos para refinamiento.
 1 : indica que no refine nada.
 0.75 : indica que de todos los elementos con error el 25%, esta sujeto a
refinamiento.
 No aplica a análisis modal.
 Incrementar de 0.1 en 0.1,valor inicial 0.75

79. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Convergencia Vs No Convergencia
 Convergencia : Se afina la malla y los resultados tienden al mismo
valor

80. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Teoría de Fallas

81. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Teoría de Fallas
 A medida que se aumenta la
carga sobre un cuerpo este se
deformara hasta llegar a un punto
donde se produce una falla.
 La falla puede ser rotura o
deformación permanente
(Fluencia)

82. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Teoría de Fallas
 Cuando un cuerpo esta sujeto a fuerzas en diferentes direcciones,
algunas de ellas de tensión y otros cortantes es difícil determinar el
punto de la falla.
 Los metales puedes ser divididos en dúctiles y frágiles.
 Dúctil acero blando, cobre, etc
 Frágiles Acero fundido.
 Existen diferentes teorías para predecir la falla
 Von Misses : Materiales Dúctiles
 1st Principal Stress : Tracción, Materiales Frágiles,
 3er Principal Stress : Compresión, Materiales Frágiles

83. © 2012 Autodesk
© 2012 Autodesk
Autodesk, AutoCAD* [*if/when mentioned in the pertinent material, followed by an alphabetical list of all other trademarks mentioned in the material] are registered trademarks or trademarks of Autodesk, Inc., and/or its subsidiaries and/or affiliates in the USA and/or other countries. All other brand names, product names, or trademarks belong to their respective holders. Autodesk reserves the right to alter product and
services offerings, and specifications and pricing at any time without notice, and is not responsible for typographical or graphical errors that may appear in this document. © 2012 Autodesk, Inc. All rights reserved.