Los elementos finitos en el «análisis por elementos finitos» (y la forma de crearlos) son fundamentales. Los usuarios de AEF necesitan poder crear fácilmente patrones de malla de alta calidad, y los algoritmos detrás del comportamiento de esa malla bajo carga necesitan equilibrar velocidad, precisión y capacidad para ajustarse a las intenciones de la simulación (ya sea una evaluación de rigidez «rápida y sucia» o un análisis de tensión no lineal de alta fidelidad).
Una experiencia buena y productiva para el analista se reduce a las capacidades de la herramienta de AEF con malla FE y al proceso de mallado. Las soluciones de AEF fáciles de usar e integradas en CAD, como SOLIDWORKS Simulation, se centran en la facilidad de uso a la hora de realizar las tareas de AEF más comunes, proporcionando una guía de diseño. Una rápida tetramesis de segundo orden de unas pocas piezas es a menudo todo lo que necesita.
Pero, ¿qué pasa con las aplicaciones más especializadas, el aumento del tamaño del ensamblaje y las interacciones, o un caso de uso de AEF de «prototipado virtual»? Entonces puede que necesite el control detallado de malla de Abaqus, geometrías de elementos de ladrillo o prismáticas, o elementos y formulaciones de elementos especializados. Este artículo presenta algunos de los Abaqus puede ofrecer para ayudar a producir modelos de EF de alta calidad y orientados a los objetivos para un análisis mejor y más rápido.
El proceso de mallado: Discretización de la geometría
Abaqus proporciona una variedad de métodos de mallado y geometrías de elementos para adaptarse a cualquier problema. Las técnicas de mallado adicionales que ofrece Abaqus pueden aumentar potencialmente la precisión y reducir el tiempo de resolución de la simulación, pero a veces con una aplicabilidad limitada, en función de la forma del componente o del tiempo de que disponga el analista para producir una malla mejor. Abaqus/CAE también puede instanciar piezas malladas del mismo modo que SOLIDWORKS puede instanciar piezas modeladas.
Malla libre
La técnica de mallado más sencilla se denomina mallado libre, tal y como se utiliza en SOLIDWORKS Simulation. Cuando se mallan geometrías sólidas, primero se mallan las superficies y después se rellena el volumen con elementos sólidos. Con el mallado libre, se puede añadir un control de refinamiento para modificar el tamaño final de los elementos en zonas locales especificando el tamaño deseado para una parte de la geometría en los volúmenes, caras, aristas o vértices seleccionados.
Sección de la viga de canal CAD
Sección de viga de canal tetramalla (48.800 elementos)
Malla de barrido
Abaqus es una herramienta para analistas estructurales y ofrece múltiples métodos para producir el mallado deseado. El mallado libre es uno de esos métodos, pero otros ofrecen ventajas como un mayor control del refinamiento o la generación directa de formulaciones de elementos específicas que no se permiten de otro modo con el mallado libre. Un ejemplo es el malla de barrido que es especialmente útil para miembros estructurales comunes producidos como piezas extruidas. Para compararlo con el mallado libre, considere la viga rectangular simple.
El mallado libre de la viga da como resultado la generación automática de elementos sólidos tetraédricos (tet) en toda ella, mientras que una malla de barrido producirá una distribución uniforme de elementos basada en la discretización 2D de la cara inicial. En la imagen inferior se produjo una mezcla de elementos hexaédricos (hex) y de cuña/prisma.
Sección de viga canal hexagonal (2.600 elementos)
La ventaja que se obtiene con la malla de barrido es la capacidad de crear múltiples elementos a través del espesor de piezas muy delgadas sin un elevado número de mallas. La malla de tets requiere un total de 48.800 elementos para obtener 3 elementos a través del alma, mientras que, para la malla HEX, sólo se necesitaron 2.600 elementos.
Incluso con el uso del control de malla local disponible con el mallado de tets, a veces resulta difícil generar un número adecuado de elementos dentro del volumen de la pieza sin un recuento de malla elevado. Una buena malla de elementos hexaédricos suele proporcionar una solución de precisión equivalente a menor coste.
Particionamiento
Para algunas geometrías, especialmente aquellas con características voluminosas y secciones transversales no uniformes (por ejemplo, bridas de recipientes a presión y orejetas de elevación), el mallado libre es el mejor método para crear la malla de forma eficiente. Sin embargo, es posible utilizar el herramienta de partición en Abaqus para dividir la pieza en secciones separadas y mallar regiones específicas con diferentes tipos de elementos (se muestra a continuación).
Partición Abaqus/CAE; izquierda (no particionada), derecha (particionada)
Siembra de geometría
El mallado se mejora aún más en Abaqus con siembra de geometría . El uso eficaz de la siembra ayuda a conseguir patrones de tensión uniformes que son de vital importancia para la precisión allí donde se desarrollan concentraciones de tensión. La siembra de geometría es una técnica que permite controlar directamente la longitud de los bordes de los elementos para producir transiciones suaves entre las características geométricas. La densidad de malla deseada en estas zonas se consigue añadiendo puntos «semilla» a lo largo de los bordes de la geometría donde deben situarse los nodos. A continuación se muestra un ejemplo de control de aristas con semillas. El espaciado entre estas semillas puede ajustarse proporcionando un control total sobre la densidad de malla local.
Restricciones de topología virtual
Para tiempos de mallado más rápidos y tiempos de solución normalmente más cortos, los usuarios de Abaqus pueden aprovechar restricciones topológicas virtuales, una funcionalidad que elimina pequeños rasgos geométricos irrelevantes para el análisis (se muestra a continuación). Al eliminar estas pequeñas características, el proceso de mallado se vuelve más eficiente y la malla resultante se simplifica.
Asociatividad de malla
Abaqus puede disfrutar de la asociatividad CAD con el uso de interfaces asociativas. Con una interfaz asociativa para SOLIDWORKS, CATIAu otras herramientas CAD, el preprocesador Abaqus/CAE puede extraer directamente del CAD original en lugar de exportar sólidos mudos. Las entidades analíticas permanecen asociadas a los componentes y conexiones a través de las modificaciones CAD, por lo que el analista no tiene que empezar de cero en cada iteración. El analista también puede modificar los parámetros CAD desde dentro de Abaqus/CAE para probar rápidamente alteraciones hipotéticas del diseño. Estos cambios pueden devolverse al CAD original si así se desea.
Un usuario accede a parámetros CAD desde dentro de Abaqus/CAE
Malla «huérfana» no asociada
Otra ventaja de las capacidades de mallado de Abaqus es la posibilidad de trabajar directamente con nodos y elementos que no están asociados a ninguna geometría CAD. Estos «mallas huérfanas» pueden haber sido creadas en otros preprocesadores o incluso en otros solucionadores de elementos finitos. Abaqus/CAE permite a los usuarios editar la malla moviendo nodos, barriendo, dividiendo o uniendo elementos, definiendo condiciones de contorno, etc.
Técnicas de adaptabilidad de la malla
En cualquier análisis de elementos finitos, es importante encontrar un equilibrio entre precisión y eficacia. Dicho de otro modo, un buen análisis presenta la solución más precisa al menor coste. La mayor parte del «coste» lo controla el número de elementos del modelo de elementos finitos, que puede gestionarse mediante técnicas de adaptabilidad de la malla.
Según la Guía del usuario de Abaqus «La discretización de elementos finitos que resulta de un mallado subóptimo de los modelos puede limitar su capacidad de obtener resultados de análisis adecuados a un coste razonable de CPU. […] Las técnicas de adaptabilidad disponibles en Abaqus ayudan a optimizar el mallado y, por tanto, a obtener soluciones de calidad controlando al mismo tiempo el coste del análisis. El término «adaptabilidad» refleja los procesos adaptativos, o dependientes de la solución, que utiliza Abaqus para adaptar la malla a los objetivos del análisis. Se ofrecen tres versiones que suelen seleccionarse en función de su aplicabilidad a la precisión o al control de la distorsión de la malla; de su impacto en las definiciones de la malla, ya sea mediante el suavizado de una malla única o mediante la generación de múltiples mallas disímiles; y de cuándo [in the analysis process] se produce la adaptabilidad».
- Malla adaptativa lagrangiano-euleriana arbitraria (ALE)
- Remescalado adaptativo de topología variable
- Mapeo de soluciones malla a malla
Estas técnicas ayudan a mejorar la precisión y la eficacia de la simulación ajustando dinámicamente la resolución de la malla en las regiones de interés.
Mallado adaptativo Abaqus/CAE; iteración #1 (izquierda), iteración #2 (centro), iteración #3 (derecha)
Bibliotecas de elementos: Selección del tipo para la tarea de análisis
Además de las diferentes geometrías de los elementos (como los tets frente a los hexágonos), los distintos tipos de elementos pueden representar los mismos componentes utilizando técnicas numéricas diferentes, lo que requiere niveles de configuración y cálculo potencialmente muy distintos. Por ejemplo, los elementos hexagonales pueden representar todo el volumen de una pieza extruida, mientras que los elementos de concha cuadrilateral infinitamente delgados pueden representar el espesor de forma puramente numérica con un parámetro de espesor, con unos requisitos computacionales muy reducidos durante la resolución FE. En Abaqus, encontrará una gran variedad de opciones de representación para vigas, conectores, cuerpos rígidos, muelles y muchas más entidades estructurales.
Disponibilidad de elementos del programa CAD
Como se ha mencionado anteriormente, los elementos generados en las herramientas de simulación basadas en CAD, como SOLIDWORKS Simulation, se generan directamente a partir de la geometría disponible mediante mallado libre. Estos programas producen elementos sólidos (continuos), de concha y de viga a partir de la geometría sólida, de superficie y de línea disponible, respectivamente. Como tales, los elementos están ligados a la geometría. Se trata de una gran funcionalidad para el diseñador o ingeniero que produce simulaciones rápidas de comprobación de diseño, pero puede no satisfacer la necesidad de algunas aplicaciones.
Más allá de los elementos básicos – La biblioteca Abaqus
Los analistas trabajan a veces en simulaciones que requieren más que los elementos básicos que ofrecen los programas basados en CAD. Abaqus satisface esta necesidad con una biblioteca muy completa de elementos que pueden combinarse como sea necesario para construir un modelo de elementos finitos eficiente desde el punto de vista computacional.
Familias de elementos Abaqus de uso común
Los elementos sólidos se suelen utilizar para modelar piezas voluminosas como piezas de fundición o forja. Los elementos de concha son más eficientes para modelar piezas delgadas como chapas metálicas. Los elementos viga son eficaces para modelar piezas largas y esbeltas. Por ejemplo, los pernos se aproximan a veces utilizando elementos de viga.
En términos de formas de elementos continuos y de concha, Abaqus va más allá de los elementos tetraédricos y triangulares que se encuentran en SOLIDWORKS. Incluye formas de elementos adicionales, como:
Cuadrilátero/cuadrado: Estos elementos de cáscara proporcionan una mayor precisión y eficacia en comparación con sus hermanos triangulares.
Hexaédrico/ladrillo: Estos elementos tienen seis caras y son adecuados para representar volúmenes con formas más regulares, como cubos o prismas rectangulares. En general, se prefieren los elementos hexagonales por su precisión y eficacia.
Prisma/borde: Los elementos prisma o cuña tienen una base de tres lados y pueden utilizarse para modelar estructuras con una geometría más cónica o sesgada, como pirámides o componentes en forma de cuña.
La imagen siguiente muestra algunos ejemplos de diferentes formas de elementos utilizados para mallar la misma pieza cilíndrica dentro del CAE Abaqus. Observe cómo los elementos hexagonales de la izquierda son capaces de capturar la forma utilizando el menor número de nodos.
Elementos sólidos Abaqus/CAE; izquierda (hex), centro (tet), derecha (cuña)
La variada biblioteca de tipos de elementos de Abaqus encuentra aplicaciones en diversos dominios e industrias. Algunas de las aplicaciones menos conocidas son:
Elementos conectores: Estos versátiles elementos se utilizan para unir dos piezas de alguna manera. A veces las conexiones son sencillas, como dos paneles de chapa soldados por puntos o una puerta conectada a un marco con una bisagra. En otros casos, la conexión puede imponer restricciones cinemáticas más complicadas, como las juntas de velocidad constante, que transmiten una velocidad de giro constante entre ejes desalineados y en movimiento. Además de imponer restricciones cinemáticas, las conexiones pueden incluir un comportamiento (no lineal) de fuerza frente a desplazamiento (o velocidad) en sus componentes de movimiento relativo sin restricciones, como una fuerza muscular que resiste la rotación de una articulación de rodilla en un modelo de ocupante para pruebas de choque.
Los elementos de conexión en Abaqus proporcionan una forma fácil y eficaz de modelar estos y muchos otros tipos de mecanismos físicos cuya geometría es discreta (es decir, de nodo a nodo), aunque las relaciones cinemáticas y cinéticas que describen la conexión son complejas.
Elementos de partículas discretas: El método de elementos discretos es útil para modelar partículas discretas o materiales granulares para simular su interacción con recipientes. Gracias a la potente capacidad de contacto general de Abaqus, estos elementos pueden interactuar entre sí y con cualquier otro elemento del modelo. A continuación se muestra un ejemplo de mezcla de medios granulares en una mezcladora de tambor.
Mezclado de medios granulares en una mezcladora de tambor
Elementos especiales: Abaqus incluye elementos dedicados a aplicaciones específicas, como la acústica, elementos cohesivos para modelar la fractura o la delaminación, elementos hidrostáticos para simular el comportamiento de fluidos, etc. A continuación se muestra un ejemplo de pandeo posterior y crecimiento de la delaminación en un panel compuesto.
Post pandeo y crecimiento de la delaminación en un panel compuesto -Al proporcionar una amplia gama de tipos y formas de elementos, Abaqus ofrece a los usuarios la flexibilidad necesaria para modelar y analizar con precisión diversas estructuras y fenómenos en sus simulaciones
Familias de elementos: Orden, método de integración, control de sección
Mientras que CAD el programa de simulación SOLIDWORKS ofrece formulaciones de elementos de primer y segundo orden, Abaqus ofrece caracterizaciones de elementos adicionales que permiten a los usuarios adaptar sus análisis a requisitos específicos, garantizando resultados precisos y fiables. Estas opciones mejoran la versatilidad del software y permiten a los usuarios abordar una amplia gama de problemas, desde el análisis estructural estándar hasta fenómenos complejos que implican grandes deformaciones, interacción fluido-estructura o fallo de materiales. También permiten al usuario ajustar con precisión la velocidad frente a la precisión donde más le interese.
Controles de elementos sólidos Abaqus/CAE
Estas caracterizaciones permiten una mayor personalización y control sobre el comportamiento del elemento y el esquema de integración:
- Elementos de 2º orden: La formulación de los elementos puede ajustarse para satisfacer requisitos específicos de modelado o para captar fenómenos con mayor precisión.
- Opciones de formulación: Existen formulaciones lagrangianas y eulerianas. La formulación lagrangiana se utiliza habitualmente para la mayoría de los análisis sólidos y estructurales, mientras que la formulación euleriana es adecuada para problemas que implican grandes deformaciones, interacción fluido-estructura o separación de materiales. Además, Abaqus proporciona una formulación de concha continua diseñada específicamente para estructuras delgadas.
- Opciones de integración: Los usuarios pueden elegir entre esquemas de integración completa y de integración reducida para los elementos. La integración completa ofrece resultados más precisos al integrar las propiedades del material y las ecuaciones gobernantes sobre todo el volumen del elemento. La integración reducida, por otro lado, proporciona eficiencia computacional al integrar sobre un número reducido de puntos de integración, sacrificando algo de precisión para obtener cálculos más rápidos.
- Control de secciones: Hay varias opciones disponibles en algunos tipos de elementos. Entre ellas se incluyen la prevención de los modos de reloj de arena, la limitación de la distorsión del elemento y la contabilización de los daños o fallos del material durante el análisis. Estos controles mejoran la estabilidad y la precisión del análisis al mitigar los problemas relacionados con el comportamiento de los elementos.
Más allá de las simulaciones estructurales
Abaqus FEA es un caballo de batalla cuando se trata de simulaciones estructurales, pero su funcionalidad de mallado y elementos va más allá de lo estructural, ofreciendo también elementos al servicio de otras físicas, como elementos eulerianos con comportamiento similar al de los fluidos. Esta flexibilidad permite a los usuarios modelar y simular la dinámica de fluidos, fenómenos multifísicos y otros escenarios no estructurales utilizando el software Abaqus.
Simulación de forja en caliente: Simulación de tensión térmica CEL con interacciones de contacto
Además, Abaqus proporciona herramientas para resolver dificultades comunes de malla que se encuentran en geometrías complejas. Estas herramientas ayudan a reparar la geometría, garantizando que la malla represente con precisión el diseño previsto. Al abordar estos retos, los usuarios pueden obtener resultados de análisis fiables y una representación precisa de la geometría.
Conclusión
Los programas de simulación basados en CAD, como SOLIDWORKS son muy adecuados para el análisis estructural y térmico básico y suelen tener una interfaz fácil de usar que proporciona una eficacia sin igual con una selección específica de procesos de AEF populares. Pero cuando roza las limitaciones o necesita salirse de lo convencional, Abaqus ofrece una gran variedad de capacidades ampliadas en el ámbito del modelo de elementos finitos. Su gama más amplia de técnicas de mallado y algoritmos permite simulaciones complejas, interacciones de ensamblaje más complejas y un cálculo más rápido del comportamiento preciso del modelo.