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Para muchos analistas, el término «contacto» en el análisis por elementos finitos (AEF) evoca recuerdos de complejas configuraciones, dolores de cabeza por la convergencia y, a menudo, compromisos en la precisión. Tradicionalmente, el modelado del contacto mediante el enfoque de pares de contacto ha sido notorio por sus exigentes requisitos en cuanto a la preparación del modelo. No sólo era el usuario el responsable de elegir manualmente las superficies que estarían en contacto, sino que también requería que el usuario construyera toda la formulación de contacto; así, especificando la asignación de superficies, el enfoque de seguimiento de contacto, así como el método de discretización de superficies.
Reconociendo estos retos, Abaqus introdujo una solución innovadora para superar las limitaciones inherentes al enfoque tradicional de pares de contacto: Contacto General. Este método altamente sofisticado para modelar problemas de contacto e interacción es distinto del método de pares de contacto. Mediante el uso de potentes algoritmos de seguimiento, General Contact puede aplicar y simular eficazmente las condiciones de contacto, garantizando unos resultados de simulación precisos. Para una Simulación SOLIDWORKS usuario, la principal ventaja de utilizar el contacto en Abaqus (o en 3DEXPERIENCE ESTRUCTURAL, que utiliza el solver Abaqus) se mejora la robustez. También hay algunas características especiales y comodidades para ayudar a definir el contacto, lo que puede facilitar la ejecución del contacto en grandes ensamblajes. En este artículo, profundizamos en el contacto general de Abaqus.
Robustez del Contacto General
Abaqus/Explícito
El contacto general en Abaqus comienza con la prescripción del dominio de contacto a través de una superficie de contacto automática todo incluido. Esta superficie todo incluido incluye todas las facetas de superficie basadas en elementos, todas las superficies rígidas analíticas y, en el caso de Abaqus/Explicit – superficies en todos los materiales eulerianos (típicamente utilizados para interacciones fluido-estructura). General Contact utiliza métodos sofisticados para garantizar que las condiciones de contacto adecuadas se apliquen de forma eficiente. En Abaqus/Explicit, genera fuerzas de contacto para resistir la penetración de contacto nodo-a-cara, nodo-a-superficie rígida analítica y borde-a-borde a través de la superficie todo-incluido, proporcionando así una solución completa para hacer cumplir el contacto en una amplia gama de escenarios de simulación sin necesidad de complejos procedimientos de definición de contacto.
Cuando los casos especiales lo requieren, el algoritmo de contacto general puede utilizarse junto con el algoritmo de pares de contacto. Está disponible para superficies bidimensionales, axisimétricas y tridimensionales, pero sólo puede utilizarse en análisis mecánicos de contacto por deslizamiento finito. No admite la aplicación de restricciones cinemáticas, sino que utiliza el método de penalización para aplicar las restricciones de contacto.
Abaqus/Estándar
El algoritmo general de contacto en Abaqus/Standard detecta y gestiona dinámicamente varios tipos de contacto -superficie con superficie, borde con superficie, borde con borde y vértice con superficie- a lo largo del análisis, mejorando su capacidad para interacciones complejas. Utilizando un enfoque de seguimiento de deslizamiento finito, es especialmente eficaz para modelos tridimensionales y es el único método para modelos bidimensionales y axisimétricos. Este algoritmo es impresionante a la hora de adaptarse a los cambios, pasando sin problemas de una formulación de contacto a otra a medida que evoluciona el análisis.
Figura 1: Tipos de escenarios de contacto para dos bloques
Por ejemplo, en una simulación de ajuste a presión, podría dar prioridad inicialmente al contacto borde-superficie y, a continuación, cambiar suavemente al contacto superficie-superficie a medida que se amplía el área de compromiso. Este enfoque adaptativo garantiza una aplicación precisa de las restricciones de contacto y evita problemas numéricos, lo que hace que Abaqus/Standard sea robusto para una amplia gama de escenarios de simulación.
Para ilustrar la robustez del algoritmo de contacto general, considere una simulación en la que un cuboide de goma se desliza alrededor de la superficie perimetral de un cuboide de goma más grande. Al principio del análisis, a medida que el cuboide más pequeño se acerca al más grande, se establece el contacto superficie con superficie. A continuación, el algoritmo detecta los cambios de contacto a medida que el cuboide alcanza un borde característico del mayor e implementa una formulación de contacto de borde a superficie. Este enfoque sobre la marcha mejora significativamente la robustez y fiabilidad del algoritmo para manejar cualquier cambio en el contacto.
Figura 2: Cuboide de goma deslizándose alrededor de otro cuboide de goma
Conveniencia del contacto general
El contacto general, tanto en Abaqus/Standard como en Abaqus/Explicit, permite al usuario definir el dominio de contacto con flexibilidad y precisión. Esto incluye especificar inclusiones de contacto generales para identificar regiones de interacción potenciales y exclusiones de contacto para omitir ciertas interacciones, garantizando un análisis preciso y eficiente.
Tanto para Abaqus/Standard como para Abaqus/Explicit, el dominio de contacto general puede definirse mediante una opción «automática», incorporando todas las caras exteriores de los elementos, las aristas y las superficies rígidas analíticas. Esta superficie por defecto, que lo incluye todo, simplifica la configuración al considerar automáticamente todas las posibles interacciones nodo a nodo, arista a arista y autocontacto, sin necesidad de especificar manualmente los pares de contacto individuales. Los usuarios pueden refinar el dominio de contacto especificando superficies o materiales concretos que deben incluirse o excluirse, y añadir asignaciones de propiedades individuales. Los usuarios pueden refinar aún más la definición general de contacto ajustándola a lo largo del análisis, activando y desactivando determinadas superficies para que formen parte del dominio de contacto según sea necesario. El proceso es fluido y cómodo, pero ofrece al analista la posibilidad de retocar y afinar el dominio de contacto según sea necesario.
El proceso de configuración está diseñado para aplicar primero las inclusiones de contacto, seguidas de las exclusiones, teniendo estas últimas prioridad. Este enfoque jerárquico permite un control preciso de las condiciones de contacto consideradas en la simulación, facilitando el modelado de ensamblajes e interacciones complejas con facilidad. Tanto Abaqus/Standard como Abaqus/Explicit generan automáticamente exclusiones de contacto en determinadas situaciones, como cuando las interacciones se definen utilizando pares de contactos o restricciones de ligadura basadas en superficies, para evitar la aplicación redundante de restricciones de interacción.
El siguiente ejemplo de análisis de una torre Jenga ilustra la comodidad que aporta el algoritmo general de contactos cuando se trata de un gran número de piezas.
Considere esta torre Jenga, formada por 18 capas en total, con tres piezas Jenga en cada capa. Esto da un total de 54 piezas. La naturaleza caótica e impredecible de este análisis puede verse en la animación de abajo. Por esta misma razón se utiliza el algoritmo de contacto general, que permite considerar todas las caras que están inicialmente en contacto, así como las que pueden entrar en contacto más adelante en el análisis.
Si este análisis se realizara sin utilizar el algoritmo de contacto general, habría que hacer una selección manual de las caras en contacto para obtener un resultado comparable. En aras de la explicación, calcularemos el número de caras de contacto que el analista tendrá que definir, manualmente. Cada pieza de Jenga tiene 6 caras y, para ir sobre seguro, supondremos que es posible que cada cara entre en contacto con las caras de las otras 53 piezas. Esto significa que cada pieza de Jenga lleva un total de
Todavía tenemos que tener en cuenta los duplicados, es decir, que la cara A que toca la cara B es lo mismo que la cara B que toca la cara A, por lo que el número de caras debe dividirse por 2. Y, para tener en cuenta las otras 53 piezas de Jenga con cada una de sus caras, el número total de pares de contacto que el analista tendría que tener en cuenta es de
51516 es un número ridículamente alto para un análisis de este tipo. Y así, uno puede empezar a apreciar la robustez y conveniencia del algoritmo general de contacto.
Figura 3: Animación del análisis de la Torre Jenga
Funciones especiales en General Contact
Penetración de fluidos a presión
A carga de penetración de presión permite simular la presión de un fluido que se filtra entre superficies en contacto. La carga de presión puede deformar los componentes, abriendo potencialmente un pequeño hueco que exponga una superficie adicional a la presión. Se trata de una función extremadamente útil para sellar un análisis, y se ejecuta de forma muy eficiente en Abaqus, ya que no requiere modelar el fluido en sí. Los cuerpos implicados pueden ser ambos deformables, o uno puede ser rígido, como ocurre cuando se utiliza una junta blanda como sello entre estructuras más rígidas.
Un ejemplo proporcionado en el manual implica la carga de presión-penetración del fluido de una junta tórica en una conexión de tuberías. Esta simulación modela las cargas de presión del fluido como cargas superficiales distribuidas o cargas de presión por pares, destacando la evolución de la superficie mojada en función de las condiciones de contacto. Muestra la aplicación de la presión del fluido sobre superficies que experimentan una deformación significativa, como el autocontacto del caucho, empleando procedimientos dinámicos explícitos e implícitos para aproximar las condiciones cuasiestáticas.
Figura 4: Evolución de la presión del fluido
Aproximación del contacto roscado
La distribución de la carga localizada en uniones roscadas puede ser aproximada sin mallar las roscas. Con este enfoque, las piezas malladas suelen tener superficies cilíndricas en la interfaz. Esta capacidad ajusta las direcciones normales de contacto para que sean normales a las caras de las roscas de referencia. Este nivel de detalle añadido en comparación con la simple unión de las superficies roscadas puede ser importante en el análisis de uniones atornilladas.
La siguiente captura de pantalla muestra la normal de contacto para las dos partes roscadas, el perno (en verde) y la tuerca (en beige).
Figura 5: Normales de contacto de las piezas «roscadas
Valores precisos de holgura e interferencia
Los valores precisos del espacio libre o la sobrecarga pueden ser especificados y modificados independientemente de la geometría o de la precisión de la malla. Por ejemplo, no es necesario modelar un hueco de 20 μm entre componentes; el hueco puede modelarse línea a línea y especificar que el solucionador debe tratarlo como 20 μm Esto también hace que los estudios de sensibilidad a la holgura o la interferencia sean muy eficientes de configurar y ejecutar sin necesidad de volver a mallar ningún componente.
Erosión superficial
Es importante tener en cuenta la erosión superficial cuando se trata del fallo del material. Esto se ve facilitado por el algoritmo general de contacto cuando modelar la erosión superficial utilizando superficies basadas en elementos, lo que nos permite simular cómo evolucionan las superficies en respuesta al fallo del material. Cuando se definen superficies para la erosión, lo mejor es utilizar superficies basadas en elementos para el cuerpo erosionado. Esto ayuda a capturar con precisión el dominio de contacto cambiante a medida que el material se degrada y falla. Este enfoque no sólo simplifica el proceso de modelado, sino que también mejora la eficiencia al reducir el uso de memoria en comparación con el uso de superficies interiores.
El modelado por erosión es especialmente útil, ya que actualiza dinámicamente el dominio de contacto para reflejar la eliminación de elementos fallidos, ajustando así las caras y aristas de contacto activas. Esta actualización dinámica garantiza que la simulación siga siendo precisa durante todo el análisis, reflejando el comportamiento del material en el mundo real bajo tensión o impacto.
Además, puede controlarse la opción de incluir nodos en el dominio de contacto después de que los elementos circundantes hayan fallado, lo que ofrece flexibilidad a la hora de simular las secuelas del fallo del material y su impacto en la integridad estructural.
Para ilustrar la aplicación de la erosión superficial, considere la simulación de un proyectil cilíndrico en erosión que impacta contra una placa de blindaje a gran velocidad. Este ejemplo utiliza el Contacto General para modelar la interacción entre el proyectil y la placa, ambos sujetos al fallo del material.
El escenario simula el impacto oblicuo a 2000 m/s, con el material de ambos cuerpos definido para incluir modelos de fallo que tengan en cuenta el daño progresivo. A medida que los elementos fallan debido al impacto, se eliminan de la simulación y las superficies de contacto se adaptan para reflejar las nuevas superficies expuestas de los elementos restantes.
Este enfoque no sólo capta los efectos inmediatos del impacto, sino también los cambios posteriores en el dominio de contacto a medida que el material se erosiona. Una simulación tan detallada ayuda a comprender el complejo comportamiento de los materiales en condiciones extremas y demuestra la potencia del algoritmo general de contacto para manejar sofisticados escenarios de contacto y fallo.
Figura 6: Proyectil cilíndrico en erosión impactando contra una placa de blindaje
Conclusión
En conclusión, Abaqus ofrece un algoritmo general de contacto completo y sofisticado que simplifica el modelado de los problemas de contacto e interacción, garantizando unos resultados de simulación precisos. La capacidad de simular eficientemente las condiciones de contacto, desde las interacciones de contacto superficie con superficie hasta las de borde con borde, mejora la robustez de las simulaciones. Esto, combinado con la comodidad y facilidad de configuración del Contacto General, hace que este algoritmo de contacto sea muy atractivo y deseable para los usuarios de SOLIDWORKS Simulation.
Las ventajas del contacto de Abaqus pueden ser muy materiales. General Contact abre las puertas a la innovación al permitir el tipo de análisis de contacto detallado que antes era inalcanzable. Por ejemplo, explorar todo el potencial del algoritmo de contacto general de Abaqus desvela oportunidades en campos como la biomecánica, para simular la dinámica de articulaciones o implantes dentales, la industria aeroespacial, para mejorar las interacciones entre trenes de aterrizaje y turbinas, y los bienes de consumo, para impactos de alta energía que mejoran la durabilidad. Estas capacidades avanzadas de AEF animan a los ingenieros a aventurarse en nuevos territorios de simulación, impulsando el desarrollo de productos y la ciencia de materiales hacia el futuro.
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