Reducción de la demanda computacional en Abaqus con el submodelado

Únase al foro de diseñadores!

Su experiencia es vital para la comunidad. Únase a nosotros y aporte sus conocimientos.

Comparta, aprenda y crezca con los mejores profesionales del sector.

El tamaño y la complejidad de los diseños de productos que se analizan y prueban con Abaqus, un software de análisis de elementos finitos (AEF) y simulación de ingeniería multifísica, sigue creciendo. La submodelación es una técnica eficaz que puede utilizarse cuando se requieren resultados detallados de simulación de productos para una región pequeña y localizada dentro de un modelo mayor, lo que permite al analista reducir significativamente las demandas computacionales y el tiempo de ejecución de un análisis.

Un análisis global de una estructura puede utilizarse en primer lugar para identificar las zonas en las que la respuesta a la carga es crítica. A continuación, puede crearse un submodelo local para las zonas críticas, con una representación geométrica mejorada y/o un refinamiento de la malla. Este submodelo local proporciona una mayor precisión que el modelo global sin necesidad de volver a mallar y analizar el modelo completo. Este enfoque da como resultado una reducción de los costes de análisis a la vez que se mantienen detalles suficientes en las regiones críticas.

En este blog, veremos la teoría que hay detrás del submodelado, las dos técnicas de submodelado disponibles en Abaqus y cómo implementar submodelos. También destacaremos las limitaciones de la submodelación en Abaqus y el importante paso de verificar los resultados del análisis.

Teoría de la submodelación

El submodelado en Abaqus utiliza el Principio de Saint-Venant, por el cual el límite del submodelo está suficientemente alejado de la región de interés dentro del submodelo para permitir que las fuerzas aplicadas sean reemplazadas por fuerzas locales equivalentes. La solución del modelo global se utiliza para definir el comportamiento de la frontera del submodelo mediante el control de variables manejadas que son representativas de las fuerzas aplicadas. La solución en la zona de interés no se ve modificada por los efectos finales mientras las cargas finales sigan siendo estáticamente equivalentes.

En la figura 1 se muestra un ejemplo de viga con varias aberturas localizadas. El modelo global de la viga completa se utiliza para determinar las variables impulsadas como salida en los límites comunes para el submodelo y facilita el uso de una malla relativamente gruesa. Los análisis se realizan de forma independiente en el modelo global y el submodelo, siendo las variables impulsadas el único vínculo entre ambos. Con esta independencia hay flexibilidad para cambiar las características geométricas, los tipos de elementos, las propiedades de los materiales, etc. para mejorar la representación de la región submodelada. Como con cualquier técnica de modelado, es importante validar los resultados para asegurarse de que son físicamente significativos. La comparación del trazado de contornos cerca de los límites de la región submodelada del modelo global y del submodelo puede servir para confirmar que los resultados son coherentes.

Técnicas de submodelado en Abaqus

En Abaqus hay dos técnicas disponibles para el submodelado que se denominan submodelado basado en nodos y submodelado basado en superficies. La técnica basada en nodos interpola el campo de resultados nodales del modelo global en los nodos del submodelo, esta es la técnica más general y comúnmente utilizada. Por el contrario, en la submodelación basada en superficies, el campo de tensiones se interpola en los puntos de integración de la superficie del submodelo. La submodelación basada en superficies se limita a las aplicaciones de sólido a sólido y al análisis estático, para todos los demás fines debe aplicarse la submodelación basada en nodos. Cualquiera de las dos técnicas, o una combinación de ambas, puede utilizarse en un análisis en función de los atributos del modelo.

La técnica basada en la superficie puede proporcionar resultados de tensión más precisos si en un análisis estático existe una diferencia significativa en la rigidez media en la región del submodelo y el modelo global está sometido a una carga controlada por la fuerza. En cambio, cuando la rigidez en las regiones es comparable, la submodelación basada en nodos proporcionará resultados similares a la submodelación basada en superficies con un potencial reducido de problemas numéricos causados por los modos de cuerpo rígido. Las diferencias en la rigidez pueden producirse como resultado de detalles adicionales en el submodelo, como aberturas o filetes, o por cambios geométricos menores que no justifican volver a ejecutar el análisis global.

Si el modelo está sometido a grandes desplazamientos o rotaciones la submodelación basada en nodos puede mejorar la precisión al transmitir grandes desplazamientos y rotaciones al submodelo. Dependiendo de los resultados de salida que sean de mayor interés. La submodelación basada en nodos proporcionará una transmisión más precisa del campo de desplazamiento en el submodelo. Mientras que la submodelación basada en superficies proporcionará una transmisión más precisa del campo de tensiones, lo que se traducirá en una determinación más precisa de las fuerzas de reacción en el submodelo. Las dos técnicas pueden incluirse dentro de un mismo modelo en límites diferentes.

Implementaring Submodelos Abaqus

El modelo local puede ser manejado utilizando los datos guardados en el archivo de base de datos de salida (en formato ODB o SIM). Los submodelos basados en nodos también pueden ser manejados utilizando el archivo de resultados (.fil). Sólo las variables escritas en la base de datos de salida se utilizarán en el submodelo, por lo que es importante guardar los datos de salida con la frecuencia suficiente. Estos resultados deben guardarse en el sistema de coordenadas global para su interpolación en el submodelo. En el caso de los datos nodales, los valores siempre se escriben con respecto a las direcciones globales en el archivo de la base de datos de salida, independientemente de si se utilizan transformaciones de coordenadas nodales. Todas las variables impulsadas deben guardarse a una frecuencia común durante el análisis global, y esta frecuencia debe ser lo suficientemente fina como para permitir una reproducción adecuada de la historia temporal global para las variables impulsadas. Si los resultados se guardan a frecuencias diferentes, se utilizará la frecuencia más gruesa en el análisis del submodelo. Se recomienda crear un único conjunto que contenga todos los conjuntos de nodos y/o conjuntos de elementos a partir de los cuales se impulsará el submodelo. En la figura 2, el conjunto que define el límite del submodelo está resaltado en rojo y se etiqueta como Submodelo-Región.

Pueden aplicarse al submodelo todo tipo de cargas y condiciones de contorno prescritas. Sin embargo, hay que tener cuidado de aplicar las cargas y las condiciones de contorno en el submodelo de forma coherente con el modelo global para evitar resultados incorrectos. Sólo se interpolarán y transferirán al submodelo las variables impulsadas. Cualquier campo predefinido debe proporcionarse tal y como estaba en el modelo global. Las condiciones iniciales deben ser coherentes entre el modelo global y el submodelo. Por simplicidad, puede ser útil copiar el modelo global inicial para crear el submodelo (figura 3), utilizando las herramientas de creación de cortes para eliminar material fuera de los límites del submodelo, como se muestra en la figura 4. Este enfoque permitirá conservar los ajustes del modelo global y minimizar la posibilidad de errores al crear el submodelo.

El tiempo del paso en el análisis del submodelo debe coincidir con el tiempo del paso en el análisis global o cualquier interpolación con respecto al tiempo será incorrecta. Si hay alguna discrepancia, el periodo de tiempo del paso global puede escalarse al del submodelo activando la opción de Escalar el periodo de tiempo del paso global al periodo de tiempo del paso del submodelo al aplicar las condiciones límite mostradas en la figura 5.

Los nodos impulsados se definen a través de las condiciones de contorno del submodelo. Puede especificar qué grados de libertad deben ser conducidos en el límite del submodelo – normalmente se especifican todos los grados de libertad en los nodos conducidos. Además de escalar el periodo de tiempo, Abaqus puede escalar el valor de las variables conducidas aplicadas al submodelo desde el modelo global cuando sea apropiado. En la figura 5, se implementa una condición de contorno de submodelo que incluye todos los grados de libertad disponibles para los elementos continuos sólidos (1-3) sin escalado. Observe que sólo pueden manejarse las variables fundamentales de la solución. En el submodelo sólido a sólido o cáscara a cáscara, esto incluye desplazamientos, temperaturas, potencial eléctrico, presión de poros, etc. Las velocidades o aceleraciones en el límite del submodelo no pueden ser conducidas. Abaqus selecciona las variables conducidas automáticamente cuando se utiliza un modelo de cáscara global para conducir un modelo sólido local. Otras condiciones de contorno del submodelo se pueden crear, modificar o eliminar como de costumbre.

Abaqus interpola tanto en el espacio como en el tiempo para determinar los valores de las variables nodales conducidas a lo largo del paso del análisis del submodelo. El orden de interpolación espacial de las variables conducidas viene dictado por el orden de los elementos utilizados a nivel global. El incremento temporal automático se aplica de forma independiente en los análisis global y de submodelos. El incremento temporal independiente se acomoda a la interpolación temporal de las variables impulsadas. La interpolación temporal lineal se utiliza entre los valores leídos de la base de datos de salida o del archivo de resultados.

Cuando el modelo global sufre grandes desplazamientos o rotaciones, el usuario debe asegurarse de que el submodelo también los sufre. Cuando se utiliza el submodelado basado en nodos, los nodos impulsores tienen en cuenta automáticamente los desplazamientos y las rotaciones, por lo que el submodelo se situará correctamente en relación con el sistema de coordenadas global. Por el contrario, para el submodelado basado en superficies, utilizar sólo las tracciones superficiales no proporciona al submodelo ninguna información sobre los desplazamientos. En su lugar, para dar cuenta de los desplazamientos, el submodelo debe incluir: condiciones de contorno aplicadas, nodos impulsados y relieve inercial. Cuando se utilizan ambos métodos, es importante mantener un método de tracción coherente en toda la zona seleccionada para evitar las sobrecargas derivadas de definiciones de tracción parciales o excesivas.

Al configurar un submodelo, los atributos del modelo deben modificarse para hacer referencia a la base de datos de salida o al archivo de resultados. Los atributos del modelo mostrados en la figura 6 harían que Abaqus leyera el archivo Beam-Global.odb archivo de base de datos de salida y utilizar esos resultados en un análisis de un submodelo definido en el Viga-Submodelo.inp archivo de entrada.

Limitaciones del submodelo

Existen algunas limitaciones en los métodos y tipos de elementos compatibles con el enfoque de submodelación. Aquí se expondrán brevemente las limitaciones y encontrará más información al respecto en la documentación.

Los elementos que pueden utilizarse en los niveles global y de submodelo se limitan a elementos continuos triangulares y cuadriláteros de primer y segundo orden, de cáscara o de membrana, elementos continuos tetraédricos de primer y segundo orden, de cuña o de ladrillo. Los modelos globales pueden contener tanto elementos sólidos como de cáscara, con la condición de que todos los nodos conducidos deben encontrarse dentro de los elementos de cáscara del modelo global.

Los nodos límite del submodelo no pueden situarse en regiones del modelo global en las que no haya información suficiente para la interpolación de la variable conducida. Esto incluye regiones en las que sólo hay elementos unidimensionales (como vigas, cerchas, enlaces o cáscaras axisimétricas), elementos de usuario, subestructuras, muelles, dashpots, otros elementos especiales o elementos axisimétricos.

Cuando utilice elementos de cáscara, los elementos de cáscara de cinco grados de libertad por nodo (S4R5, S8R5, etc.) deben evitarse normalmente a nivel global, ya que las rotaciones no se guardan. Estos elementos no pueden utilizarse en el submodelado de shell a sólido.

Los submodelos no pueden utilizarse en los procedimientos térmico-eléctrico acoplado, térmico-electroquímico acoplado y de dinámica lineal basada en modos. La submodelación basada en superficies sólo puede utilizarse en procedimientos estáticos generales. La submodelación envolvente-sólido no puede utilizarse con ningún otro tipo de submodelación en el mismo modelo.

Verificación de Resultados del análisis

Cuando se utiliza el enfoque de submodelación, se obtienen posteriormente dos conjuntos de resultados de análisis: el primero a partir de un modelo global que da una aproximación del comportamiento, y el segundo a partir de un modelo local refinado que da una representación más precisa del resultado detallado. Un paso importante en el procedimiento de submodelación es la verificación de los resultados. En la figura 7, se muestran los resultados de un submodelo basado en nodos. En primer lugar, se comprueba la coherencia de los desplazamientos del modelo en la región del submodelo antes de trazar el gradiente de tensión. Si se detectan discrepancias importantes con los desplazamientos, esto afectará a todos los resultados posteriores y el modelo deberá revisarse y volver a presentarse. Una vez que se comprueba que los desplazamientos coinciden, se pueden interrogar otros resultados como las tensiones. Aquí se consigue una mejora es el gradiente de tensiones aumentando la densidad de malla en la región submodelada. Las tensiones en otras regiones de la viga pueden obtenerse del modelo global donde, en ausencia de aberturas concentradoras de tensiones, la malla gruesa es suficiente.

Únase al foro de diseñadores!

Su experiencia es vital para la comunidad. Únase a nosotros y aporte sus conocimientos.

Comparta, aprenda y crezca con los mejores profesionales del sector.