La herramienta Peak Finder encuentra todas las zonas de pico basándose en los resultados de salida y las presenta mediante un gráfico especial y una tabla resumen. No se pierda nunca un punto caliente.
Introducción
El complejo comportamiento de las diferentes estructuras obliga a los ingenieros de ingeniería civil y de muchas otras industrias a utilizar el análisis de tensiones por elementos finitos en su práctica. Aunque ayuda a conocer en detalle los parámetros resultantes calculados (por ejemplo, tensiones, fuerzas internas, desplazamientos, etc.), también tiene sus mayores «inconvenientes» en la mayoría de los programas de AEF:
- Los resultados detallados requieren normalmente una modelización detallada;
- La modelización detallada conduce a un amplio postprocesamiento del modelo para encontrar todos los picos de tensión y estimarlos
- Como consecuencia, requiere dedicar mucho tiempo al postprocesado.
Afortunadamente, un paquete CAE tan potente como Ansys, Femap y Simcenter3D nos ayuda a que la parte de modelado sea lo más fácil/rápida posible con sus herramientas de modelado fáciles de usar, mientras que la parte de postprocesado sigue siendo una tarea que requiere mucho tiempo.
En este artículo mostraremos cómo reducir significativamente el tiempo necesario para el postprocesado.
¿Qué es el estrés máximo?
La mayoría de los ingenieros utilizan esta frase para describir muchas cosas diferentes como:
Singularidades de tensión
La singularidad de la tensión en muchos casos es un problema de convergencia del AEF, que conduce a la tensión teóricamente «infinita» en cierto lugar.
Puede deberse a diferentes características locales, como:
- Carga puntual concentrada, aplicada a un modelo;
- Condiciones límite (modelo restringido en un punto);
- Esquinas afiladas de elementos finitos, etc.
Es importante comprender que este pico de estrés no es realista y que, por lo tanto, debe tratarse adecuadamente.
Concentración de tensiones
Se pueden encontrar muchos artículos, que describen lo que es una «concentración de tensiones», pero en resumen – se trata de una localización en su modelo con cambios repentinos, cuando hay irregularidades en la geometría / material de un componente estructural, como esquinas, filetes, agujeros, etc. Esto provoca el flujo modificado de la tensión, que localmente se vuelve «más concentrada» a partir de tales detalles (por ejemplo, la concentración de tensión en los filetes se produce cuando 2 chapas con diferentes espesores, que están soldadas entre sí con una junta a tope, están sometidas a una fuerza de tracción en direcciones opuestas).
La magnitud del cálculo de la concentración de tensiones puede expresarse como un factor de concentración de tensiones adimensional, calculado como la relación entre la tensión más alta y la nominal.
Magnitudes de tensión con sus componentes de tensión
Muy a menudo, los ingenieros utilizan la fase de «tensión máxima» para describir el nivel de tensión más alto calculado en la estructura, independientemente de las razones de su aparición. Así que tenga en cuenta que el pico de tensión no siempre es una singularidad de tensión o una concentración de tensión, sino que también puede ser la tensión «estándar» a la que se acostumbró, sin «trampas».
¿Por qué lo necesitamos?
Normalmente, teniendo el modelo que se está analizando, los ingenieros quieren asegurarse de que el nivel de tensión máximo calculado bajo las diferentes casos de carga prescrito por las normas de la industria, no exceda sus límites permitidos (por ejemplo, trabajando en pruebas de tensión estática o Chequeos de fatiga, que se basan en el extremo tensiones de soldaduraetc.). Es uno de los factores clave que definen la integridad estructural y la fiabilidad durante las condiciones operativas, por lo que es extremadamente importante darse cuenta de que el pico de tensión omitido en la estructura puede ser crucial y conducir a circunstancias imprevistas en la vida real, como daños estructurales / fallo global en el futuro.
La complejidad del problema
No es una tarea «super» complicada encontrar todas las zonas sobretensionadas en los modelos MEF que se construyen con elementos viga (elementos 1D), ¡sobre todo porque las tensiones, en este caso, se dan por sección transversal del elemento estructural y no en detalle! Aunque no lleva mucho tiempo determinar las ubicaciones «problemáticas» (digamos con el nivel de tensión por encima del límite elástico / factor de seguridad), pero dificulta la estimación de lo crítica que es la situación en su estructura.
En este ejemplo hemos construido el modelo de elementos finitos de la grúa del puerto de pruebas, que consta de elementos 1D. Con ayuda de SDC Verifier, hemos aplicado muchas combinaciones de carga de acuerdo con la norma FEM 1.001 y hemos ejecutado la comprobación de fatiga para esta estructura (véase más abajo). Los sobreesfuerzos (daños por fatiga) están representados por el factor de utilización, que no debe ser superior a 1 para mantenerse dentro del límite admisible.
Aunque todos los «puntos rojos» se muestran por sección transversal de las vigas, lo que simplifica la tarea de encontrar los excesos de tensión, sigue habiendo una enorme cantidad de ubicaciones que comprobar.
Un modelo más detallado, que se construye con elementos de placa/concha (elementos 2D) cambia la situación de forma significativa, porque ahora en lugar de formas relativamente simplificadas, se pueden tener en cuenta fácilmente todos los detalles en cada punto de la sección transversal de los miembros estructurales:
En el caso de los modelos detallados de gran tamaño, los resultados se muestran en toda la superficie, pero sólo se pueden comprobar los resultados en la parte visible del modelo:
Es bastante arriesgado porque aún puede haber lugares ocultos con elementos sobrecargados en algún lugar dentro de la estructura:
Si utiliza los trazados de SDC Verifier con sólo las soldaduras seleccionadas (desde la herramienta Buscador de soldaduras) obtendrá una mejor imagen y podrá ver el interior, pero los resultados en elementos pequeños pueden seguir pasándose por alto fácilmente. Además, para obtener valores máximos exactos sigue siendo necesario el postprocesado manual:
El modelo MEF, que se realiza con elementos sólidos / de volumen (elementos 3D) no es una excepción y muy a menudo se convierte en una tarea aún más complicada:
En el ejemplo siguiente, podemos ver el modelo de elementos finitos de volumen de la típica conexión tubular con transición de diferentes espesores:
Vista típica desde el exterior:
Típica vista desde el interior:
Bajo las cargas en 2 direcciones transferidas a este elemento estructural, se recibe la tensión detallada.
Desde el punto de vista exterior puede parecer que no hay ningún problema (el nivel de tensión no supera lo permitido):
Pero desde la vista interior puede verse claramente que el nivel de tensión es muy superior al límite de fluencia en la cara interior en la transición de espesores (¡excede lo permitido!). Estos lugares «delicados» pueden pasarse por alto fácilmente sin una inspección minuciosa del modelo y después dan lugar a grietas en la vida real, que no son fáciles de identificar.
Y ahora imagínese la complejidad de encontrar las zonas de pico si su modelo consta no de 1 elemento estructural modelado al detalle, sino de unos cuantos, o unas cuantas docenas, o incluso cientos.
Solución
Con la ayuda de SDC Verifier, podrá encontrar en cuestión de segundos todas las tensiones máximas y otros tipos de resultados (es decir, resultados de comprobaciones estándar, deformación, tensiones de soldadura, tensiones globales de chapa, fuerzas de elementos de línea, etc.).
La herramienta Buscador de picos encuentra todas las zonas de picos basándose en los resultados de salida y los presenta mediante un gráfico especial y una tabla resumen. Se pueden encontrar los picos de cualquier resultado simple de AEF (de Carga), pero también se pueden utilizar todos los resultados disponibles de las comprobaciones del SDC Verifier, como se muestra en el ejemplo siguiente (de Comprobación):
De carga
De los cheques estándar
Con ayuda de la interfaz de fácil manejo, puede establecer los criterios de interés de los parámetros de los resultados (es decir, categoría, norma, comprobación, parámetro de dirección) y el rango de valores de interés para los resultados («<”, “=”, “>», «<=”, “=>», «Ninguno» de un determinado valor). Además, también es posible encontrar sólo un «Porcentaje» determinado de elementos con el nivel de tensión más alto o el «Número» de los elementos más sobrecargados.
Los valores pico (todos los resultados por encima de 1) de los cálculos de fatiga de utilización se encuentran y se muestran en el gráfico de resultados en las zonas de pico separadas con su número único:
Parte detallada completa (UF≥1):
Sólo soldaduras (UF≥1):
Parte detallada completa (5% de los elementos con mayor nivel de tensión):
Sólo soldaduras (5% de los elementos con mayor nivel de tensión):
Pieza detallada completa (50 elementos sobretensionados):
Sólo soldaduras (50 elementos sobrecargados):
En la tabla de resultados del buscador de picos, se muestra el resultado más alto de cada zona:
Si es necesario, los valores máximos pueden trazarse directamente como etiquetas sobre las zonas sobrecargadas con/sin sus números únicos:
Al final, estos y muchos otros resultados pueden ser reportados automáticamente con la ayuda del Generador de informes de AEF y luego exportados en el documento PDF / Word / PowerPoint si es necesario.
Resumen
Con la ayuda de la herramienta de búsqueda de picos de SDC Verifier, todos los picos de tensiones y otros tipos de resultados (es decir, resultados de comprobaciones estándar, deformación, tensiones de soldadura, tensiones globales de chapa, fuerzas de elementos de línea, etc.) pueden encontrarse en cuestión de segundos y generarse automáticamente en un informe, si es necesario. Las distintas funciones de la herramienta permiten a los usuarios establecer sólo los criterios interesados para los hallazgos y evitar resultados innecesarios. En muchos casos ahorra horas, días e incluso semanas en comparación con la rutina manual de postprocesamiento.
Nota: ¡todos los ejemplos de este artículo no son estructuras reales y están hechos a propósito!
