Realice comprobaciones de fatiga directamente en ANSYS utilizando SDC Verifier
Yurii Shumak
El diseño basado en plantillas automatiza el trabajo rutinario futuro, y la documentación automatizada facilita la generación de informes
Muchas estructuras de acero como grúas, maquinaria pesada y otros equipos sometidos a cargas repetitivas tienen muchas probabilidades de desarrollar grietas o fallos debido a los daños por fatiga. El coste de cada hora de inactividad del equipo suele ser muy caro, por lo que es obligatorio realizar cálculos de vida residual o comprobaciones de fatiga.
La complejidad de este problema, que obliga a tener en cuenta muchos detalles de cálculo para la predicción realista de la vida a fatiga, lo convierte en una tarea que requiere mucho tiempo si no se dispone de un software de análisis de fatiga adecuado.
El procedimiento de verificación de la fatiga suele constar de los siguientes pasos importantes:
1. Recopilación de información sobre las condiciones de trabajo, el historial de cargas y los datos de los materiales y, a continuación, preparar la Base de Cálculo incluyendo las cargas, las condiciones límite, las combinaciones de carga con los factores de carga parcial y los factores de seguridad.
2. Reconocimiento de las soldaduras y establecimiento de la clasificación de las soldaduras, propiedades de los materiales y definición de las condiciones de trabajo.
3. Verificación de los daños por fatiga de acuerdo con las normas y reglas para garantizar la seguridad y fiabilidad de la estructura.
4. Modificaciones del diseño para lograr los resultados deseados, optimizar el diseño o ahorrar costes.
5. Documentación de los resultados, basados en el análisis de fatiga, para su presentación a una organización de certificación/al cliente.
Con la ayuda de SDC Verifier, ¡este procedimiento está completamente automatizado y puede realizarse directamente en el modelo de Ansys Mechanical! De este modo, no sólo permite el análisis de fatiga en ANSYS de acuerdo con los estándares de la industria, ¡sino que ayuda a simplificar esta tarea significativamente y a ahorrar una enorme cantidad de tiempo con la automatización completa!
Base de cálculo
No importa si se trata de la comprobación de un nuevo diseño, de un análisis de vida residual o de una investigación de grietas: es muy importante recopilar y transferir adecuadamente al modelo de análisis de elementos finitos (AEF) toda la información necesaria sobre las condiciones de trabajo y el historial de cargas de la estructura (o las cargas estimadas para un nuevo diseño). Una base de cálculo realista da lugar a resultados de cálculo más precisos.
La combinación de cargas e impactos suele estar establecida por las normas y requiere varios grupos de combinaciones lineales de resultados de carga única. Por ejemplo, según el ensayo de fatiga FEM 1.001, un ingeniero debe combinar: la gravedad, la carga efectiva, la aceleración y el impacto dinámico en todos los escenarios posibles, teniendo en cuenta los factores de carga parcial, los coeficientes dinámicos y de ganancia para el grupo de combinaciones de carga Resistencia con un factor de seguridad de 1,5. Todas las mismas condiciones más el efecto del viento deben combinarse para el grupo Viento de combinaciones de carga con un factor de seguridad de 1,33. El siguiente grupo será un escenario de carga excepcional en el que los mismos efectos tienen diferentes factores de carga parcial y un factor de seguridad de 1,1.
En este punto, el SDC Verifier ofrece al ingeniero una interfaz fácil de usar para combinar las cargas en una matriz de conjuntos y grupos de carga, teniendo en cuenta todos los factores de seguridad y los factores de carga parcial. Esto no sólo simplifica el procesamiento de una gran cantidad de datos del historial de cargas, sino que también acorta el tiempo de solución de Ansys Mechanical (y por tanto del análisis de fatiga de ANSYS) porque cada efecto de carga se resolverá una vez sólo con ANSYS y después se combinará linealmente utilizando SDC Verifier.
Establecer la clasificación
En la segunda etapa, hay tres características importantes que deben establecerse para obtener resultados realistas del análisis de fatiga:
- Tipo de soldadura o clase de grasa (notch grade) – que determina la calidad de la soldadura;
- material – que determina el grado de acero del que está hecha la estructura; y
- grupo de elementos – que determina la intensidad de la carga y el uso de la estructura verificada.
El tipo de soldadura es crucial porque es más probable que los problemas de fatiga se produzcan en las soldaduras. Por lo tanto, en el método de análisis de la fatiga de la curva S-N es necesario establecer una clasificación basada en el tipo de soldadura para asignar una curva. A continuación se muestra la curva general del nivel de tensión frente a la resistencia.
El primer reto es determinar qué elementos de su modelo de AEF son soldaduras. La herramienta SDC Verifier Weld finder (parte de SDC Verifier FEA Recognition Tools) resuelve este problema introduciendo el reconocimiento automático de soldaduras con un solo clic. Encuentra automáticamente todas las soldaduras del modelo de AEF basándose en el cambio de espesor, el cambio de material/propiedad, el ángulo de unión y las reglas o excepciones definidas por el usuario.
Una vez completado el reconocimiento, hay que determinar la clasificación para todas las soldaduras del modelo. El selector de SDC Verifier le ayuda a crear componentes para todas las soldaduras, intersecciones de soldaduras, puntas de soldadura, etc. Además, como el buscador de soldaduras reorienta las tensiones y fuerzas en las direcciones de soldadura, se pueden hacer diferentes clasificaciones a lo largo de la soldadura, perpendicular a la soldadura y para el cizallamiento.
El tipo de material suele obtenerse de ANSYS Mechanical o puede configurarse fácilmente en SDC Verifier (hay un recordatorio automático si no se configuran algunas de las propiedades del material).
Verificación basada en normas
El siguiente paso es la verificación de fatiga propiamente dicha. SDC Verifier realiza la verificación de fatiga de acuerdo con diferentes normas de las industrias offshore, de elevación de cargas pesadas, de maquinaria pesada, marítima, de construcción naval y civil. Actualmente están disponibles las siguientes normas de ingeniería:
- Eurocódigo 3 (EN1993-1-9, 2005)
- EN 13001 (2018)
- FEM 1.001 (3ª, 1998)
- DNV-RP-C203 (2016)
- DIN 15018 (1984)
- Directrices FKM
SDC Verifier utiliza el método de diseño de tensiones admisibles. Todas las fórmulas están abiertas, por lo que el usuario puede ver todas las fórmulas que hay detrás del núcleo de cálculo, incluyendo descripciones y explicaciones de dónde se han tomado.
Antes de ejecutar el cálculo, el usuario sólo tiene que seleccionar la parte del modelo a ensayar y las cargas que se utilizarán en el cálculo. Todos los cálculos se realizan en segundo plano, aunque es posible acceder a un archivo de registro de los detalles del cálculo si se requiere un control total del análisis de fatiga ANSYS.
Modificaciones en el diseño
En la fase inicial, las modificaciones del diseño parecen ser una parte menor del tiempo de ejecución del proyecto. Pero si los resultados del análisis de fatiga no son los esperados y se requieren mejoras, entonces el proceso completo de revisión suele llevar mucho más tiempo del previsto.
SDC Verifier se basa en plantillas, lo que significa que si la comprobación se ha realizado una vez, en el futuro el trabajo rutinario se automatizará sobre la base del cálculo, el reconocimiento y los propios cálculos. Lo único que tiene que hacer el usuario es cambiar el diseño y resolver el modelo. Posteriormente, se actualizan los datos y se genera un informe con dos clics del ratón, para completar todo el procedimiento.
Esto supone un enorme ahorro de tiempo y reduce la presión de los plazos porque, como todos sabemos, ¡la mayoría de las modificaciones y mejoras de diseño se hacen en el último minuto!
Automatización de la documentación
Por último, pero no por ello menos importante, están los informes automáticos. A pocas personas les gusta escribir informes. Sin embargo, sigue habiendo una gran cantidad de documentación que debe proporcionarse a un gestor, un cliente o una organización de certificación.
La página diseñador de informes de SDC Verifier le ayuda a crear un documento basado en plantillas que contiene la siguiente información: descripción del modelo, cargas y condiciones límite, salida de resultados ANSYS y resultados de la validación del código. Todos los datos pueden presentarse con una amplia gama de gráficos y tablas.
El control total sobre la estructura de las tablas permite presentar el resultado de salida máximo o detallado para el modelo completo o componentes individuales sobre las cargas y combinaciones, o preparar una tabla resumen de los distintos parámetros de carga. Con los ajustes y selectores de vista ajustables, el usuario puede crear cualquier resultado de salida o comprobación en un ángulo/vista diferente para el modelo completo, alguna pieza o corte.
Con SDC Verifier, que permite verificar el código directamente en ANSYS, ya no es necesario realizar cálculos manuales rutinarios, hojas de cálculo ni complicados procedimientos de prueba y verificación para comprobar los daños por fatiga o predecir la vida residual de una estructura. Además, puede generar un informe completo de cálculo y verificación para presentarlo a la organización certificadora o al cliente.
