Proceso de verificación basado en componentes estructurales para modelos de AEF
Chris Teague
Saratech, EE.UU.
Wouter van den Bos
Universidad Tecnológica de Delft, Países Bajos
Introducción
Una vez que se ha ejecutado un modelo de elementos finitos para generar desplazamientos, cargas y contornos de tensión, a menudo necesitará procesar más los datos para contrastarlos con los criterios estándar del sector, como el pandeo de vigas y placas, el análisis de uniones, los cálculos de vida a fatiga y las comprobaciones personalizadas internas. A continuación, puede que necesite crear un informe que documente el modelo y los márgenes de seguridad tanto con tablas como con gráficos del modelo. Este puede ser un proceso muy tedioso y largo la primera vez que se hace. Pero con cambios en el diseño, condiciones de carga actualizadas y otros ajustes en el modelo de elementos finitos, puede suponer un ahorro de tiempo espectacular si podemos automatizar este proceso. Además, la automatización puede ayudar a reducir los errores, ya que una vez verificada la plantilla de automatización, se puede seguir reutilizando esa plantilla cada vez que se actualice el modelo de elementos finitos.
Una herramienta de software recientemente desarrollada, SDC Verifier, utiliza un nuevo método para automatizar este proceso. Con sus llamadas «herramientas de reconocimiento» se identifican en el modelo de AEF las dimensiones y la orientación de los componentes estructurales como placas, rigidizadores, mamparos, soldaduras, miembros de vigas o columnas y se recupera automáticamente la forma y el tamaño completos de los componentes estructurales. Como sólo se basa en la descripción de elementos y nodos, no importa si el modelo procede de NX Nastran, MSC Nastran, NEi Nastran, Ansys, Abaqus o LS-DYNA3D.
La figura 1 muestra este nuevo flujo de trabajo, que comienza con el reconocimiento de los miembros de la viga, el reconocimiento de las placas, el reconocimiento de las juntas y las soldaduras, que pueden alimentar datos en el módulo de comprobación y, finalmente, en un informe. Revisaremos este nuevo proceso que reconoce automáticamente características como la longitud de la viga, las juntas, los paneles, y alimenta estos datos en fórmulas para el pandeo de vigas y placas, la fatiga, el análisis de juntas y otras comprobaciones estándar de la industria que deben realizarse para completar el análisis de una pieza. A continuación, estos resultados pueden verse automáticamente en un asistente de informes totalmente personalizable para automatizar la creación de un informe final.
Figura 1: Flujo de trabajo desde el reconocimiento de rasgos hasta el informe final, pasando por las comprobaciones
Las herramientas de reconocimiento utilizan un método de automatización único para encontrar automáticamente la longitud de un miembro de la viga utilizada en los cálculos de pandeo, la altura y anchura de las características de la chapa y la ubicación y orientación de las soldaduras. Esto puede suponer un ahorro de tiempo espectacular respecto a los cálculos manuales más habituales de cada una de estas características. Estos algoritmos se han utilizado con éxito en modelos con miles de características individuales.
Herramientas de reconocimiento automatizado
Muchos programas de elementos finitos devolverán la longitud de un elemento barra/viga, pero para el pandeo y otras comprobaciones, normalmente necesitamos la longitud completa del miembro de unión a unión, no sólo la longitud individual del elemento. Los programas de elementos finitos no disponen de estos datos, por lo que o bien tenemos que introducirlos manualmente en programas personalizados, o bien tenemos que modelar la estructura utilizando sólo un elemento de unión a unión. Ninguna de las dos opciones es muy ideal. La herramienta SDC Verifier tiene un algoritmo incorporado para identificar automáticamente la longitud real de una viga individual o de los miembros de una columna, sin importar cuántos elementos se utilicen. Las direcciones de rigidez de las uniones entre los miembros de la viga se califican como conexiones 1D, 2D o 3D. El tipo de conexión determina si el miembro de la viga se apoya sólo en un eje principal o en ambos. De este modo, la longitud efectiva puede determinarse para ambos ejes principales de las vigas. La herramienta puede trazar las longitudes calculadas tanto gráficamente como en forma de tabla para ayudar a verificar la precisión y documentar los resultados que se utilizarán en el generador de informes.
La figura 2 muestra algunos resultados de la herramienta automatizada de búsqueda de miembros de viga, con las uniones 2D y 3D resaltadas.
Figura 2: Determinación y trazado de la longitud del haz
La figura 3 muestra un ejemplo del gráfico de longitud de viga que muestra la longitud de viga calculada para cada uno de los miembros de la viga y muestra los resultados en un gráfico de colores para la elaboración de informes y la verificación. Puede editar fácilmente los números si necesita introducir una longitud personalizada. Y este algoritmo es completamente independiente de la densidad de la malla o de la marca FEA Solver.
Figura 3: Gráficos de longitud de viga
Para los modelos de placas, el programa encontrará las dimensiones de cada componente de la placa. Esto se ha probado en modelos con miles de componentes de placa, como se muestra en el ejemplo de las figuras 4 y 5.
Figura 4: Secciones de la placa
Figura 5: Secciones de la placa con las dimensiones indicadas
Es posible trazar el número de elementos en cada ubicación de la estación de la placa como se muestra en la figura 6. Esto puede ayudar a verificar que los resultados son precisos.
Figura 6: Estación de secciones de placas frente al recuento de elementos
El buscador de soldaduras reconoce todas las soldaduras y actualiza la dirección de la soldadura automáticamente. A continuación, puede realizar análisis de fatiga en las soldaduras. El usuario tiene la posibilidad de establecer la clasificación del tipo de soldadura para cada soldadura de modo que se pueda realizar el cálculo adecuado en los diferentes tipos de soldadura (K0-K4, W0-W2) como se muestra en las figuras 7 y 8. El reconocimiento de rigidizadores y vigas se muestra en la figura 9.
Figura 7: Reconocimiento de soldaduras
Figura 8: Clasificaciones de ajuste de las soldaduras
Figura 9: Localización de los rigidizadores (azul) y las vigas (rojo)
Utilización de los resultados de las herramientas de reconocimiento automático
Con las herramientas de reconocimiento, las comprobaciones estructurales pueden calcularse directamente sobre los componentes estructurales en lugar de sobre elementos finitos individuales. Esto hace que la herramienta sea independiente de la malla y muy flexible. La herramienta de longitud de viga reconocerá longitudes efectivas que pueden ser diferentes en la orientación débil o fuerte. Toda esta información puede introducirse automáticamente en las fórmulas prescritas por las normas nacionales o por las sociedades de clasificación como los códigos API, ANSI, AISC, EN, DIN, ABS y DNV. Se dedica mucho tiempo a mantener el proceso completo de verificación lo más abierto posible, todas las fórmulas utilizadas pueden verse, actualizarse o personalizarse y pueden añadirse fácilmente nuevas normas. La figura 10 muestra algunos de los muchos parámetros que pueden editarse y cambiarse. La figura 11 muestra un ejemplo de una verificación de pandeo AISC realizada en una estructura de grúa, con los elementos que no superan la verificación de pandeo resaltados en rojo.
Figura 10: Opciones personalizables)
Figura 11: Comprobación de pandeo AISC
Además, la documentación de los resultados es altamente personalizable; ya sea con un asistente o con un diseñador de informes, el proceso completo de documentación puede introducirse en un informe que contenga toda la información necesaria. La información del modelo, el tamaño y el peso de las propiedades, una suma total de cargas y la matriz de combinación de cargas, incluyendo tablas, gráficos y diagramas, están a disposición del usuario para que los añada a un informe. La estructura de menús del informe sigue la misma estructura de cálculo, lo que permite una fácil navegación posterior. Todo ello puede exportarse a cualquier formato de documento popular como Microsoft Word o PDF. La figura 12 muestra un ejemplo de los resultados de pandeo en formato de tabla. Se pueden crear muchos tipos diferentes de tablas y colocarlas después en la plantilla de informe como se desee. Para la siguiente serie de análisis, las tablas y los gráficos pueden actualizarse automáticamente.
Figura 12: Comprobación del pandeo de la placa ABS en formato de tabla
Diseño de informes y utilización del asistente para informes
El resumen del proceso del asistente de informes se muestra en la figura 13. El Asistente para informes le guiará a través del proceso de creación de un modelo de informe. La figura 14 muestra la información de configuración del modelo que puede añadirse al informe, incluida la configuración del modelo, los nombres del analista y de la empresa, el nombre del archivo, los tipos de elementos, las cargas, las condiciones límite, los materiales y las propiedades de los elementos.
Figura 13: Generación de informes con el asistente de informes
Figura 14: Informe de configuración del modelo
La figura 15 muestra algunos de los ejemplos de comprobaciones de resultados, tablas y gráficos que pueden añadirse mediante el asistente de informes.
Figura 15: Informe de resultados
La figura 16 muestra algunos ejemplos de las tablas que pueden crearse, incluyendo el desplazamiento en los nodos seleccionados, con los máximos absolutos resaltados, los valores extremos para los elementos en cada propiedad, la suma de las fuerzas aplicadas para cada caso de carga, los valores de tensión máxima para cada caso de carga y los valores de tensión máxima para cada dirección.
La figura 17 muestra dos ejemplos de las tablas que pueden crearse. El lado izquierdo tiene un histograma de resultados máximos para cada caso de carga y conjunto de cargas. El lado derecho muestra un gráfico de resultados de nudos o elementos frente a casos de carga y conjuntos de cargas.
Figura 16: Tablas de resultados
Figura 17: Gráficos Histograma y Expandir gráfico
La figura 18 muestra algunos de los gráficos de resultados de muestra que pueden crearse. Puede definir diferentes vistas para mostrar los mismos o diferentes resultados, y cada vista puede utilizarse para tantos tipos de parcelas diferentes como sea necesario. La plantilla es totalmente personalizable por el usuario final.
Figura 18: Gráficos de resultados
Si necesita realizar un ajuste más fino de los informes, existe la opción Diseñador de informes que le permitirá una personalización completa de cada sección del informe. Puede arrastrar y soltar elementos en el informe, cambiar fuentes y encabezados, añadir y eliminar cualquiera de los tipos de gráficos y tablas disponibles. Existe una opción de regeneración en caso de que desee regenerar todo o parte de un informe con información actualizada. La figura 19 muestra el Diseñador de informes.
Figura 19: Generación de informes con el Diseñador de informes
Una vez definidas la plantilla del informe y las comprobaciones estándar o personalizadas, el archivo puede guardarse como plantilla y aplicar la plantilla a un modelo actualizado o a uno completamente diferente y producirse automáticamente un nuevo informe con nuevos márgenes de seguridad. Este nuevo tipo de proceso de flujo de trabajo de ingeniería parece muy prometedor y ahorra potencialmente enormes cantidades de tiempo de administración, reduce las posibilidades de errores humanos en el camino y garantiza que el analista pueda centrarse en las cuestiones de diseño y las soluciones de ingeniería. La figura 20 muestra una plantilla de muestra ejecutada con un modelo, y luego se volvió a ejecutar con un modelo diferente para obtener un informe totalmente nuevo.
Figura 20: Plantilla de informe
Conclusión
Este ha sido un breve resumen de la herramienta SDC Verifier que utiliza un proceso único para reconocer automáticamente las características del modelo que pueden utilizarse en comprobaciones estándar del sector, como el pandeo de vigas y placas, el análisis de fatiga, el análisis de uniones, y también en ecuaciones personalizadas que pueden ser específicas de clientes individuales. A continuación, estos resultados pueden introducirse automáticamente en las herramientas del asistente de informes y del diseñador de informes para que el usuario pueda crear automáticamente nuevos informes para cada caso de carga o conjunto de cargas, con el margen de seguridad final resaltado en el informe. También hay herramientas disponibles para ayudar al usuario a gestionar una combinación de cargas individuales en conjuntos de cargas, y conjuntos de cargas en grupos de cargas para un análisis detallado. A continuación, los informes pueden guardarse como plantilla, para que resulte muy rápido y sencillo ejecutar nuevos casos de carga, o modificaciones en el diseño para encontrar el margen de seguridad final, ya que las plantillas no son específicas del modelo, y pueden volver a ejecutarse con cualquier modelo de elementos finitos. Esto puede liberar al ingeniero para que trabaje en la optimización del diseño, ya que dedicará menos tiempo a realizar el cálculo de los márgenes individuales y a crear informes, y podrá averiguar rápidamente si alguna parte del modelo está fallando debido a alguno de los requisitos de comprobación del análisis. El tiempo perdido en el proceso, a menudo repetido, de manipulación de datos puede emplearse ahora en centrarse en mejorar el diseño. Esto permitirá al ingeniero ser un analista, no un administrador.
