¿Cómo asignar y gestionar materiales en modelos de elementos finitos?
Yevheniia Sidakova
Uno de los pasos más críticos en el modelado de elementos finitos es la correcta asignación de materiales y la gestión de las propiedades de los materiales. La asignación y gestión de materiales en el software de AEF implica la definición de propiedades y modelos de materiales para diferentes elementos o regiones de la geometría de un componente. La correcta asignación de materiales es crucial, ya que afecta a la matriz de rigidez, al comportamiento tensión-deformación y a la convergencia, todo lo cual influye en la precisión global de la simulación.
Para obtener resultados fiables, es esencial asegurarse de que los materiales se asignan de forma correcta, coherente y exhaustiva en todo el modelo. Este artículo explora las mejores prácticas para asignar y gestionar materiales en modelos de AEF en el ejemplo de SDC Verifier, garantizando simulaciones precisas y un rendimiento óptimo.
Proceso de selección de materiales
Al desarrollar modelos de elementos finitos para el análisis de esfuerzos, es esencial utilizar los modelos de material que representarán adecuadamente el material a partir del cual se creará la estructura en la vida real. Incluso con una geometría, unas condiciones de carga y unas restricciones de contorno idénticas, cada material responde de forma diferente debido a sus propiedades mecánicas únicas. Antes de completar el mallado, el proceso de selección de materiales implica varios pasos clave:
- Defina los requisitos de diseño – Identifique los factores necesarios de rendimiento, fiabilidad, tamaño, coste, fabricación, normas industriales, reglamentos, propiedad intelectual y sostenibilidad. Cuantos más requisitos se tengan en cuenta, más reducida será la selección de materiales adecuados.
- Determine los criterios de selección – Establezca las propiedades específicas de los materiales en función de los requisitos de diseño. Por ejemplo, si un componente debe soportar una carga determinada, el límite elástico mínimo se convierte en un criterio crítico.
- Identifique los materiales candidatos – Utilice los criterios de selección para filtrar los materiales inadecuados. Considere toda la gama de propiedades del material, incluido si el material es
- Isótropo (propiedades uniformes en todas las direcciones)
- Ortótropo (propiedades dependientes de la dirección, como los materiales compuestos)
- Anisótropo (propiedades completamente específicas según la dirección)
- Evalúe los materiales candidatos – Si faltan datos sobre algunos materiales, puede ser necesario realizar análisis o pruebas adicionales para determinar su idoneidad.
- Seleccione el mejor material – Elija el material que cumpla todos los criterios de selección al menor coste global, teniendo en cuenta tanto los gastos en materias primas como los costes de fabricación.
Además, los materiales estándar suelen estar prescritos por normas y reglamentos específicos. Por lo tanto, es esencial determinar si la estructura debe cumplir ciertas normas y, en caso afirmativo, seguir las directrices pertinentes para seleccionar los materiales aprobados.
En los casos en los que esté analizando una estructura ya fabricada, asignar las propiedades de material correctas en el modelo es crucial para reflejar con exactitud el comportamiento de la estructura real. A veces, puede ser necesario realizar pruebas de resistencia de los materiales en muestras físicas para garantizar una representación exacta.
Asignación de materiales en AEF: SDC Verifier
El software de análisis estructural como SDC Verifier admite materiales isótropos y ortótropos (anisótropos), especialmente cuando se integra con solvers de elementos finitos como Ansys o Simcenter. Las propiedades de los materiales incluyen datos relevantes para el MEF importados del modelo -como el módulo de Young y la relación de Poisson- y propiedades adicionales necesarias para la verificación según las normas de ingeniería, como las tensiones admisibles, los factores de seguridad y los límites de fatiga..
Gestión de materiales
Los materiales pueden gestionarse mediante las siguientes opciones:
- Eliminación de materiales: Los materiales no utilizados pueden eliminarse navegando a Modelo – Materiales – Eliminar múltiples, seleccionando los materiales y confirmando la eliminación.
- Edición múltiple: La edición por lotes de materiales es posible mediante Modelo – Materiales – Edición múltiple, lo que permite a los usuarios establecer los valores correspondientes o todos los valores de los materiales seleccionados.
- Diagrama coloreado: La función Modelo – Materiales – Diagrama coloreado visualiza los materiales asignados utilizando distintos colores y etiquetas.
Consideraciones especiales para las extensiones del SDC Verifier
- SDC for Ansys: Los datos relevantes para el MEF no pueden modificarse. Los valores de tracción y límite elástico editados en SDC Verifier no afectarán a las propiedades de los materiales de Ansys. La opción Actualizar desde Ansys permite actualizar automáticamente los valores de tracción y límite elástico desde Ansys.
- SDC for Femap & Simcenter 3D: Los materiales se asignan y gestionan con herramientas similares, incluyendo la edición múltiple, la eliminación de materiales y el trazado de colores para su visualización.
Para los usuarios que trabajan fuera de los entornos comerciales, las herramientas de AEF como Ansys Student Edition, FreeCAD o SimScale ofrecen puntos de entrada accesibles para flujos de trabajo de análisis educativos y preliminares.
Pasos finales en la gestión de materiales en el AEF
Una vez asignados y gestionados los materiales en SDC Verifier, es crucial garantizar la coherencia y la precisión antes de ejecutar la verificación estructural. Los pasos finales incluyen:
- Garantizar el cumplimiento de las normas de ingeniería
- SDC Verifier le permite incorporar las propiedades de los materiales exigidas por normas industriales como el Eurocódigo, AISC, DNV, ASME y otras. Aunque el software facilita la verificación, requiere que los usuarios introduzcan los valores adecuados en función de los requisitos específicos del código.
- El software utiliza los valores de límite elástico y resistencia a la tracción en las comprobaciones de conformidad, pero normalmente estos valores deben ser introducidos o confirmados por el usuario, especialmente si no se importan del modelo nativo.
- Optimizar la selección de materiales para la verificación
- Retire del modelo los materiales que no utilice para dejarlo más limpio.
- Utilice la edición por lotes para aplicar las modificaciones necesarias en varios materiales simultáneamente.
- Ejecutar la verificación estructural
- Una vez confirmadas las asignaciones de material, proceda con las comprobaciones de verificación estándar en SDC Verifier para asegurarse de que el modelo cumple los requisitos de seguridad y normativos.
Conclusión
La asignación y gestión precisas de los materiales son esenciales para un análisis de elementos finitos y una verificación estructural fiables. Con SDC Verifier, los usuarios pueden gestionar eficazmente las propiedades de los materiales, garantizando el cumplimiento de las normas de ingeniería y minimizando al mismo tiempo los esfuerzos de validación manual.
El software simplifica el proceso mediante actualizaciones automatizadas de materiales, edición por lotes y herramientas de verificación visual, reduciendo el riesgo de errores y mejorando la eficacia general del análisis. Siguiendo las mejores prácticas en la selección y asignación de materiales, los ingenieros pueden mejorar la precisión de sus simulaciones y obtener resultados de verificación más fiables.
