Ingeniería estructural 101

Comprender las propiedades de los contactos: Contacto frente a conexiones pegadas

/ 08 Jul 2025 / por: Yevheniia Sidakova

En el AEF, definir con precisión la interacción entre los componentes es esencial para obtener simulaciones realistas. Las propiedades de los contactos son uno de los aspectos de cómo interactúan los objetos bajo carga; la formulación de los contactos (por ejemplo, método de penalización, Lagrange aumentado, restricción directa) y los parámetros del solucionador también influyen significativamente en los resultados

Las propiedades de los contactos son uno de los aspectos de cómo interactúan los objetos bajo carga; la formulación de los contactos (por ejemplo, método de penalización, Lagrange aumentado, restricción directa) y los parámetros del solucionador también influyen significativamente en los resultados

Entre ellos, dos tipos principales de interacción son el contacto y las conexiones pegadas. Comprender sus diferencias es crucial cuando los ingenieros necesitan conocer el comportamiento de los objetos que interactúan con contacto.

Este artículo explora las características fundamentales de las conexiones de contacto y pegadas, sus aplicaciones y las consideraciones clave para seleccionar el método adecuado en las simulaciones de elementos finitos.

Para más información sobre este tema, consulte Condiciones de contacto en el AEF.

¿Qué son las uniones por contacto frente a las uniones encoladas en el AEF?

En el AEF, la forma en que se conectan dos componentes puede afectar significativamente a la precisión y la estabilidad de su simulación. Aquí es donde el concepto de conexiones -tambiénconocido como definiciones de contacto-entra en juego. A grandes rasgos, se dividen en dos categorías principales: conexiones de contacto frente a conexiones pegadas que implican un comportamiento lineal y no lineal. Cada una se comporta de forma diferente y es adecuada para tipos específicos de problemas de ingeniería.

Contacto lineal frente a no lineal

En contacto lineal:

• Se supone que el comportamiento del material es elástico lineal.
• La matriz de rigidez no se actualiza durante la solución (es decir, no hay no linealidad geométrica ni de materiales).
• Es adecuado para materiales rígidos como el acero o el aluminio sometidos a pequeñas deformaciones, en los que la estructura no cede, no se pandea ni cambia significativamente de geometría.

Un ejemplo clásico es un punzón de acero que presiona contra una superficie rígida. Si las tensiones se mantienen por debajo del límite elástico, el comportamiento sigue siendo casi lineal y el contacto lineal puede ser una simplificación razonable. Esto puede reducir drásticamente el tiempo de cálculo y evitar problemas de convergencia en el software de elementos finitos.

El contacto no lineal es necesario cuando:

• Se producen grandes deformaciones,
• Los materiales ceden o muestran plasticidad,
• Las condiciones de contacto cambian drásticamente durante la simulación (por ejemplo, las superficies se separan o engranan).

Conexiones de contacto

Conexiones de contacto simulan interfaces físicas en las que las superficies pueden entrar y salir de contacto durante la carga. Pueden capturar una serie de fenómenos de interfaz del mundo real, incluyendo:

• Deslizamiento (movimiento tangencial),
• Separación (superficies que se separan),
• Efectos de fricción (resistencia al deslizamiento),

Los solucionadores de AEF admiten varias formulaciones de contacto para adaptarse a los requisitos de ingeniería:

• El contacto sin fricción permite el deslizamiento sin resistencia.
• El contacto por fricción tiene en cuenta la resistencia debida a la fricción.
• El contacto sin separación permite el deslizamiento pero impide que las superficies se separen.

Vea cómo funcionan la fricción y la transferencia de carga en el diseño y análisis de juntas.

Estos tipos de interacción son esenciales en los sistemas mecánicos en los que puede producirse un movimiento relativo, una transferencia de carga por contacto o un desprendimiento potencial, como en rodamientos, engranajes, uniones atornilladas y componentes ajustados a presión.

Conexiones encoladas

Las conexiones pegadas (a menudo denominadas contacto pegado) suponen que las superficies conectadas están permanentemente fijas: sin separación, sin deslizamiento, sin movimiento relativo. Desde un punto de vista matemático, son más sencillas que las interacciones de contacto porque no requieren la detección o el cumplimiento de las condiciones de contacto en cada paso de carga.

Las interacciones pegadas son ideales a la hora de simular:

• Juntas soldadas
• Componentes unidos adhesivamente
• Piezas monolíticas malladas con diferentes regiones de elementos
• El contacto atado o unido evita la separación y el deslizamiento, manteniendo las superficies efectivamente atadas.

Los muelles tipo cola en el AEF simulan las uniones adhesivas representando la unión como muelles con una rigidez definida, lo que permite cierta flexibilidad elástica y un movimiento relativo limitado entre las piezas. Esto modela el comportamiento de las interfaces pegadas de forma más realista que las uniones totalmente rígidas.

Las conexiones encoladas pueden utilizarse cuando no hay deslizamiento y no se espera ninguna separación, por ejemplo, cuando sólo hay fuerza de compresión que «cierra» el contacto.

Las conexiones soldadas representan uniones permanentes y rígidas en las que las piezas se fusionan, impidiendo cualquier movimiento relativo o separación. En el AEF, las soldaduras suelen modelarse como contactos pegados (unidos), lo que hace que los componentes conectados se comporten como una única pieza sólida.

Para obtener consejos de aplicación, consulte Modelado de uniones soldadas en el AEF.

Simplifican el modelado y el análisis, reducen el tiempo de solución y son estables incluso en modelos complejos. Sin embargo, utilizar interacciones pegadas de forma inadecuada -como en un ensamblaje atornillado donde las piezas deberían moverse- puede dar lugar a un comportamiento no físico y a resultados de tensión engañosos.

Además, en los ensamblajes mecánicos, todos los contactos entre componentes pueden producirse a través de varios tipos de interacciones, incluidos los contactos superficie con superficie, superficie con borde, borde con borde y vértice con superficie, como se ilustra en la figura siguiente.

(fuente)

Diferencias clave entre las conexiones por contacto y las pegadas

Implementación de las propiedades de contacto en el software de AEF

El software de diseño y análisis estructural, como SDC Verifier, proporciona herramientas sólidas para configurar y gestionar las propiedades de los contactos en los modelos de elementos finitos.

En SDC Verifier, los contactos pueden aplicarse directamente a la geometría o dentro del modelo de elementos finitos, lo que proporciona flexibilidad a la hora de definir y simular las interacciones entre los componentes. La configuración de las condiciones de contacto implica la gestión de tres entidades clave: Propiedades de contacto, Regiones de contacto y Conectores.

Las propiedades de contacto definen el comportamiento de la interfaz de contacto y se crean a través del modelo > Contactos > Propiedades de contacto > Añadir. Dentro de las propiedades de contacto, los usuarios especifican el tipo de interacción, que puede ser Contacto (Regular) o Pegado. El contacto regular permite un comportamiento de deslizamiento, separación y fricción, mientras que el contacto pegado asume una unión permanente sin movimiento relativo.

Los parámetros clave para las propiedades de contacto incluyen:

• Coeficiente de fricción: Define la fricción estática para los pares de contacto; se recomiendan valores de fricción uniformes para mantener la coherencia.
• Distancias de búsqueda: Las distancias de búsqueda mínima y máxima rigen el modo en que el solucionador detecta los contactos potenciales, con valores negativos que permiten modelar los ajustes de interferencia en los que las superficies se solapan.
• Controles de iteración: La fuerza máxima y las iteraciones de estado, junto con las tolerancias de convergencia, regulan la precisión y la estabilidad de la solución numérica.
• Manejo de la penetración inicial: Opciones para manejar los huecos o penetraciones al inicio del análisis, influyendo en cómo el modelo simula las condiciones de contacto inicial a presión o perfectas.

Estas funciones son útiles en el modelado de ajuste a presión e interferencias utilizando la automatización de SDC Verifier.

• Desplazamiento de la cáscara y desplazamiento z: Controle si el grosor de la cáscara y los desplazamientos de los elementos se incluyen en los cálculos de contacto.

En el caso de las conexiones encoladas, existen parámetros adicionales que rigen la formulación de la cola, que pueden ser:

• Pegamento tipo resorte, modelado de uniones adhesivas mediante conectores de resorte que permiten una flexibilidad elástica limitada.
• Pegamento tipo soldadura, que representa uniones rígidas, tipo soldadura, sin movimiento relativo.

Los factores de penalización determinan la rigidez de los elementos de contacto o cola, con opciones de escalado automático disponibles para mejorar la convergencia.

Las regiones de contacto definen los segmentos físicos en los que se producen interacciones de contacto o pegadas. Estas regiones pueden asignarse a cuerpos deformables o rígidos y se crean seleccionando entidades como elementos, nodos, superficies o curvas(Modelo > Contactos > Regiones de contacto > Añadir). Las regiones controlan qué superficies o aristas intervienen en la interacción y admiten opciones de ajustes de desplazamiento y definiciones de salida.

Más información sobre la definición de regiones de contacto en SDC Verifier.

En el caso de las superficies, es importante elegir correctamente el lado de la superficie que puede estar en contacto.

Por último, losConectores establecen el vínculo entre las regiones de contacto de origen y destino utilizando las propiedades de contacto definidas(Modelo > Contactos > Conectores > Añadir). Este paso permite al solucionador aplicar las condiciones de contacto o pegado especificadas entre las superficies o cuerpos designados.

Cuándo utilizar conexiones de contacto frente a pegadas

Utilice las conexiones de contacto cuando:

• Simulación de uniones atornilladas, remachadas o a presión.
• Modelado de interacciones en las que las piezas pueden desprenderse o deslizarse.
• Contacto modela las discontinuidades de tensión.
• Evaluación de los efectos de fricción entre componentes.
• Investigación del comportamiento del desgaste y la fatiga en piezas móviles.

Utilice conexiones encoladas cuando:

• Modelado de juntas soldadas, unidas con adhesivo o compuestas.
• Simulación de conexiones rígidas o semirrígidas.
• Las conexiones encoladas asumen la continuidad de la tensión.
• Reducción del esfuerzo computacional en modelos de gran tamaño.
• Garantizando una transferencia de carga completa entre los componentes.

Además, la calidad de la malla desempeña un papel fundamental en el comportamiento de los contactos y el rendimiento del solver.

Conclusión

Seleccionar el tipo de conexión adecuado es esencial para obtener resultados de análisis estructurales precisos y eficientes. Las conexiones de contacto son las mejores para modelar interfaces con potencial de separación o deslizamiento, mientras que las conexiones pegadas son ideales para uniones rígidas. Los ingenieros deben tener en cuenta el comportamiento mecánico, el coste computacional y la aplicación práctica a la hora de elegir entre estos métodos en las simulaciones por elementos finitos.