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22/05/14 09:322010 SolidWorks - Conceptos básicos del análisis

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Conceptos básicos del análisis

El software utiliza el Método de elemento finito (FEM). El FEM es una técnica numérica para analizar diseños deingeniería. El FEM está aceptado como el método de análisis estándar debido a su generalidad y compatibilidad paraser implementado en computadoras. El FEM divide el modelo en numerosas piezas pequeñas de formas simplesllamadas "elementos", que reemplazan eficazmente un problema complejo por muchos problemas simples que debenser resueltos de manera simultánea.

Modelo CAD de una pieza Modelo subdividido en piezas pequeñas(elementos)

Los elementos comparten puntos comunes denominados nodos. El proceso de división del modelo en pequeñas piezasse denomina mallado.

El comportamiento de cada elemento es bien conocido bajo todas las situaciones de soporte y carga posibles. Elmétodo de elemento finito utiliza elementos con formas diferentes.

La respuesta en un elemento, en cualquier momento, se interpola desde la respuesta en los nodos del elemento. Cadanodo está descrito en detalle por un cierto número de parámetros, según el tipo de análisis o del elemento utilizado.Por ejemplo, la temperatura de un nodo describe por completo su respuesta en el análisis térmico. Para el análisisestructural, la respuesta de un nodo está descrita, por lo general, por tres traslaciones y tres rotaciones. Sedenominan grados de libertad (GDL). El análisis que utiliza FEM se denomina Análisis de elementos finitos (FEA).

Un elemento tetraédrico. Los puntos rojos



representan nodos. Las aristas de un elementopueden ser curvadas o rectas.

El software formula las ecuaciones que rigen el comportamiento de cada elemento teniendo en cuenta su conectividadcon los demás elementos. Estas ecuaciones hacen referencia a la respuesta de cargas, restricciones y propiedades delmaterial conocidas.

A continuación, el programa organiza las ecuaciones en un conjunto mayor de ecuaciones algebraicas simultáneas yresuelve las desconocidas.

En el análisis de tensión, por ejemplo, el solver encuentra los desplazamientos en cada nodo y, posteriormente, elprograma calcula las deformaciones unitarias y finalmente las tensiones.

El software ofrece los siguientes tipos de estudios:

Estudios estáticos (o de tensión). Los estudios estáticos calculan desplazamientos, fuerzas de reacción,deformaciones unitarias, tensiones y la distribución del factor de seguridad. El material falla en ubicacionesdonde las tensiones exceden cierto nivel. Los cálculos del factor de seguridad se basan en uno de cuatrocriterios de fallos.

Los estudios estáticos pueden ayudarle a evitar fallos ocasionados por altas tensiones. Un factor de seguridadmenor que la unidad indica una falla del material. Factores de seguridad elevados en una región contiguaindican tensiones bajas y la posibilidad de eliminar algún material de esta región.

Estudios de frecuencia. Un sólido alterado de su posición de descanso tiende a vibrar con ciertas frecuenciasdenominadas naturales o resonantes. La frecuencia natural más baja se denomina frecuencia fundamental. Paracada frecuencia natural, el sólido adquiere una determinada forma denominada forma modal. El análisis defrecuencia calcula las frecuencias naturales y las formas modales asociadas.

En teoría, un sólido tiene un número infinito de modalidades. En FEA, teóricamente existen tantasmodalidades como grados de libertad (GDL). En la mayoría de los casos, sólo se tienen en cuenta unascuantas modalidades.

Se produce una respuesta excesiva si un sólido está sujeto a una carga dinámica que vibra en una de susfrecuencias naturales. Este fenómeno se denomina resonancia. Por ejemplo, un automóvil con una rueda malalineada tiembla violentamente cuando alcanza una determinada velocidad a causa de la resonancia. Eltemblor, en cambio, disminuye o desaparece a otras velocidades. Otro ejemplo es el de un sonido fuerte,como la voz de un cantante de ópera, que puede romper un cristal.

El análisis de frecuencia puede ayudarle a evitar fallos por tensiones excesivas causadas por la resonancia.También proporciona información sobre cómo solucionar problemas relacionados con la respuesta dinámica.

Estudios dinámicos. Los estudios dinámicos calculan la respuesta de un modelo originada por cargas que seaplican de forma repentina o cambios con el tiempo o frecuencia.

Los estudios dinámicos lineales se basan en los estudios de frecuencia. El software calcula la respuesta delmodelo mediante la acumulación de la contribución de cada modo al entorno de carga. En la mayoría de loscasos, sólo los modos más bajos contribuyen significativamente a la respuesta. La contribución de un mododepende del contenido, magnitud, dirección, duración y ubicación de la frecuencia de la carga.

Los objetivos de un análisis dinámico incluyen: (a) el diseño de sistemas estructurales y mecánicos parafuncionar sin fallos en entornos dinámicos y (b) la reducción de efectos de vibración.

Estudios de pandeo. El pandeo es un desplazamiento amplio y repentino ocasionado por cargas axiales. Lasestructuras delgadas sujetas a cargas axiales pueden fallar debido al pandeo en niveles de carga menores que



los requeridos para causar un fallo del material. Existen diversas modalidades de pandeo ocasionadas pordiferentes niveles de carga. En muchos casos, sólo la carga de pandeo más baja resulta de interés.

Los estudios de pandeo pueden ayudarle a evitar fallos ocasionados por pandeo.

Estudios térmicos. Los estudios térmicos calculan temperaturas, gradientes de temperatura y flujo del calorsobre la base de la generación de calor y condiciones de conducción, convección y radiación. Los estudiostérmicos pueden ayudarle a evitar condiciones térmicas no deseadas, tales como el sobrecalentamiento y lafusión.

Estudios de diseño. Los estudios de optimización de diseño automatizan la búsqueda del diseño óptimo sobrela base de un modelo geométrico. El software está equipado con una tecnología que permite detectarrápidamente tendencias e identificar la solución óptima utilizando el número mínimo de ejecuciones. Losestudios de optimización del diseño requieren la definición de los siguientes puntos:

Objetivos. Defina el objetivo del estudio. Por ejemplo, material mínimo a ser utilizado.

Variables de diseño. Seleccione las cotas que pueden cambiar y establezca sus intervalos. Por ejemplo,el diámetro de un taladro puede variar de 0.5 a 1 pulgada, mientras que la extrusión de un croquispuede variar de 2.0 a 3.0 pulgadas.

Restricciones. Establezca las condiciones que debe cumplir el diseño óptimo. Por ejemplo, puedeestablecer que el componente de tensión no exceda cierto valor y que la frecuencia natural se encuentredentro de un intervalo especificado.

Nota: No defina objetivos para el estudio de no optimización de diseño.

Estudios no lineales. Cuando las suposiciones del análisis estático lineal no son aplicables, se pueden usar losestudios no lineales para resolver el problema. Las principales fuentes de no linearidad son: grandesdesplazamientos, propiedades de material no lineales y contacto. Los estudios no lineales calculandesplazamientos, fuerzas de reacción, deformaciones unitarias y tensiones en niveles variables crecientes decargas y restricciones. Cuando no se pueden ignorar las fuerzas de inercia y amortiguamiento, puede utiliza unanálisis dinámico no lineal.

Los estudios no lineales se refieren a los estudios estructurales no lineales. Para los estudios térmicos, elsoftware soluciona automáticamente un problema lineal o no lineal sobre la base de propiedades de material,además de restricciones y cargas térmicas.

La solución de un problema no lineal requiere mucho más tiempo y recursos que la solución de un estudioestático lineal similar.

El principio de superposición no es aplicable a los estudios no lineales. Por ejemplo, si la aplicación de unafuerza F1 causa una tensión S1 y la aplicación de una fuerza F2 causa una tensión S2 en algún punto,entonces la aplicación de las fuerzas juntas NO necesariamente ocasiona una tensión (S1+S2) en el punto,como en el caso de los estudios lineales.

Los estudios no lineales pueden ayudarlo a determinar el comportamiento del diseño más allá de laslimitaciones de los estudios estáticos y de pandeo.

Los estudios estáticos ofrecen una solución no lineal para problemas de contacto cuando se activa laopción Gran desplazamiento.

Estudios de caída. Los estudios de caída evalúan los efectos ocasionados al dejar caer el diseño sobre un suelorígido. Usted puede especificar la distancia de la caída y la velocidad en el momento del impacto, además de lagravedad. El programa soluciona un problema dinámico como una función de tiempo, por medio de la



utilización de métodos de integración explícitos. Los métodos explícitos son veloces pero requieren del uso depequeños incrementos de tiempo. Debido a la gran cantidad de información que el análisis puede generar, elprograma guarda resultados en ciertos momentos y ubicaciones, tal como haya sido especificado antes deejecutar el análisis.

Cuando el análisis se ha completado, se puede trazar o graficar desplazamientos, velocidades, aceleraciones,deformaciones unitarias y tensiones.

Estudios de fatiga. La carga repetida debilita los objetos a lo largo del tiempo, incluso cuando las tensionesinducidas son considerablemente inferiores a los límites de tensión permitidos. El número de ciclos requeridospara la falla de fatiga que ocurrirán en una ubicación depende del material y de las fluctuaciones de tensión.Esta información, para un material en particular, es proporcionada por una curva denominada curva S-N. Lacurva describe el número de ciclos que ocasionan fallas para diferentes niveles de tensión. Los estudios defatiga evalúan la vida consumida de un objeto sobre la base de casos de fatiga y curvas S-N.

Engineering

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