Análisis en SolidWorks Simulation

Análisis en SolidWorks Simulation

1. Análisis estático lineal

   • Cuando se aplican cargas a un sólido, el sólido se deforma y el efecto de las cargas se transmite a través del sólido.
     • Las cargas externas inducen fuerzas internas y reacciones para renderizar el sólido a un estado de equilibrio.
     • El análisis estático lineal calcula los desplazamientos, las deformaciones unitarias, las tensiones y las fuerzas de reacción bajo el efecto de cargas aplicadas.
     • Suposiciones
       • Suposición estática
         • Todas las cargas se aplican lenta y gradualmente hasta que alcanzan sus magnitudes completas. A continuación, las cargas permanecen constantes (sin variación en el tiempo).
         • Esta suposición nos permite ignorar las fuerzas inerciales y de amortiguación debido a pequeñas aceleraciones y velocidades poco significativas.
         • Las cargas que varían con el tiempo y que inducen fuerzas inerciales y/o de amortiguación significativas pueden garantizar el análisis dinámico. Las cargas dinámicas cambian con el tiempo y en muchos casos inducen fuerzas inerciales y de amortiguación considerables que no pueden ser descuidadas.
       • Suposición de linealidad
         • La relación entre cargas y respuestas inducidas es lineal. Por ejemplo, si duplica las cargas, la respuesta del modelo (desplazamientos, deformaciones unitarias y tensiones) también se duplica.
           • Se puede realizar la suposición de linealidad si:
             • Todos los materiales del modelo cumplen con la Ley de Hooke, esto es, la tensión es directamente proporcional a la deformación unitaria.
             • Los desplazamientos inducidos son lo suficientemente pequeños como para ignorar el cambio en la rigidez causado por la carga.
             • Las condiciones de contorno no varían durante la aplicación de las cargas. Las cargas deben ser constantes en cuanto a magnitud, dirección y distribución. No deben cambiar mientras se deforma el modelo.

2. Análisis de frecuencias

   • Cada estructura tiene la tendencia a vibrar a ciertas frecuencias, llamadas frecuencias naturales o resonantes. Cada frecuencia natural se asocia a una forma determinada, llamada forma modal, que el modelo tiende a adoptar al vibrar a esa frecuencia.
     • Cuando una estructura es excitada adecuadamente por una carga dinámica con una frecuencia que coincide con una de sus frecuencias naturales, la estructura sufre grandes desplazamientos y tensiones (este fenómeno se denomina resonancia).
     • En el caso de los sistemas sin amortiguar, la resonancia teóricamente causa movimiento ilimitado (la amortiguación, sin embargo, pone un límite a la respuesta de las estructuras debido a las cargas resonantes).
     • Efecto de las cargas en el análisis de frecuencias
       • Al construir la geometría de un modelo, generalmente se crea según la forma original (no deformada) del modelo. Algunas cargas, como el peso propio de la estructura, están siempre presentes y pueden causar efectos considerables en la forma de la estructura y en sus propiedades modales. En muchos casos, este efecto puede omitirse, ya que las desviaciones inducidas son pequeñas.
       • Las cargas afectan las características de modalidad de un sólido. Por ejemplo, las cargas compresivas disminuyen las frecuencias de resonancia y las cargas de tracción las aumentan. Este hecho se demuestra fácilmente modificando la tensión de las cuerdas de un violín; cuanto más alta sea la tensión, más alta será la frecuencia (tono).
     • Cargas dinámicas
       • El efecto de las cargas en frecuencias y formas de modo no se tiene en cuenta al utilizar los estudios dinámicos lineales, ya que su cálculo se basa en un estado del modelo libre de tensión.
       • Se recomienda definir un estudio dinámico no lineal en su lugar para tener en cuenta cualquier posible efecto de rigidización o suavizado de tensión que pueda alterar las características de modalidad del modelo.

3. Análisis de pandeo linealizado

   • El pandeo se define como la deformación repentina que se produce cuando la energía de la membrana almacenada (axial) se convierte en energía de deformación sin cambios en las cargas aplicadas externamente.
     • Un modelo puede sufrir pandeo en diferentes formas bajo niveles de carga diferentes. La forma que toma el modelo durante el pandeo se llama forma modal del pandeo y la carga se denomina carga crítica o de pandeo.
     • El análisis de pandeo calcula una cantidad de modos según se requiera en el cuadro de diálogo Pandeo. Generalmente los diseñadores están interesados en el modo más bajo (modo 1) debido a que está asociado a la carga crítica más baja.
     • Cuando el pandeo es el factor de diseño crítico, el cálculo de múltiples modos de pandeo ayuda a determinar las áreas débiles del modelo. Las formas modales pueden ayudarlo a modificar el modelo o pueden ayudar al sistema de soporte a evitar el pandeo en un modo determinado.
     • ¿Cuándo se utiliza?
       • Las piezas delgadas y los ensamblajes con piezas delgadas que se cargan en dirección axial se deforman bajo cargas axiales relativamente pequeñas. Dichas estructuras pueden presentar errores debido al pandeo mientras que las tensiones están muy por debajo de los niveles críticos. En el caso de dichas estructuras, la carga de pandeo se convierte en un factor de diseño crítico.
         • Generalmente no se requiere el análisis de pandeo para las estructuras voluminosas ya que el error se produce previamente debido a tensiones altas.

4. Análisis estático no lineal

   • El análisis estático no lineal supone que las relaciones entre las cargas y la respuesta inducida es lineal. Por ejemplo, si duplica la magnitud de las cargas, la respuesta (desplazamientos, deformaciones unitarias, tensiones, fuerzas de reacción, etc.) también se duplica.
     • Todas las estructuras reales se comportan de forma no lineal de uno u otro modo en algún nivel de la carga. En algunos casos, el análisis lineal puede ser adecuado. En muchos otros, la solución lineal puede producir resultados erróneos debido a que se violan las suposiciones sobre las que se basa. La no linealidad puede ser provocada por el comportamiento del material, los grandes desplazamientos y las condiciones de contacto.
     • En el análisis estático no lineal, no se consideran los efectos dinámicos como las fuerzas inerciales y de amortiguación. El procesamiento de un estudio no lineal difiere del procesamiento de un estudio estático de la siguiente manera:
       • Propiedades del estudio
         • El cuadro de diálogo No lineal incluye cuatro pestañas: Solución, Opciones avanzadas, Incluir efectos térmicos/de fluidos y Comentarios. Las pestañas Solución y Opciones avanzadas establecen opciones y parámetros relacionados con los procedimientos numéricos que se utilizarán en la solución del problema. Las pestañas Incluir efectos térmicos/de fluidos y Comentarios son similares a las que se encuentran en el cuadro de diálogo Propiedades del estudio estático.
       • Cargas y restricciones
         • Cuando se utiliza el método de control de fuerza, se definen las restricciones y las cargas como funciones de tiempo. En el caso de la viscoelasticidad y los problemas de fluencia, y en análisis dinámicos no lineales, el tiempo es real. En el caso de otros problemas, el tiempo es una pseudovariable que especifica el nivel de carga en pasos de solución diferentes.
       • Soluciones
         • La solución de los estudios no lineales incluye el cálculo de los resultados en diferentes pasos de la solución (niveles de carga y restricción). Los procedimientos numéricos son más complejos que la solución de los estudios estáticos lineales. Al buscar la convergencia a la solución correcta en un paso de la solución, el programa realiza una cantidad de iteraciones. Por estos motivos, la solución de estudios no lineales demanda mucho más tiempo y recursos que la solución de estudios estáticos lineales.
           • A pesar de que el programa calcula los resultados en diferentes pasos de la solución, sólo conserva los resultados del último paso de la solución de forma predeterminada. Puede seleccionar ciertas ubicaciones y pasos de la solución en los cuales se conserven los resultados como parte de las propiedades de definición del estudio.
       • Resultados
         • Los resultados están disponibles como funciones de tiempo. Por ejemplo, las tensiones están disponibles en diferentes pasos de la solución. Además de ver los resultados en el último paso de solución, puede ver resultados en otros pasos de solución solicitados en las propiedades del estudio para la solución. En el caso de las ubicaciones seleccionadas en las propiedades del estudio, puede graficar los resultados como función de pseudotiempo (historial de carga).

5. Análisis de caída

   • Los estudios de caída evalúan el efecto del impacto de una pieza o un ensamblaje con una superficie plana flexible o rígida. Una aplicación típica es dejar caer un objeto hasta que choque contra el piso; de allí su nombre. El programa calcula automáticamente el impacto y las cargas de gravedad. No se permiten otras cargas ni restricciones.
     • Cálculos
       • Las fuerzas externas R(t) incluyen las fuerzas gravitacionales y de impacto.
         • Hay dos tipos básicos de métodos para integrar directamente esta ecuación en el dominio de tiempo; los métodos implícitos y los métodos explícitos. Los métodos explícitos no requieren el ensamblaje o la descomposición de la matriz de rigidez; una función conveniente que ahorra tiempo y recursos del equipo. Sin embargo, requieren que el paso de tiempo sea más pequeño que un valor crítico para que la solución sea convergente. El paso de tiempo crítico es típicamente muy pequeño.
         • Los esquemas de integración implícitos brindan soluciones aceptables, con pasos de tiempo que generalmente son uno o dos grados más grandes que el paso de tiempo crítico requerido por los métodos explícitos. Sin embargo, requieren cálculos intensivos en cada paso de tiempo.
         • El software utiliza un método de integración de tiempo explícito para solucionar los estudios de caída. Calcula automáticamente el paso de tiempo crítico según el tamaño del elemento más pequeño y utiliza el valor menor para evitar la divergencia. Puede suprimir las operaciones muy pequeñas, cuando sea adecuado, o utilizar el control de malla para evitar la generación de elementos muy pequeños. El programa ajusta internamente el paso de tiempo mientras avanza la solución.
     • Convergencia
       • Una buena transición en la malla ayuda a la convergencia. La transición rápida en la malla puede causar divergencia. El solver comprueba esta condición inspeccionando el balance de energía. Muestra un mensaje y se detiene cuando el balance de energía indica divergencia.

6. Análisis dinámico

   • Los estudios estáticos suponen que las cargas son constantes o se aplican muy lentamente hasta que alcanzan sus valores completos. Debido a esta suposición, la velocidad y aceleración de cada partícula del modelo se supone nula. Como resultado, los estudios estáticos desprecian las fuerzas de inercia y amortiguación.
     • Para muchos casos prácticos, las cargas no se aplican lentamente ni cambian con el tiempo o la frecuencia. Para esos casos, utilice un estudio dinámico. Como regla general, si la frecuencia de una carga es mayor que 1/3 de la frecuencia más baja (fundamental), debe utilizarse un estudio dinámico.
       • Los objetivos de la realización de un análisis dinámico incluyen:
         • Diseñar sistemas estructurales y mecánicos para funcionar sin errores en entornos dinámicos.
         • Modificar las características del sistema (geometría, mecanismos de amortiguamiento, propiedades de material, etc.) para reducir los efectos de la vibración

7. Análisis de fatiga

   • Se observa que la carga y la descarga repetidas debilitan los objetos a lo largo del tiempo, incluso cuando las tensiones inducidas son considerablemente inferiores a los límites de tensión permitidos (este fenómeno es conocido como fatiga).
     • Cada ciclo de fluctuación de tensión debilita al objeto hasta cierto punto. Después de una cantidad de ciclos, el objeto está tan débil que falla.
       • La fatiga es la causa fundamental de error en muchos objetos, especialmente en aquellos hechos de metal. Algunos ejemplos de error por fatiga incluyen maquinarias giratorias, pernos, alas de aviones, productos de consumo, plataformas flotantes, buques, ejes de vehículos, puentes y huesos.
         • Los estudios estructurales lineales y no lineales no predicen fallos originados por la fatiga, sino que calculan la respuesta de un diseño sujeto a un entorno específico de restricciones y cargas. Si se consideran las suposiciones de análisis y se determina que las tensiones calculadas están dentro de los límites permitidos, los estudios concluyen que el diseño es seguro en este entorno independientemente de cuántas veces se aplique la carga.
         • Los resultados de los estudios dinámicos lineales de historia-tiempo, estáticos o no lineales se pueden utilizar como base para definir un estudio de fatiga. El número de ciclos requeridos para 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, la proporciona una curva denominada curva SN.
         • Etapas de fallo causado por fatiga
           • Etapa I
             • Se producen una o más fisuras en el material. Las fisuras pueden producirse en cualquier parte del material pero, generalmente, se producen en las caras de los límites debido a fluctuaciones de tensión más altas. Las fisuras pueden producirse por muchas razones. Algunas de ellas son las imperfecciones de la estructura microscópica de los materiales y los rayones causados por el montaje o la manipulación de algunos de ellos.
           • Etapa II
             • Algunas o todas las fisuras aumentan su tamaño debido a la carga continua.
           • Etapa III
             • La capacidad del diseño para resistir las cargas aplicadas continúa deteriorándose hasta que se produce el fallo.
           • Las fisuras por fatiga comienzan en la superficie del material. El refuerzo de las superficies del modelo aumenta su vida útil en sucesos de fatiga.

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