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ANSYS COMPOSITE PREPOST
Elaborado por: Andrés Liberatto
Fecha: 03/09/10
PAGE 2Introducción
Este informe presenta un estudio, mediante simulación numérica, del
comportamiento mecánico de tubos construidos en material compuesto, sujetos
a una presión interna. El documento describe una metodología de trabajo
utilizando el problema planteado arriba como ejemplo de utilización de la
herramienta ANSYS Composite Prepost 12.1 (ACP).
La simulación consiste en modelar un tramo de tubo cilíndrico (fmedio = 101.2
mm) formado por seis láminas de vidrio/epoxi, orientadas [90/+45/-45]s (espesor
0.2 mm c/u) y sujeto a una presión interna de 100 bar.
El procedimiento se describe considerando la creación del modelo desde “cero”,
es decir, desde la creación de la geometría.
PAGE 3Construcción de la Geometría
El trabajo comienza en ANSYS Workbench (o ANSYS Classic) planteando el tipo
de análisis que se desea realizar. Luego se importa o construye la geometría,
que debe estar formada por superficies y curvas. Se trabaja con un modelo de
cáscaras. En este caso el análisis es estático; y la geometría del cilindro fue
generada en ANSYS Design Modeler (12.1).
PAGE 4Setup del modelo – Preliminares
Definida la geometría se inicia el “setup” del
análisis de la misma forma que se haría si los
materiales no fuesen compuestos. Incluso es
necesario especificar algún espesor para las
cáscaras y también algún material.
Estas propiedades serán ignoradas y
reemplazadas por las de los materiales
compuestos cuando el modelo sea importado
en ACP.
PAGE 5Setup del modelo – Malla y definición de grupos
Si se conocen las regiones de la geometría en las
que los laminados son diferentes, se deben generar
“Named selections”. Cuando el modelo es mallado e
importado en ACP, los “Named selections” son
interpretados como grupos de elementos, facilitando
considerablemente la asignación de los diferentes
materiales.
La operación no es necesaria en este caso ya que
todo el tubo está formado por un mismo laminado.
PAGE 6Setup del modelo - Cargas y restricciones cinemáticas
La carga aplicada consiste en una presión interna de 100 bar. Las restricciones
cinemáticas deben ser tales que permitan al cilindro deformar radial y axialmente,
pero también deben asegurar que la estructura resulte isostática. (Se deben
cancelar los “Weak springs”.)
PAGE 7Importación al ANSYS Composite PrePost
“Antes de exportar el modelo al
ACP, es muy importante observar
que se ha seleccionado el análisis
deseado. Es en esta operación
donde se genera un archivo (.dat)
que contiene, además del modelo,
la información sobre el análisis.”
(*)
Malla
importada
1
2
Entorno gráfico ACP
Cuando se inicia ACP, se generan los archivos:
“sartACP.bat”, “Wb_model_SYS.dat”,
“Wb_model_SYS.acp” y “Wb_model_SYS_R0.acp”.
(*)
PAGE 8Contenido de los archivos “.dat” y “.acp”
Wb_model_SYS.acpWb_model_SYS.dat
Coordenadas de los nodos
Conectividades
Materiales (ANSYS Mechanical)
Tipos de elementos
Grupos (Named selections)
Cargas y condiciones de apoyo
Tipo de análisis
C:/…/”project”_files/user_files/ACP/
Materiales
Fabrics
Sistemas de referencia
Direcciones de referencia del material
Laminados
Durante la
importación, se crea
un directorio con el
nombre “ACP” (dentro
de “user_files”), en el
que estos archivos son
guardados.
PAGE 9ACPrePost - Materiales
ACP cuenta con un “árbol” que ayuda en la organización del “setup”. La figura
muestra como crear un material y cargar sus propuedades elásticas en las
diferentes direcciones.
PAGE 10ACPrePost – Límites de tensión y deformación
En la misma ventana “Material
Properties”, es posible introducir los
valores límite de tensión, de deformación
y otros parámetros del material, que
serán utilizados en el post proceso de
acuerdo con el criterio de falla
seleccionado (o combinación de ellos).
En ACP se encuentran disponibles los
siguiente criterios de falla: tensión
máxima, deformación máxima, Tsai-Hill,
Tsai-Wu, Hoffman, Hashin , Puck y LaRC.
PAGE 11ACPrePost – Importación y exportación de materiales
Es posible, una vez creados los materiales,
exportar el listado de propiedades a un
archivo “.csv”. De manera similar, si se
dispone del archivo “.csv” (exportado
previamente, exportado y luego modificado,
o creado con el formato correspondiente)
con el listado de materiales y sus
propiedades, también es posible
importarlos en ACP.
PAGE 12ACPrePost – Telas (fabrics)
Una vez creados los materiales, es necesario crear las telas (fabrics). El parametro
fundamental a cargar en esta ventana es el espesor de la lámina. También es
posible cargar el precio por unidad de superficie y los coeficientes de “draping”.
ACP tiene la capacidad de determinar la orientación final de las fibras una vez
dispuestas sobre la forma a copiar (la diferencia es muy significativa en regiones
de doble curvatura). Para ello utiliza los “draping coeficients”.
PAGE 13ACPrePost – Grupos de elementos
Bajo el nombre de “Element Sets” ACP guarda como grupos de elementos a los
“Named selections” creados en ANSYS Workbench. En este caso solo usaremos el
grupo “All_Elements”. La figura muestra cómo pedir a ACP que utilice las
superficies de la geometría como planos medios de los elementos.
PAGE 14ACPrePost – Sistemas de referencia
ACP permite crear tantos sistemas de referencia como
resulte necesario para dar las orientaciones deseadas
a las fibras. Para el tubo estudiado, se utiliza un
sistema de referencia cilíndrico que define como
dirección de referencia del material a todas las
circunferencias del cilindro.
PAGE 15ACPrePost – Grupos de elementos orientados
Cuando se crea un OES se define, para un grupo de elementos
seleccionado, una dirección normal a la superficie y el, o los,
sistemas de referencia que permiten orientar las fibras. La normal
sirve de referencia en el “apilamiento” de las distintas láminas que
forman el laminado.
PAGE 16ACPrePost – Normal y dirección de referencia
Normales
Direcciones de
referencia del
material
PAGE 17ACPrePost – Creación de grupos de laminados
Desde el punto de vista constructivo, un laminado se
obtiene a partir de apilar múltiples láminas. En ACP, un
laminado se define creando un “plygroup”, dentro del
cual se incorpora una pila de láminas (“ply”).
PAGE 18ACPrePost – Grupos de laminados
Cada “ply” utiliza un grupo de elementos orientados (OES), una tela o fabric
(también podría ser un stackup o sublaminate), su orientación respecto de la
diracción de referencia, reglas (de existir) y efecto de “draping”.
PAGE 19ACPrePost – Visualizaciones del laminado
ACP permite visualizar las diferentes capas que componen el laminado y sus
orientaciones respecto de la dirección de referencia del material.
De haber considerado el efecto de “draping” también sería posible visualizar la
dirección final de las fibras.
Dirección de referencia
Dirección de la fibra
(Lámina a 45º)
PAGE 20ACPrePost – Importación y exportación de laminados
Al igual que con los materiales, es posible,
una vez creados los grupos de láminas,
exportar el listado a un archivo “.csv”. Si se
dispone del archivo “.csv” (exportado
previamente, exportado y luego modificado,
o creado con el formato correspondiente)
con el listado de grupos, también es
posible importarlos en ACP.
PAGE 21ACPrePost - Análisis
Wb_model_SYS.out
Wb_model_SYS.rst
…
1
2
3
Entre otros archivos, el análisis del modelo devuelve uno de
resultados con extensión “.rst” que, al ser importado en ACP,
permite visualizar los resultados generados.
PAGE 22ACPrePost – Resultados del análisis (Estático)
Deformaciones totales. El extremo
derecho no sufre desplazamientos
axiales ya que así se han definido
las restricciones cinemáticas en
ANSYS Workbench.
Tensión normal en la dirección
“1” del material. De acuerdo con
el sistema de referencia elegido,
esta tensión ocurre en el sentido
circunferencial.
PAGE 23Procedimiento general
1. Abrir ANSYS Workbench
2. Seleccionar el tipo de análisis
3. Crear o importar la geometría
4. Abrir ANSYS Mechanical
5. Definir algún materiales y espesor (Serán ignorados por
ACP)
6. Generar la malla
7. Crear los grupos (Named Selections)
8. Realizar el “setup” para el análisis, definir cargas y soportes
9. Guardar el proyecto
10.Iniciar ACP
11.Crear los materiales
12.Crear las telas e intermediarios
13.Crear los sistemas de referencia necesarios
14.Crear las direcciones de referencia para cada conjunto de
elementos
15.Definir los grupos de láminas
16.Ejecutar el análisis del modelo
17.Importar los archivos de resultados
18.Crear visualizaciones
ANSYS
WORKBENCH
(ANSYS Classic)
SOLVER
ANSYS
COMPOSITE
PREPOST
ANSYS
MECHANICAL
.dat
.dat
+
Lay-up
.rst
.out
PAGE 24Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo
Utilización de varios sistemas de referencia para orientar los materiales:
Solo 1 sistema
de referencia
Mas de 10 sistemas de
referencia
PAGE 25Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo
Uso de “rules”:
PAGE 26Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo
Empleo de ”Draping coefficients”: Dirección de
referencia
Dirección
de las fibras
Dirección de las fibras
cuando se utilizan «draping
coefficients»
Representación de
la tela cubriendo la
semi-esfera.
Tela