ANLISIS DE ESTRUCTURAS MECNICAS CON EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS Aplicaciones y estudio de casos

Prof. Marcos Salas Inzunza Lic. Ing.; M.Sc.; Ph.D.

msalas@uach.cl

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Caso1: Conociendo ANSYS Esta es una gua introductoria para el programa de elementos finitos ANSYS, en la cual se da una breve descripcin de las ventanas y mens principales, de manera de familiarizar al analista con el programa.

ANSYS como cualquier programa de elementos finitos, consta de tres partes principales: Preproceso Consiste en crear y discretizar el objeto de anlisis por medio de elementos finitos, esto es, subdividir el problema en nodos y elementos. Asumir una funcin de forma para representar el comportamiento fsico de un elemento, esto es, se asume una funcin continua aproximada para representar la solucin de un elemento. Desarrollar ecuaciones para ese elemento Montar los elementos para representar el problema completo. Elaborar la matriz global de rigidez. Solucin En esta etapa se aplican las condiciones de contorno, condiciones iniciales y las cargas. Finalmente se resuelve simultneamente un set de ecuaciones algebraicas lineales o no lineales para obtener resultados nodales, tales como los valores de los desplazamientos en los diferentes nodos o las temperaturas en los nodos en un problema de transferencia de calor. Postproceso Obtener informacin adicional, por ejemplo esfuerzos principales, reaciones nodales, flujo de calor, etc. Hay varias formas de formular la solucin de un problema de elementos finitos, a saber: 1) Mtodo directo 2) Mtodo de la energa potencial total mnima 3) Metodos de peso residual

Como en todos los programas de elementos finitos la mayor parte del esfuerzo

se usa en la fase de Preproceso en la cual es donde se construye el modelo de

elementos finitos (FE), el cual est compuesto de nodos y elementos.

Hay distintos tipos de elementos, cada cual con ventajas y desventajas y

diversos grados de flexibilidad. En general se recomienda modelar con los

elementos ms simples que puedan representar adecuadamente el problema.

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1.- 1-D Elemento Lnea

Que simula resortes, vigas, barras, tubos, etc.

2-D Elemento Plano

Que simula placas, membranas y cscaras, etc.

3-D Elemento Slido

Que simula anlisis en 3D de campos de temperatura, flujos, slidos, etc. Existen adems muchos otros tipos de elementos dependiendo del anlisis que se quiera realizar. Por ejemplo, estudio de magnetismo o mecnica de fluidos. Principales Mens de ANSYS Ahora Daremos un vistazo inicial a los principales mens de ANSYS dando

una pequea descripcin de su funcin.

Men Principal Por medio de este men se ingresa a todas las fases del anlisis de un problema haciendo

clic sobre la opcin requerida.

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Preprocesador Por medio de este men podemos ingresar a:

Element Type: donde se determina el tipo de elemento a utilizar en el modelo.

Real Constant: sirve para dar caractersticas geomtricas del elemento (espesor, rea

transversal, inercias, etc.)

Material Props: sirve para dar las caractersticas mecnicas del material del

elemento (mdulo de Young, coeficiente de

poisson, etc.)

Modeling: en este men se procede a crear el modelo,

Meshing : sirve para acceder a las propiedades del mallado del modelo, por

ejemplo tamao de los elementos, elegir

superficie a mallar, seleccionar elementos malos, etc.

Submen Modeling

En este submen podemos crear:

Keypoints: son puntos usados como base para crear una figura geomtrica o bien una

lnea.(no confundir con nodos)

Lneas: Estas se pueden crear a travs de keypoints o bien de nodos.

reas : como parte de la geometra de un modelo.

Volmenes: como parte de la geometra de un modelo.

Nodos : son puntos creados como base para definir los elementos, que forman parte del

modelo. Estos se pueden definir de distintas

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formas, la ms comn es por medio de coordenadas cartesianas (x,y,z).

Elementos: Son las divisiones de un modelo, de las cuales el programa define ecuaciones para resolver las incgnitas.

Submen Operate: Este submen sirve, entre otras funciones para agregar un rea a otra, dividirlas, pegarlas, etc.

Submen Move/Modify: Este submen, sirve para mover o modificar keypoints, lneas, reas, elementos y nodos. Es muy til para corregir errores

de modelado o para corregir los atributos de los elementos.

Submen Copy: Como su nombre lo indica con este comando se puede copiar cualquier parte de una geometra de un modelo, ya sea nodos,

elementos, lneas, etc.

Submen Reflect: Sirve para hacer una vista espejo de un modelo o de sus componentes, es de mucha utilidad cuando se modelan estructuras

simtricas.

Submen Check Geom: Su utilidad radica en comprobar que la geometra del modelo fue bien ingresada al momento de construirlo.

Submen Delete : Sirve para borrar cualquier parte de la geometra de un modelo, ya sea keypoints, nodos, elementos, reas, lneas,etc

Men Solution

Analisys Type: en este submen se selecciona el tipo de anlisis a realizar

(esttico, modal, armnico, etc.)

Loads: sirve para aplicar, borrar o cambiar cargas y condiciones de contorno

en el modelo; se puede aplicar diferentes

cargas, ya sea fuerzas, momentos, presin,

temperaturas.

Para aplicar condiciones de contorno est el submen Displacement, es decir se

puede restringir los movimientos en

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distintas direcciones o bien las rotaciones con respecto a un eje.

Para resolver el modelo est el submen Solve > Current LS, el calcula el modelo bajo una condicin de carga actual. (LS = Load Step).

Men General Postprocessor Como se mencion anteriormente en la fase

de Postproceso se revisan y analizan los

resultados calculados por el programa, los

cuales pueden ser presentados de distintas

maneras, ya sea grficamente (Plot Results);

mediante la ventana grfica de ANSYS) o

bien con listas de los resultados requeridos

(List Result), ests listas no pueden ser

alteradas.

En la entrega de resultados grficos hay

opciones para ver el modelo deformado bajo

la condicin de carga con la que fue

calculado; y los resultados entregados

mediante colores los cuales significan

desplazamientos, esfuerzos, etc..

Men Utility

En men este posee una gran variedad de opciones. Sus caractersticas ms

importantes son:

File : como en cualquier programa en este comando sirve para: Abrir un archivo .db(extensin usada por ANSYS). Cerrar un archivo y abrir uno en blanco.

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Guardar un archivo. Dar un titulo al problema (no al archivo). Importar y exportar archivos desde y hacia otros software. Ver una lista con errores. Etc.

Select: sirve para seleccionar distintas partes de la geometra del modelo por separado, un nodo(elemento, lnea, keypoint, etc) especfico.

List: sirve para generar un archivo de texto con una caracterstica especifica, por ejemplo, una lista de nodos (en coordenadas), una lista de

elementos, etc. Plot: sirve para mostrar en la ventana grafica un carcter especfico del modelo, ya sea nodos, elementos, lneas, etc.

PlotCtrl: este cascada de comandos tiene muchas funciones, entre las que destacan podemos mencionar:

Pan/Zom/Rotate: abre una ventana la cual contiene una gran cantidad de comandos para dar diferentes puntos de vista del modelo creado.

Numbering: Sirve para indicar en la ventana grafica la caracterstica numeral de elementos, nodos, ..

Simbols: su caracterstica principal es que sirve para graficar en pantalla por medio de un smbolo, cargas, condiciones de contorno,

reacciones, ejes coordenado, etc.

Animate: sirve para abrir una archivo de animacin (.avi) de la deformacin, modo de vibrar, etc. de un modelo.

Font Control: Sirve para cambiar el entorno de las ventanas, (Color de fondos, de texto, etc)

Etc.

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WorkPlane: su utilidad radica en que con sus comandos se pueden crear y alterar plantillas (mallas) de dibujo, sistemas coordenados(cartesianos y

polares) locales y globales, etc.

Parameters: tiene comandos para crear variables de diseo (en el caso de diseos de optimizacin).

Macro: crea, lee y ejecuta archivos con extensin .txt con caractersticas mecnicas referentes a un modelo. Tambin se pueden crear (personalizar)

comandos abreviados para trabajar con la ventana Input de ANSYS.

MenuCtrls : sirve para activar y desactivar las diferentes ventanas que abre ANSYS, al iniciarse.