Un análisis típico de ANSYS consta de tres pasos fundamentales:
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ANSYS es una marca registrada. Toda la información contenida en este anexo fue obtenida del Manual de Referencia de ANSYS 6.1
1. Construcción del modelo.
2. Aplicación de cargas y obtención de la solución 3. Revisión de los resultados.
A.1.1 CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
La construcción del modelo es la que requiere la mayor parte del tiempo que cualquier otra parte del análisis. En esta etapa deben definirse el tipo de elemento o elementos que van a utilizarse, las constantes reales de los elementos, las propiedades materiales y la geometría del modelo. El sistema de ANSYS no asume un sistema de unidades para el análisis. Se pueden escoger las unidades que se deseen pero debe tenerse cuidado de que dichas unidades sean consistentes en todos los datos de entrada.
La librería de ANSYS contiene más de 150 tipos de elemento finito. Cada elemento tiene un número único y un prefijo que identifica la categoría del elemento: BEAM4, PLANE77, SOLID96, etc., Cuando se selecciona el tipo de elemento, automáticamente quedan determinadas algunas propiedades como:
• El conjunto de grados de libertad (lo cual también queda implícito al elegir la modalidad de análisis: estructural, térmico, magnético, eléctrico, etc.).
• Si el elemento elegido se encuentra en el espacio bidimensional o tridimensional.
Muchos elementos finitos tienen opciones adicionales conocidas como KEYOPTs. Estas opciones permiten al programa hacer otras determinaciones como calcular desplazamientos intermedios o suprimir desplazamientos extras, etc. En la librería de tipos de elemento finito se encuentran detalladas cada una de las KEYOPTs para cada uno de los elementos finitos.
Las constantes reales son las propiedades que dependen del tipo de elemento, tales como la sección transversal de una viga, el momento de inercia y la altura: la constante de deflexión por cortante, la deformación inicial y la densidad. No todos los elementos requieren constantes reales y diferentes elementos del mismo tipo, pueden tener constantes reales diferentes. Cada conjunto de constantes reales tiene un número de referencia.
La mayoría de los elementos requiere también de las propiedades materiales. Dependiendo de la aplicación, las propiedades materiales pueden ser lineales o no lineales. Al igual que con los tipos de elemento y las constantes reales, el conjunto de propiedades materiales tiene un número de referencia para cada material.
Las propiedades materiales lineales pueden ser constantes o dependientes de la temperatura, e isotrópicas u ortotrópicas. Entre éstas se encuentran el módulo de Young, módulo de Poisson, módulo de Corte, densidad del material, coeficiente de dilatación térmica, etc. Esto deberá especificarse en el programa.
Para materiales isotrópicos se necesita definir solo las propiedades en la dirección X, el programa asume que las propiedades en las otras direcciones son las mismas.
El programa admite también propiedades materiales elásticas anisotrópicas. Se pueden escoger propiedades materiales lineales, constantes, isotrópicas, etc., a partir de las librerías disponibles. Las propiedades materiales no lineales se introducen en forma de datos tabulados. Datos tales como curvas esfuerzo-deformación, datos de campo magnético, datos de creep, datos de
expansión, materiales hiperelásticos, etc., Al definir las propiedades no lineales, automáticamente se activa la tabla para recibir la información.
El modelo de comportamiento del material también puede elegirse desde un menú. Los modelos disponibles son estructural, térmico, electromagnético, acústico, de fluidos, piezoeléctricos.
Geometría del modelo
Una vez que se definen las propiedades de los materiales, el siguiente paso es general el modelo de elementos finitos y nodos. Existen dos métodos para crear el modelo de elementos finitos: modelando el sólido y la generación directa. Cuando se modela el sólido, se describe la forma geométrica del modelo y se pide al programa que haga un mallaje automático. El programa genera los nodos y los elementos. Se pueden también controlar el tamaño y la forma de los elementos. En la generación directa, se tienen que definir manualmente la posición de cada nodo y la conectividad de cada elemento. El método que se escoja será de acuerdo a las necesidades de cada modelo.
A.1.2 APLICACIÓN DE CARGAS Y OBTENCIÓN DE LA SOLUCIÓN
En este paso, se utiliza un procesador “SOLUTION” para definir el tipo y las opciones del análisis, las cargas aplicadas, opciones de cargas e iniciar la solución.
Se puede escoger el tipo de análisis basándose en las condiciones de carga y la respuesta que se desea obtener. Por ejemplo, si se van a calcular frecuencias naturales y modos de vibrar, se puede escoger el análisis modal. El programa permite hacer análisis estático (o estacionario), transitorio, harmónico, modal, de espectros, cíclicos y subestructurados. No todos los tipos de análisis son válidos para todas las disciplinas. El análisis modal, por ejemplo, no es válido para un modelo térmico. ANSYS cuenta con un respaldo teórico que describe los tipos de análisis disponibles para cada disciplina y los procedimientos para realizar esos análisis.
Una vez que se ha definido el tipo y las opciones de análisis, el siguiente paso es aplicar las cargas. Algunos análisis estructurales requieren primero definir algunos parámetros, tales como los grados de libertad y las condiciones de convergencia. El programa lo advertirá cuando esto sea necesario.
La palabra “carga” como la utiliza ANSYS incluye las condiciones de frontera (restricciones, apoyos o especificaciones de campos en la frontera), así como las fuerzas aplicadas externas o internas. Las cargas en ANSYS se dividen en seis categorías:
• Restricciones nodales
• Fuerzas
• Cargas de superficie
• Cargas de cuerpo
• Cargas de inercia
La mayoría de estas cargas se pueden aplicar en el modelo sólido (keypoints, líneas y áreas) o en el modelo de elementos finitos (nodos y elementos).
Existen dos términos referidos a la carga que son importantes y que es necesario conocer: paso de carga y subpaso. Un paso de carga es simplemente una configuración de cargas para las cuales se obtiene la solución. En un análisis estructural, por ejemplo, se pueden aplicar cargas de viento en un paso de carga y la gravedad en un segundo paso de carga. Los pasos de carga también se utilizan para dividir una curva histórica de cargas transitorias en varios segmentos.
Los subpasos son pasos incrementales dentro de un paso de carga. Se usan principalmente para propósitos de precisión y convergencia en análisis transitorios y no lineales. Los subpasos también se conocen como intervalos de tiempo.
ANSYS utiliza el concepto de tiempo en análisis transitorios y en análisis estáticos (o estacionarios). En un análisis transitorio el tiempo representa el tiempo actual, en segundos, minutos u horas. En un análisis estático (o estacionario), el tiempo simplemente actúa como un contador para identificar pasos de carga y subpasos.
Dependiendo del tipo de análisis que se haga, las opciones para pasos de carga y subpasos pueden o no pueden requerirse. ANSYS cuenta con una guía que describe las opciones de pasos de carga y subpasos apropiados, en caso de ser necesarios.
En la fase de solución del análisis, la computadora resuelve el conjunto de ecuaciones simultáneas generadas por el método del elemento finito. Los resultados son:
• Valores nodales en los grados de libertad, los cuales forman la solución primaria
• Valores derivados, los cuales forman la solución de los elementos.
ANSYS cuenta con varios métodos para resolver el sistema de ecuaciones simultáneas: método de eliminación directa, solución frontal directa, Gradiente conjugado de Jacobi, Gradiente conjugado incompleto de Cholesky, Gradiente conjugado precondicionado e Iteraciones automáticas. El método de eliminación directa es el método predeterminado, excepto para análisis electromecánico que utiliza el método frontal directo.
Los cálculos para llegar a la solución se inician con una sola instrucción: SOLVE; y los resultados son almacenados en archivos específicos para ser post-procesados.
A.1.3 REVISIÓN DE LOS RESULTADOS
Cuando la solución ha sido calculada, se pueden utilizar los post-procesadores de ANSYS para revisar los resultados. Están disponibles dos postprocesadores: POST1 y POST26.
POST1 es un postprocesador general para ver los resultados a un solo paso de todo el modelo o de una porción del modelo. Puede obtener desplegados de contornos, configuraciones deformadas y listas tabuladas para revisar e interpretar los resultados del análisis. Incluye estimación de error, combinaciones de cargas y cálculos entre resultados.
POST26 es un procesador de historia, utilizado para revisar resultados en un punto específico del modelo en todos los intervalos de tiempo. Se pueden obtener gráficas de resultados vs. El tiempo y listas tabuladas. Incluye también cálculos aritméticos y álgebra compleja.
El análisis estructural es probablemente la aplicación más común del método del elemento finito. El término estructural implica no solamente estructuras de ingeniería civil como los puentes y los
edificios; también abarca estructuras navales, aeronáuticas y mecánicas, tales como embarcaciones, cuerpos de aviones y casas de máquinas, así como los componentes mecánicos como pistones, partes para maquinarias y herramientas.