PATRAN (PAT)
Entre todos estos, el aspecto común es que la capacidad de analizar materiales ortotropos como es el caso de los materiales compuestos reforzados con fibras. Pero estos no satisfacen plenamente todos los deseos del diseñador ya que existen algunos con buenas capacidades de pre y posproceso y sin embargo ofrecen una pobre capacidad de análisis este es el caso de PATRAN II, en otros sucede lo contrario como en el ABAQUS, para evitar esto a muchos de estos programas se le han añadido modificaciones a sus elementos para completarlos.
Capacidades y contenido de algunos programas.
COSMOS
LUSAS
Modelador geométrico (pre y post
procesador) Tipos de elementos.
Módulos de análisis: Modelos de materiales. -Estructural lineal estático. Condiciones de contorno. -Estructural no lineal estático y dinámico. Análisis:
-Dinámico avanzado. -Análisis estáticos lineales. -Frecuencias naturales. -Análisis estáticos no lineales.
-Fluidos. -Análisis térmicos.
-Tuberías. -Análisis dinámicos.
-Electromagnético.
ABAQUS
-Impacto. Modelado geométrico
-Fatiga. Cinemática.
-Radiación. Análisis:
Modelador axisimetricos. -Estático lineal.
Optimizador. -Dinámico lineal.
Interface (conversor). -Dinámico no lineal.
Interface CAD. -Fluencia y dilatación.
ANSYS
-Adición y reemplazamiento de elementos.Materiales. -Transferencia de calor.
Subestructuras. -Frecuencias naturales.
Análisis: -Consolidación.
-Estático. -Estabilidad.
-Dinámico. -Acoplamientos.
-Estabilidad. Modelado material.
-Transferencia de calor. Condiciones de contorno y cargas.
-Magnético. Pre y post procesador.
-No linealidades. Librería de elementos.
-Fluidos y acústica. Subestructuras.
-Cinemática estática y dinámica. -Acoplamiento. Submodelos. Librería de elementos. Optimizador. Interfases. Post proceso.
Tabla. 4.1 Capacidades y contenido de algunos programas.
COSMOS:
COSMOS 2006 permite a las empresas mejorar sus procesos con análisis que ahorran tiempo y dinero desde el momento en que se concibe el diseño hasta que éste entra en la fase de producción.
Este es un software de análisis de elementos finitos incluye varias mejoras a las funciones de mallado que reducen la duración y la complejidad de esta importante tarea de análisis. Las mejoras en el mallado permiten a los ingenieros:
− Analizar ensamblajes de piezas finas y gruesas con una combinación de mallas sólidas y con elementos SHELL que permite ahorrar tiempo.
− Crear componentes rígidos en un ensamblaje con distancias y separaciones, sin modificar primero el ensamblaje para el análisis; y usar tecnología de adaptación para refinar o hacer gruesa de manera automática una malla en áreas locales para llegar a una solución precisa.
Entre otras funciones clave se encuentran:
− Asesor de análisis, una recopilación de las mejores prácticas y tutoriales que ofrecen información a los usuarios mientras trabajan.
− Biblioteca de análisis, donde analistas con experiencia pueden crear archivos de pruebas en escenarios complicados para diseñadores e ingenieros con tareas que van más allá de sus niveles de habilidad.
− Modelado en un solo paso para conexiones de uso común como tornillos de tierra, conectores de enlace, soldaduras por puntos y bisagras.
− Pruebas de caída mejoradas y simplificadas, con escenarios de prueba estándar definidos previamente y funciones para definir la flexibilidad del suelo para simular el impacto con diferentes superficies, como alfombras, suelos de madera, cemento, etc..
− Fatiga mejorada con la posibilidad de usar diferentes curvas de fatiga para cada pieza en un ensamblaje y para utilizar los datos históricos de carga con el fin de definir los eventos de carga.
− Un nuevo modelo de material para simular el comportamiento material del NITINOL (Nickel Titanium Naval Ordinance Laboratory) que se suele utilizar para fabricar stents en el sector de dispositivos médicos.
El ABAQUS:
El ABAQUS es un programa de análisis por el Método de Elementos Finitos, es utilizado a través del mundo para simular la respuesta física de estructuras y cuerpos sólidos, de cargas, de temperatura, de contacto, de impacto, y otras condiciones de borde y carga. Estos programas han sido desarrollados para el diseño avanzado.
Características:
Análisis
ABAQUS/Standard
Compresivo, análisis de elementos finitos para propósitos generales. Incluye todos las capacidades de análisis excepto el análisis dinámico no lineal usando integración del tiempo explícita -- disponible en el módulo ABAQUS/Explicit -- y en adicción tienen funcionalidad con los descritos abajo.
ABAQUS/Explicit
Este producto provee análisis dinámico, no lineal de sólidos y estructuras usando integración del tiempo explícita. Es poderoso por sus capacidades de contacto,
confiabilidad, y eficiencia computacional en grandes modelos, también es altamente efectivo para aplicaciones cuasi-estáticas que involucran comportamiento discontinuo no lineal.
Análisis suplementarios. ABAQUS/Design
Esta capacidad suplementaria para ABAQUS/Standard y ABAQUS/Explicit permite definir el modelo ABAQUS con variables paramétricas. Estudios paramétricos de esos modelos pueden ser optimizados fácilmente.
Modelado y visualización. ABAQUS/Viewer
Este producto es un nuevo post procesador interactivo para ABAQUS que tiene una interface gráfica con el usuario intuitiva. Muestra la deformada, contorno, vector, y gráfico X-Y, así como la animación de los resultados.
ABAQUS/Post
Es un post procesador interactivo para ABAQUS. El muestra la configuración de la deformada, gráficos de contorno, vector y X-Y, así como la animación de los resultados. ABAQUS/Pre
Este es un pre-procesador original para ABAQUS. Permite la creación de la geometría, la creación de la malla y la aplicación de las condiciones de carga y de borde y el tipo de análisis. Crea el archivo de entrada para el análisis por ABAQUS.
Este programa es que se utilizará para modelar los elementos de materiales compuestos pues es al que tenemos acceso, además de tener características que permiten obtener un resultado lo más cercano posible al problema real.
La aplicación de este programa al caso específico de la modelación de un depósito o un tanque, no se realiza en este trabajo ya que no es objetivo, pero quedan abiertas las puertas para la realización de un trabajo en el cual a partir de las características y propiedades que se brindan aquí de las materias primas necesarias para la conformación del material compuesto, se pueda realizar el análisis y diseño de elementos de plásticos reforzados con fibras.
Ejemplo de determinación del comportamiento de una viga.
Para conocer el comportamiento de una viga de diferentes materiales compuestos, se realizó la modelación de esta en el ABAQUS, analizando su respuesta ante la variación de cargas. En la siguiente tabla se muestran, las fibras utilizadas, las los resultados obtenidos. La viga es de 1.5 m de longitud, simplemente apoyada, con sección tubular de espesor de lamina 4.5mm.
Tabla 4.2 Tipos de laminas y cargas utilizadas.
Figura 4.11 Gráfico tensión-deformación de laminados de fibra de vidrio, carbono y kevlar49, con resina epoxi.
Fibra de vidrio+epoxi Fibra de carbono+epoxi Fibra de kevlar+epoxi Cargas
Tensión Deformación Tensión Deformación Tensión Deformación
10 kN/m2 1.945 0.01441 3.987 0.009297 3.758 0.01569 20 kN/ m2 3.89 0.02881 7.973 0.01859 7.516 0.03138 30 kN/ m2 5.835 0.04322 11.96 0.02789 11.27 0.04707 40kN/ m2 7.78 0.05763 15.95 0.03719 15.03 0.06275 50 kN/ m2 9.725 0.07204 19.93 0.04648 18.79 0.07844 TENSION DEFORMACION 0 5 10 15 20 25 0.01569 0.03138 0.04707 0.06275 0.07844 DEFORMACION(%) TENSION (MPa) Fvidrio E+epoxi F carbono+ epoxi F kevlar49+epoxi
Figura 4.12 Deformación Kevlar + epoxi, sometida a una carga de 50kN.
Figura 4.13 Tensiones Kevlar + epoxi, sometida a una carga de 50kN.
La figura 4.11 muestra los resultados obtenidos, donde se puede ver que el comportamiento mecánico de la fibra de Carbono es superior al de las de Kevlar y Vidrio, siendo la fibra de Vidrio la que más se deforma en comparación con las demás sometidas a las mismas cargas. En la figura 4.12 se muestra un ejemplo de la deformación en la viga con laminado
de Kevlar + epoxi sometidas a una carga de 50kN, y en la 4.13 aparece la distribución de tensiones para este mismo caso.
4.5 Conclusiones parciales
1.Los procesos de fabricación más difundidos son: el método de contacto manual, el de proyección simultánea, inyección, proceso de vació, centrifugado, bobinado y pultrusión, de estos en Astisur se utiliza el moldeado a mano por ser el más económico y requerir de tecnología avanzada ni mano de obra especializada.
2.El método de moldeo por contacto a mano es el más económico en producciones de series industriales cortas o de piezas de gran superficie, el método de proyección se utiliza cuando el refuerzo es discontinuo y no tiene orientación preferente, tiene la ventaja de utilizar refuerzo de menor costo, y al igual que con el primero se pueden adoptar gran variedad de formas, aunque en ambos casos la calidad del producto dependen de la experiencia del laminador.
3. El método de pultrusión es el de mejores resultados ya que se obtienen productos de elevada resistencia con un control preciso de resina, y en menos tiempo, aunque está limitado a secciones transversales constantes, y requiere equipos especializados.
4. El comportamiento de los materiales compuestos se estudia mediante los macromodelos y lo micromodelos, dentro de los primeros encontramos la teoría de mezclas que estudia el material compuestos como una combinación simple de materiales, y dentro de los micromodelos encontramos la teoría de homogenización que parte de un análisis macroscópico y lo utiliza para realizar un análisis microscópico.
5.La implementación de software basados en la aplicación de los métodos numéricos en ingeniería constituyen la herramienta fundamental para el análisis y diseño de materiales compuestos en códigos d e propósitos general y específicos.