Experiemcias en la modelación de los procesos de embutido de chapas mediante el método de elementos finitos

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(1)U n i v e r s i d a d Ce n t r a l “ M a r t a Ab r e u ” d e l a s Vi l l a s . F acultad de Ingeniería M ecá nica. De p a r t a me n t o d e I n g e n ie r í a M e c á n ic a .. TRABAJO DE DIPLOMA Experiencias en la modelación de los procesos de embutido de chapas mediante el método de elementos finitos.. Au t o r : C a r l o s Or l a n d o Ar i a s Pi n o Tu t o r : M S c . I n g . Yu d i e s k i Be r n a l Ag u i l a r .. Cu r s o : 2 0 1 1 - 2 0 1 2.

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(3) Pensamiento. La c i e n c i a t i e n e u n a c a r a c t e r í s t i c a ma r a v illo s a , y e s q u e a p r e n d e d e s u s erro res. Ru y Pé r e z Ta ma y o.

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(5) Dedicatoria. Se lo dedico a mis padres, a mis abuelos, a mi hermano, a mi padrastro, a toda mi familia y a todos mis amigos por estar siempre a mi lado apoyándome.

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(7) Agradecimientos. Quiero dar mis más sinceros agradecimientos a toda aquella persona que de una forma u otra colaboró con el desarrollo y culminación de este trabajo. En especial a mi tutor y amigo Yudieski Bernal Aguilar, ya que gracias a su asesoría fue posible la culminación de este trabajo, al Dr. José Marty Delgado, que fue un gran aliado para la culminación de esta tesis de grado y a toda mi familia en general por la comprensión y ayuda que me brindaron en los momentos más difíciles A TODOS “MUCHAS GRACIAS”.

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(9) Índice Introducción............................................................................................................................................. 1. Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas 1 .1 .1 .2 .1 .3 .1 .4 .1 .5 .1 .6 .-. Conceptos generales sobre el Método de los Elementos Finitos……………………………... Caracterización de los procesos de conformado de chapas…………………………………... Alcance de desarrollo de los procesos de estirado de chapas………………………………… Software utilizado en la simulación por el Método de Elementos Finitos. Para los procesos de conformado………………………………………………………………………………... Módulo de tecnología de la deformación copra. Aplicaciones específicas de simulación en los procesos de laminación…………………………………………………………………… Conclusiones Parciales………………………………………………………………………... 4 6 8 9 13 17. Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas. 2 .1 .2 .2 .2 .3 .2 .4 .2 .5 .-. Experiencias Internacionales sobre la Modelación de los Procesos de Embutición de chapas. Aplicación del método de elementos finitos para la simulación de un proceso de embutido con la utilización del software ANSYS y el módulo LS-DYNA…………………………….. Simulación de las operaciones de embutido de chapas utilizando el software ABAQUS 6 .1 0 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Números de Nodos y Orden de Interpolación………………………………………………... Conclusiones Parciales………………………………………………………………………... 18 22 30 36 43. Capítulo III: Secuencia de pasos para la simulación de los procesos de embutición de chapas usando el software ABAQUS/CAE 3 .1 .3 .2 .3 .3 .3 .4 .3 .5 .3 .6 .3 .7 .3 .8 .3 .9 .3.10.3.11.-. Crear un modelo……………………………………………………………………………… Creando una parte…………………………………………………………………………….. Creando un material…………………………………………………………………………... Definiendo y asignando las propiedades de la sección……………………………………….. Ensamblando el modelo………………………………………………………………………. Configuración del análisis……………………………………………………………………. Aplicando una condición de borde y una carga al modelo…………………………………… Mallando el modelo…………………………………………………………………………... Como crear y someter un trabajo de análisis…………………………………………………. Visualizando los resultados del análisis……………………………………………………… Conclusiones Parciales……………………………………………………………………….. Conclusiones Generales............................................................................................................. Recomendaciones..................................................................................................................... Bibliografía............................................................................................................................... Anexos........................................................................................................................................ 44 44 47 48 49 50 53 56 57 57 59 60 61 62.

(10) Listado de símbolos. CAE. Ingeniería Asistida por Computadora. FEM. Método de Elementos Finitos. FE. Elemento Finito. FLDS. Diagrama Límite de Conformado Espacial. LDR. Relación Límite de Embutido. FEA. Análisis por Elemento Finito. CAD. Diseño Asistido por Computadora. RNA. Redes Neuronales Artificiales.

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(12) Resumen Los procesos de conformación de chapas metálicas representan un grupo significativo de procesos de manufactura de piezas. Estos procesos dependen de una gran cantidad de parámetros interrelacionados y sobre todo, es decisiva la experiencia y el conocimiento del diseñador, aún con el desarrollo científico técnico alcanzado hoy. El trabajo explica inicialmente en qué consisten los procesos de conformado de materiales y algunos de los diferentes métodos utilizados para mejorar los mismos, a continuación, se ofrecen diferentes métodos de elementos finitos (FEM) así como alguna de sus aplicaciones. Además se obtuvieron las experiencias en los procesos de embutido de la chapa metálica y se realizó una secuencia de pasos para la simulación de estos procesos usando el software ABAQUS. Palabras Claves: Conformación de metal, Método de Elementos Finitos, Procesos de Embutición..

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(14) Abstract The processes of forming sheet metal represent a significant group of parts manufacturing processes. This process depends on a number of interrelated parameters and above all, is critical experience and knowledge of the designer, even with the scientific and technical development reached today. The paper first discusses what these processes forming materials and some of the different methods used to improve them, and then offer different finite element methods (FEM) and some current applications. In addition, the experiences gained in the process of sheet metal inlay and performed a sequence of steps for the simulation of these processes using the ABAQUS software. Keywords: Metal Forming, Finite Element Method, Sheet Metal Drawing Processes.

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(16) Introducción El siguiente trabajo de diploma muestra la proyección de procesos tecnológicos para la fabricación de piezas, donde se pone en práctica fundamentalmente los procesos de conformado de chapas metálicas.. La Empresa Industrial de Productos y Utensilios Domésticos “1ro de Mayo” (INPUD) de Santa Clara, en Villa Clara, es una de las empresas piloto de la utilización de procesos de conformación de chapas metálicas. Esta empresa fue fundada en 1964 por el Comandante de la Revolución Ernesto Guevara de la Serna, desde sus inicios su principal prioridad ha sido la producción de utensilios para satisfacer las necesidades de la familia cubana en el hogar. En los inicios del siglo XXI con la reactivación de la economía cubana la INPUD retoma las producciones tradicionales, entre las cuales tenemos la fabricación de ollas de presión, carpintería de aluminio con la conformación de puertas y ventanas, fogones de gas, fregaderos los cuales se distribuyen a la población como parte de la Revolución energética que lleva a cabo el país. En esta empresa uno de los procesos más importante que se efectúan, es el conformado de metales, destacándose el uso del proceso de embutido, que es uno de los tipos de estirado de chapas. Hoy la conformación de metales o sea los procesos de estirado de chapas, ocupan un lugar importante en la industria gracias a su elevada productividad, flexibilidad, bajos costos, bajo consumo de insumos y una alta resistencia mecánica en relación al peso de los productos terminados. En el mercado mundial para hacer más competitivas las empresas productoras de componentes de chapas, deben tener una eficiencia que logre producir rápidamente varios productos de chapas con la calidad requerida, para esto cuentan con una gran tecnología de avanzada la cual pueda suplir las demandas de los consumidores. Con todos estos desarrollos aparecen diferentes software mediante el método de los elementos finitos para la simulación y modelación de estos procesos. Idea inicial: Realizar un estudio sobre los distintos tipos de software utilizados para la aplicación del Método de Elementos Finitos (FEM) en los procesos de conformación de chapas. Situación problemática En los procesos de conformado hay factores que influyen de forma negativa los cuales surgen durante la ejecución de estos, tales como las grietas, roturas, y arrugas en los productos los cuales disminuyen la calidad y el diseño óptimo del mismo. El éxito de una operación particular dentro de la deformación metálica y la consiguiente obtención de índices de calidad y servicio en los productos, se deben garantizar bajo nuestras condiciones de producción, financiamiento y mercado, a tono con los resultados más importantes que están teniendo lugar hoy en el mundo.. 1.

(17) Introducción Por tanto existe la necesidad de estudiar el empleo del Método de Elementos Finitos (FEM) en la simulación de Procesos de Conformación de Chapas Metálicas. Objetivo General Realizar un estudio a través de una revisión bibliográfica sobre las experiencias obtenidas en la modelación de los procesos de conformación de chapas, mediante el uso del método de los elementos finitos (FEM) Objetivos específicos 1. Elaborar una caracterización general de los procesos de embutición de chapas. 2. Realizar una revisión bibliográfica sobre el método de elementos finitos, los software de simulación y su aplicación por algunas empresas internacionales en la simulación de los procesos de embutición de chapas. 3. Realizar una propuesta de pasos a seguir para la simulación de los procesos de embutición usando el software ABAQUS/CAE. Novedad científica El campo de la modelación de los procesos de fabricación ha sido uno de los objetos de estudio de mayor relevancia y novedad en los países desarrollados durante los últimos años. La acelerada evolución de los procesos de deformación se debe a la acumulación de bases de datos obtenidas de numerosos y costosos experimentos. Por este motivo el campo de la modelación de los procesos tecnológicos, y dentro de estos, los procesos de conformado, ha sido considerado como una tecnología de vanguardia al nuevo siglo. En el trabajo se resume el empleo del Método de Elementos Finitos (FEM) en la simulación de Procesos de Conformación de Chapas Metálicas. Principal resultado a obtener Existen en la actualidad diversos métodos de elementos finitos y estos métodos se basan en diferentes consideraciones teórico prácticas. En la industria se hace necesario entender el poder de desarrollo que trae consigo la comprensión de estos métodos, es por ello que se pretende llevar a cabo una secuencia de pasos para asimilar el trabajo de un software de simulación basado en estos métodos. Hipótesis del trabajo Conociendo las variables que intervienen en el proceso de conformado, es posible emplear el método de simulación de elementos finitos para realizar una propuesta de pasos para el modelado que permita pronosticar la calidad de las piezas obtenidas. Viabilidad La investigación es viable ya que se cuenta con profesionales y estudiantes de la Universidad Central “Marta Abreu de Las Villas” y la empresa INPUD “1 ro de Mayo” de Villa Clara con un amplio conocimiento para el desarrollo de esta investigación. La dirección de la empresa INPUD se encuentra abierta a la cooperación para llevar adelante este estudio.. 2.

(18) Introducción Estructura del Trabajo: El trabajo de diploma consta de una síntesis o resumen, introducción, tres capítulos, así como conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos Capítulo I: Abordará acerca de la historia de los métodos de elementos finitos (FE), así como la caracterización de los procesos de conformación de chapas. Además de los métodos utilizados en la simulación asistida por computadora Capítulo II: Tratará sobre la las experiencias que se ha tenido sobre las aplicaciones de los diferentes software en la modelación de los procesos de embutición, así como la aplicación de algunos de ellos en las industrias manufactureras. Capítulo III: Se dará a conocer las bases de una secuencia de pasos para la simulación de los procesos de embutición de chapas metálicas mediante un software de elementos finitos.. 3.

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(20) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. 1.- Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. 1.1.- Conceptos generales sobre el Método de los Elementos Finitos. El objetivo de este capítulo es realizar un análisis del estado del arte sobre las principales experiencias nacionales e internacionales relacionadas con el método de los elementos finitos y los procesos de conformación por estirado y estirado profundo de chapas, así como los software de simulación utilizados en estos procesos; apreciando las perspectivas de desarrollo en este campo, con vistas a desarrollar una valoración que posibilite arribar a los principales resultados en la simulación de los procesos de embutición para los objetivos del trabajo. La figura 1.1 muestra el esquema de análisis general previsto para el desarrollo del capítulo y la interrelación entre sus elementos.. Figura 1.1: Esquema de estudio para el desarrollo del capítulo. En la figura 1.1 se consideran: 1. Concepciones generales el método de los elementos finitos, con especial énfasis en las técnicas de simulación en los procesos de conformación de chapas. 2. Las experiencias nacionales e internacionales en cuanto a los procesos de conformación de chapa fundamentalmente en los procesos de embutición de chapas. 3. Los métodos de elementos finitos asistido por computadoras. 4.

(21) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. El método de los elementos finitos fue utilizado por primera vez por Archimede en el año 250 antes de Cristo. Se utilizó en efecto este principio para calcular el perímetro de un círculo, este se aproximó en una continuación de segmentos y pudo obtener un valor cercano a π. Casi todos los estudios precedentes son basados sobre el principio de variación, utilizaban funciones globales de base basadas en el conjunto de la estructura. Estas formulaciones se derivan del matemático Ricacho Que Corre (1888 - 1972), que describe desde 1943 en su obra "Variational methods for the solution of problems of equilibrium and vibrations" cómo utilizar en la formulación de Ritz las funciones de base con soportes locales y cómo un cálculo de elementos finitos puede ser llevado a partir de este principio. Al principio de los años 60, los ordenadores necesarios habían aparecido y el concepto pudo ser utilizado por fin. Los primeros trabajos en este dominio son debidos a Juan H. Argyris y Olgierd C. Zienkiewiecz. La obra de Zienkiewicz es considerada como la primera monografía en el dominio del cálculo por elementos finitos y se difundió rápidamente en las aplicaciones de las ciencias del ingeniero. Fundamentos del método de los elementos finitos Según la literatura consultada se trata de un método general para la solución de problemas de contorno gobernados por ecuaciones diferenciales ordinarias o parciales. En esencia se trata de una técnica que sustituye el problema diferencial por otro algebraico, aproximadamente equivalente, para el cual se conocen técnicas generales de resolución. Para ello hace uso de la "discretización" o subdivisión de una región sobre la cual están definidas las ecuaciones en formas geométricas simples denominadas elementos finitos. Las propiedades materiales y relaciones gobernantes en estos elementos se expresan en función de los valores desconocidos en las "esquinas" de los elementos o nodos. Según [46] una de las ventajas de este método es su facilidad de implementación en un programa computacional, que a su vez es una condición básica para su utilización ya que para el tratamiento de un problema en particular debe efectuarse un número muy elevado de operaciones para resolver sistemas algebraicos del orden de cientos o miles de ecuaciones. No obstante, esta cantidad no es una limitación con las computadoras estándar de hoy. A consideración del autor se puede decir que en general, hay tres fases en cualquier tarea asistida por computador: 1. Pre-procesamiento. Definir el modelo de elementos finitos y los factores ambientales que influyen en él. 2. Solución del análisis. Solucionar el modelo de elementos finitos. 3. Post-procesamiento de resultados usando herramientas de visualización.. 5.

(22) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. 1.2- Caracterización de los procesos de conformado de chapas Según [4] los procesos de conformado son algunas de las operaciones metalúrgicas más importantes del proceso industrial y tienen una fuerte dependencia de numerosas variables: comportamiento del material, lubricación, etc. Una de las principales limitaciones en estampados es la aparición de estricción localizada. La capacidad del material para deformarse plásticamente depende de un gran número de parámetros experimentales. El análisis teórico de la inestabilidad plástica, es de gran importancia para predecir el límite de formación de grietas. El diagrama de límite de conformación representa un concepto útil en la caracterización de la conformabilidad de chapa y una herramienta de seguridad muy importante en la formación de la lámina metálica. Después de la introducción del concepto de FLDS por Keeler y Backofen y Goodwin, la investigación en este campo de la conformabilidad de chapa se ha centrado principalmente en el desarrollo de algunos modelos matemáticos para la determinación teórica de FLDS. La contracción es el proceso de trabajar el metal utilizado para la producción de componentes en forma de copa simétrica, la fuerza sobre el punzón requerida para producir una taza es la suma de la fuerza requerida en la deformación y la fuerza de rozamiento (ver figura 1.2. a y b en los anexos) Cuando la fuerza de un punzón en la embutición de metales dúctiles aumenta más allá de un cierto límite, se produce un fallo en la pared debido a la tracción de estiramiento. El embutido de la chapa puede ser cuantitativamente estimado por la relación límite de embutido (LDR), que se define como la razón de un máximo de diámetro inicial en blanco que se puede extraer con éxito para el diámetro de la copa elaborada. Estos procesos se caracterizan por ser procesos altamente no-lineales, en los que se producen grandes desplazamientos, grandes rotaciones y grandes deformaciones, con un comportamiento constitutivo inelástico del material y con condiciones de contorno variable en el tiempo, determinado por la interacción entre sólidos que se producen durante el proceso. El carácter permanente de las deformaciones que se producen durante el proceso de conformado hace que las deformaciones elásticas sean insignificante, en lo que al proceso de conformado se refiere. La formulación resultante de despreciar “A PRIORI” las deformaciones elásticas se conocen como formulación de flujo. El punto clave de la formulación de flujos es que las tensiones pueden ser evaluadas directamente a partir de las velocidades, mediante una mera relación funcional, evitando la necesidad de integrar la ecuación constitutiva. Se utilizan esquemas de integración en el tiempo explícito e implícito y se presentan un esquema de solución incremental-iterativo del tipo predicción-corrección. Los aspectos derivados de la interacción entre solidos juegan un papel muy importante y son analizados en profundidad.. 6.

(23) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. Método de Elementos Finitos asistido por computadoras para la conformación de chapas La habilidad de modelar un sistema estructural en 3D puede proveer un poderoso y preciso análisis de casi cualquier estructura. Los modelos tridimensionales, en general, pueden ser producidos usando un rango de paquetes comunes de diseño asistido por computadora. Los modelos tienden a entrar en un rango amplio variando en complejidad y en formato de archivo, dependiendo del programa computacional (software) de creación del modelo en 3D y en la complejidad de la geometría del modelo. El análisis de elementos finitos es una industria creciente en el análisis de diseño de productos y desarrollos en ingeniería. El uso de análisis por los elementos finitos (FEA) como una herramienta de ingeniería de manera habitual está creciendo rápidamente. Los avances en el poder de procesamiento de las computadoras, del FEA y del software de modelado ha permitido la continua integración de FEA en los campos de ingeniería en diseño de productos y desarrollo. Ha habido muchas cosas que han restringido el desempeño y finalmente la aceptación y utilización de FEA en conjunción con el CAD en las etapas de diseño del producto y su desarrollo. Las separaciones en compatibilidad entre los formatos de archivos de programas de CAD y FEA limitaban el grado en que las compañías podían diseñar fácilmente y probar sus productos usando la combinación de CAD y FEA respectivamente. Típicamente, los ingenieros usan software CAD especializado en el modelado en el diseño del producto, y después se exporta ese diseño a un paquete de FEA para ser el análisis. Pero, esos ingenieros que dependen del intercambio de información a través de traductores o estándares de intercambio tales como IGES o STEP citan problemas ocasionales en la fiabilidad los cuales causan intercambios poco exitosos de geometría. Así es que la creación de muchos modelos externos al ambiente de FEA se considera como problemáticos en el éxito de análisis de elementos finitos. La tendencia actual en el software de FEA y la industria en ingeniería ha sido la creciente demanda por la integración entre el modelado sólido y el análisis de elementos finitos. Durante el diseño y desarrollo de productos, los ingenieros requieren actualizaciones automáticas entre sus últimos modelos en los ambientes de CAD y FEA. Todavía hay una necesidad de mejorar la relación entre CAD y FEA, haciéndolo técnicamente más cercanos y unidos. Aunque la demanda de una integración CAD-FEA unida con las mejoras en los desarrollos de ordenadores y software ha introducido una tendencia más colaborativa y robusta donde los problemas de compatibilidad empiezan a ser eliminados. Los diseñadores están ahora introduciendo simulaciones en computadora capaces de usar archivos pre existente de CAD sin la necesidad de modificar y recrear los modelos para acoplarse a los ambientes de FEA. [69] Uno de estos programas con análisis de elementos finitos integrado es SolidWorks de la compañía SolidWorks Corporation, que es una herramienta de diseño de medio rango que ofrece un nivel introductorio al programa de FEA llamado CosmoExpress. Entre los módulos más avanzados para SolidWorks está COSMOSMotion que simula las colisiones cinemáticas de diversos cuerpos y maneja más avanzadas simulaciones lineales estáticas.. 7.

(24) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. 1.3.- Alcance de desarrollo de los procesos de estirado de chapas. Apoyándose en una exhaustiva búsqueda bibliográfica acerca de las técnicas, procedimientos y elementos que caracterizan los procesos de conformación por estirado profundo de chapas, le han permitido al autor considerar la importancia actual del estudio de ellos. Podemos decir que Cuba se encuentra dentro de los países en vías de desarrollo y se reconoce la existencia de factores que influyen negativamente en el estudio y desarrollo de estos procesos, dentro de los que se destacan:  Tecnologías inadecuadas.  Infraestructura deficiente. Por otro lado, entre los estudios más novedosos que aparecen en la literatura técnica consultada sobre el desarrollo de las características mecánicas y tecnológicas del material, se destacan los siguientes:  Diseño óptimo de procesos de conformado de chapas mediante el uso de técnicas de inteligencia artificial.  Diseño óptimo de procesos de conformado de chapas mediante el uso del método de los elementos finitos y otros métodos de optimización discretos.  Modelación de los procesos de conformación por estirado profundo.  Desarrollo de métodos predictivos para determinar la formabilidad mediante el uso de los diagramas Límite de conformado.  Modelación de la evaluación de la conformabilidad de la lámina metálica utilizando el análisis de los diversos estados tensiónales que aparecen en el proceso.  Formulaciones numéricas y algoritmos para la resolución de problemas de contacto en la simulación de los procesos de conformado Ingenieros en varias compañías automotrices actualmente moldean sus vehículos usando especializado software dinámico de FEA. Cada modelo contiene un cuerpo y chasis flexible, resortes, barras de rodaje, ejes cabina y suspensión del motor, el mecanismo de dirección y viraje y cualquier componente dependiente en la frecuencia como lo son las montas hechas de hule. Detalles adicionales como los frenos y fuerzas de un motor fuera de balance pueden ser incluidos en una forma dependiendo a "cómo se requiera". La simulación dinámica de FEA permite que una variedad de maniobras sea probada con precisión. Pruebas como lo son cortando la esquina, volcado, cambio de línea en tránsito, vueltas en J, análisis de vibración, colisiones y frenado en línea pueden ser llevados a cabo en forma precisa utilizando la simulación dinámica en el análisis de elementos finitos. Muchos de los autores coinciden que con cargas variables en el tiempo y no lineales permiten a los ingenieros hacer avanzados y realistas análisis de los elementos finitos, así permitiéndoles localizar las condiciones críticas y determinar características en el desempeño.. 8.

(25) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. Como un resultado de las capacidades de prueba dinámica mejoradas, los ingenieros pueden determinar las características óptimas e ideales (ultimate performance) de desempeño del diseño del vehículo sin la necesidad de tomar riesgos físicos. Como un resultado de FEA dinámico, la necesidad de costosas pruebas destructivas se ha minorizado en gran forma. [2] 1.4.- Software utilizado en la simulación por el Método de Elementos Finitos. Para los procesos de conformado Desde finales de los años 1950 y principios de los años 1960 diferentes métodos para el análisis basado en el Método de los elementos finitos han sido implementados. Los calculadores de elementos finitos comerciales aparecieron en la década de 1970, utilizaban toda la capacidad de cómputo de los grandes computadores centrales. En la actualidad, este tipo de programas corre en computadores de escritorio y realizan al mismo tiempo el análisis de diferentes fenómenos, como por ejemplo, termomecánica, electromecánica y mecánica estructural. Algunos de estos productos disponibles son: ANSYS: Muchos autores coinciden en afirmar que ANSYS es uno de los programas más completos en el Método de los Elementos Finitos La primera versión de ANSYS fue programada a finales de 1970. Westinghouse fue el primer cliente que usaba ANSYS como programa principal de análisis en el diseño. Según el Dr. Swanson, el nombre ANSYS se escogió porque los abogados le aseguraron a Swanson que ANSYS era solo un nombre y que nada podía afectar los derechos de autor sobre el código ya creado. ANSYS está dividido en tres herramientas principales llamados módulos: pre-procesador (creación de geometría y mallado), procesador y post-procesador. Tanto el pre-procesador como el post-procesador están previstos de una interfaz gráfica. Este procesador de elemento finito para la solución de problemas mecánicos incluye: análisis de estructuras dinámicas y estáticas (ambas para problemas lineales y no-lineales), tiene una gran ventaja pues permite la asociación de distintas tecnologías para el desarrollo de un producto sin abandonar una única plataforma. Además su integración permite la asociación con los software más avanzados de CAD. [37] Productos ANSYS:  ANSYS: Análisis estructural, transferencia electromagnética, campos acoplados.. de. calor,. dinámica. de. fluidos,.  ANSYS Workbench: Análisis estructural, térmico, de fluidos, electromagnético.  ANSYS CFX: Procesos con fluidos, flujos, transferencias de calor o reacciones químicas en CFD.  Soluciones ANSYS AUTODYN: Software explícito para análisis de cargas extremas de corta duración.  Soluciones ANSYS de mallado: ANSYS ICEM CFD/AI es una herramienta para el preproceso y post-proceso. 9.

(26) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas.  CivilFEM con ANSYS: Análisis estructural y aplicaciones de Ingeniería civil SolidWorks: El SolidWorks le brinda al usuario un interfaz cómodo para interactuar con él, desde un gran conocedor de software de FE hasta cualquier ingeniero, además nos permite hacer un test sobre los productos antes de fabricarlos para detectar defectos, con lo que contribuye a prevenir errores en las primeras fases del proceso de diseño. Es lo bastante eficaz para los analistas de FEA. Se abre a partir de la interfaz de usuario de SolidWorks, por lo que no es necesario iniciar varias aplicaciones. Permite someter sus diseños a las mismas condiciones a las que se enfrentarán en la vida real, incluidos la tensión, el impacto, el calor, el flujo de aire y mucho más. Es lo bastante sencillo para que lo utilice cualquier diseñador, y lo bastante eficaz para obtener resultados fidedignos y valiosos. Las principales funciones de simulación se incluyen en todas las licencias de SolidWorks Premium, y se pueden añadir funciones adicionales en función de sus necesidades. Hay tres actualizaciones disponibles: Simulation Professional, Simulation Premium y Flow Simulation. [39] AutoForm: El software nos ofrece soluciones para las industrias matriceras y de conformado de chapa metálica. Las soluciones de AutoForm se basan en la práctica, en el know-how industrial y en la experiencia en el conformado de chapa metálica, formando un sistema completo e integrado con funciones altamente especializadas para analizar, revisar y optimizar cada fase del desarrollo del proceso. AutoForm nos proporciona soluciones a lo largo de todo el desarrollo del proceso de conformado de chapa metálica. Estas soluciones se extienden desde módulos independientes para pequeñas y medianas empresas hasta sistemas multimódulo integrados para grandes empresas. [39] El mercado es altamente competitivo e impone continuos aumentos en las demandas del producto: estilo, calidad inicial y rendimiento fiable a largo plazo. Los costes de desarrollo y de fabricación así como el tiempo de lanzamiento al mercado se tienen que minimizar para asegurar la rentabilidad. El reto consiste en desarrollar y diseñar productos y procesos de fabricación “óptimos desde el primer momento”. [38] La solución para desarrollo de producto proporciona los siguientes beneficios: . La comprobación de la formabilidad en las primeras etapas elimina los costosos cambios en el diseño de la pieza de último momento.. . Evaluación rápida de los múltiples conceptos para optimizar el proceso.. . Definitivamente la solución más rápida y fiable para las evaluaciones de viabilidad.. . Workflow muy intuitivo para los diseñadores de piezas y procesos.. . Mejora los resultados de otros análisis CAE.. 10.

(27) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. DYNA3D: Este programa se originó a partir del 3D FEA, desarrollado por el Dr. John O. Hallquist en el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en 1976 [1]. DYNA3D fue creado con el fin de simular el impacto de la opción de fusión completa (FUFO) o "dial-a-rendimiento" bomba nuclear para la liberación de baja altitud. En ese momento, no estaba disponible el software 3D para simular el impacto y el software de 2D era insuficiente, el desarrollo de DYNA3D continua con la utilización del tiempo de integración explícita para estudiar los problemas no lineales dinámicos, con las aplicaciones originales son en su mayoría de análisis de tensión de las estructuras sometidas a distintos tipos de impactos El estreno de 1982 se incluyeron nueve modelos de material adicional que permitió nuevas simulaciones, tales como explosivos, la estructura y las interacciones suelo-estructura. La versión también permite el análisis de la respuesta estructural, debido a los proyectiles de penetración. Mejoras en el año 1982 un mayor impulso de la velocidad de ejecución en un 10 por ciento. Hallquist fue el único desarrollador de DYNA3D hasta 1984, cuando fue acompañado por el Dr. David J. Benson. [35] En 1986, muchas capacidades se han añadido. Las características adicionales incluyen vigas, las conchas, los cuerpos rígidos, superficies de contacto único, la fricción de la interfaz, resortes y amortiguadores discretos, los tratamientos opcionales de reloj de arena, la integración opcional de volumen exacto, y VAX / VMS, IBM, UNIX, la compatibilidad de funcionamiento del sistema COS. En este punto, se convirtió en DYNA3D el primer código que tiene un único algoritmo general de la superficie de contacto Conformado de metales de simulación y análisis de las capacidades de compuestos fueron agregados a DYNA3D en 1987. Esta versión incluye cambios en los elementos de escudos, y la relajación dinámica. La versión final de DYNA3D en 1988 incluye varios elementos más y capacidades En 1988 LLNL había enviado cerca de 600 cintas que contienen el software de simulación. Hallquist había consultado a cerca de 60 empresas y organizaciones en el uso de DYNA3D. [2] Como resultado, a finales de 1988 Livermore Software Technology Corporation (LSTC) se fundó para continuar el desarrollo de DYNA3D de una manera mucho más centrado, lo que resulta en la LS-DYNA3D (más tarde abreviado a LS-DYNA). Las emisiones y el apoyo a DYNA3D se detuvieron por lo tanto. Desde entonces, LSTC ha ampliado enormemente las capacidades de la LS-DYNA, en un intento de crear una herramienta universal para las necesidades de la mayoría de simulación. [36] Los procesos profundos convencionales y hidro-mecánicos de dibujo fueron simulados en 2D LS-DYNA. La conformabilidad de chapa juega un papel importante en el éxito de la operación de conformado de chapa metálica, para lo cual el límite de la formación de esquemas son bien conocidos y de mayor aplicación. Los esquemas se centran principalmente en la estricción localizada, que se considera como la aptitud para la conformación máximo de la hoja de metal antes de la ruptura. Si los puntos se encuentran debajo de la curva de tensión, no hay riesgo de estrangulamiento. Si un punto alcanza o sobrepasa la curva de estricción, tendrá lugar en la localización del ganglio afectado y el intervalo de tiempo considerado. Las simulaciones FEM se pueden realizar en el modelo eje- simétrico. El proceso de contrapresión hidráulica de. 11.

(28) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. embutición profunda tiene varias ventajas sobre la embutición profunda convencionales. En este proceso de embutido de la chapa se puede mejorar debido al LDR. Los experimentos realizados en hojas EDD mostraron que LDR mejora significativamente los resultados. El proceso se ha simulado mediante el código explícito de elementos finitos 2D LS-DYNA. Los resultados simulados se encontraban en buen acuerdo con los datos experimentales. LDR y las cepas de espesor se pueden predecir con exactitud razonable. La embutición profunda hidromecánica también puede ser simulado utilizando LS-DYNA 2D. Obteniéndose productos de buena calidad. Así que la aplicación de las RNA puede aumentar los conocimientos técnicos del proceso de elaboración hidro-mecánicos de profundidad. [36] Para corroborar todo lo expuesto anteriormente el autor hace énfasis en los distintos software que han sido utilizados en la simulación por el Método de Los Elementos Finitos (FEM).Ver tabla 1.1. Nombre ABAQUS MARC NIKE3D LARSTRAN INDEED. Fabricante HKS, USA MARC, USA/NL. D LSTC, USA LASSO, D INPRO, D. ITAS3D DYNA3D. Prof. Nakamachi, J LSTC, USA/. explicit, static explicit, dynamic. Autoforge. sheet metal forming crash, bulk, sheet metal ESI, F/D explicit, dynamic sheet metal forming Dynamic Software, F explicit, dynamic sheet metal forming MacNeal-Schwendler explicit, dynamic sheet metal forming HKS, USA explicit, dynamic crash, bulk, sheet metal AUTOFORM, CH Spec.formulation implicit sheet metal forming MARC, USA/NL, D elastic-viscoplastic bulk, forging. DEFORM FORGE2/3. Batelle, USA, D CEMEF, F. rigid-viscoplastic rigid-viscoplastic. bulk, forging forging. ICEM-STAMP IS0-PUNCH AUTOFORM One-step FASTFORM SIMEX2. Control Data, D Sollac, F AUTOFORM, CH FTI, Canada SimTech, F. one-step method one-step method one-step method one-step method one-step method. sheet metal forming sheet metal forming sheet metal forming sheet metal forming sheet metal forming. PAM-STAMP Optris MSCDYTRAN ABAQUS-explicit AUTOFORM. Tipos Implicit Implicit Implicit Implicit Implicit. Aplicación generally non-linear generally non-linear generally non-linear generally non-linear sheet metal forming. Tabla 1.1. Programas para la simulación de procesos disponibles en el mercado.. 12.

(29) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. 1.5.- Módulo de tecnología de la deformación copra. Aplicaciones específicas de simulación en los procesos de laminación.. Este paquete informático de simulación COPRA DTM (Deformation Technology Module) calcula en poco tiempo y con gran exactitud las deformaciones longitudinales, con una precisión cercana a la ofrecida por los resultados FEA (Finite Element Analysis). Las empresas que ahora utilizan los nuevos métodos de simulación pueden perfeccionar sus herramientas de conformado sin necesidad de recurrir a unidades de procesamiento central ni a especialistas de la ingeniería informática. El proceso de conformado se modela y simula dentro del programa COPRA. El DTM crea diagramas que muestran las áreas en las que el material tiene tendencia a sobre deformarse y muestra el proceso de conformado, con todas las herramientas si así se requiere, en tres dimensiones Las vistas predefinidas también permiten al usuario inexperimentado echar un vistazo desde arriba o, aún más interesante, desde un lado. Según [68] partiendo de los resultados mostrados en el monitor, el diseñador puede modificar la secuencia del perfilado o ajustar las herramientas. Incluso métodos especiales tales como la conformación en pendiente o conformación en jaula pueden ser verificados calculando los valores de deformación longitudinal según parámetros tales como la configuración geométrica del fleje, del perfil y de los rodillos, los diámetros de ataque o conductores, etc.. Hasta ahora se ha hablado de un completo paquete informático para el conformado teniendo en cuenta los diferentes pasos del diseño de rodillos. Pero la decisión más importante al desarrollar una secuencia conformadora (estructura o diagrama en flor) ha de ser tomada por el ingeniero. ¿Qué hay de las preocupaciones de éste después de haber aprobado un juego nuevo de rodillos para la producción? ¿Funcionará? ¿Cuánto tiempo costará montar el tren de rodillos? ¿Cabe la posibilidad de que se presenten graves dificultades durante el maquinado del perfil?. 13.

(30) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. El diseñador ya no tiene que trabajar según el principio GIGO (a datos incorrectos, resultados erróneos) aun cuando su experiencia es importante para futuros proyectos. En otras palabras: la mayoría de los paquetes informáticos en el mercado solo han podido manejar datos geométricos No se disponía de métodos fiables para ofrecer al ingeniero información sobre la calidad del diseño de herramientas, lo que más adelante conducía a problemas al montar juegos de herramientas en el tren de rodillos. El ingeniero tenía que ser muy experto para hacer un buen diseño de rodillos. La nueva tecnología de simulación del conformado que se describe a continuación le proporciona todas las armas para predecir el resultado práctico con gran exactitud. Hasta el momento la única posibilidad de las empresas de perfiles para averiguar si un diseño funcionaba era producir el juego completo de rodillos y hacer la instalación de la máquina. Según el tamaño del rodillo se incurría en costes más o menos altos, dejando a un lado la pérdida valiosa de tiempo. Toda modificación de los rodillos malgasta tiempo y dinero puesto que el tren está fuera de operación y se interrumpe la producción. Por ello, el objetivo de toda investigación sobre el conformado por ordenador ha sido siempre descubrir posibilidades para la investigación de fallas durante el diseño. Si minimizamos el tiempo de puesta a punto con el uso de herramientas modernas, habrá un aumento en la productividad y en la flexibilidad. Hoy en día, la técnica de Análisis de Elemento Finito (FEA) es la solución obvia para la simulación asistida por ordenador de los procesos conformadores del metal. El material es descompuesto en elementos más pequeños (elementos finitos) que están conectados entre sí con enlaces. Las propiedades del material se asignan a estos elementos Uno de los resultados comunes fue que la deformación longitudinal es la principal causa de efectos no deseados tales como la tensión remanente en el producto acabado. El secreto para resolver este problema consiste en describir exactamente el proceso de conformado, en particular la geometría de la chapa dentro de la línea de rodillos. Utilizando diversos paquetes software (FEA) así como los resultados obtenidos por experimentos de conformación, se ha desarrollado un modelo matemático de simulación del conformado. Este modelo de simulación desarrollado en data M no está basado en un software FEA debido a la experiencia extraída de anteriores proyectos de investigación; los paquetes FEA tienen grandes desventajas pues necesitan de maquinaria muy cara, considerable tiempo de cálculo, altos costos y operadores especializados y con experiencia. El modelo matemático de simulación de COPRA no tiene estas limitaciones y fue comprobado y verificado al comparar los resultados obtenidos por cálculos FEA en la práctica y comprobar que la calidad de los valores calculados era próxima a la realidad. Este paquete de simulación de COPRA es capaz de calcular las deformaciones longitudinales que se presentan en un corto periodo de tiempo y con una exactitud cercana a la de los resultados FEA. COPRA DTM se basa en una proposición matemática que describe el área de deformación con ecuaciones de polinomios. Esta función tiene en cuenta parámetros como el diámetro del rodillo, el tipo de rodillo (motorizados o de ataque lateral), el espesor de la chapa, el tipo de material o la complejidad de la sección. Si desea calcular el estiramiento longitudinal, es decisivo conocer la geometría del área de deformación. El material no se conforma por una línea recta, como ha sido. 14.

(31) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. sugerido por muchos programas de software hasta la fecha, sino por una forma que recuerda vagamente a una bañera. [68] Debido a los datos geométricos generados por la función conformadora COPRA, el operador puede hacerse con resultados sobre la zona donde el material se comprime (zona de compresión) así como la zona donde se estira. De esta forma es posible definir si toda la banda tiene tendencia a sobredeformarse o si solo la cara exterior o interior se deformará más allá del límite de elasticidad, una de las razones por las que se producen efectos de ondulación. Esto ocurre a menudo con secciones de paredes muy finas.. Figura # 1.4: Ejemplo de simulación en cada una de las zonas de compresión. Todos los parámetros requeridos pueden añadirse al menú del sistema y por supuesto ser recuperados de los archivos. El resultado de los cálculos informa sobre las áreas de deformación más allá del límite de elasticidad, la distribución de la deformación en las diferentes pasadas del perfilado, el alargamiento y la compresión durante el proceso de conformado, los efectos de la conformación en pendiente y muchos otros. El técnico puede identificar las áreas críticas antes de que el juego de herramientas sea diseñado. Asimismo, la colocación de agujeros y ranuras ha de tenerse en cuenta pues la posición incorrecta puede causar la deformación de éstos. El DTM de COPRA ofrece una respuesta a todas estas preguntas. El modelo de simulación se genera automáticamente por el sistema de software y el diseñador no ha de preocuparse por él. El ingeniero de producción por otra parte consigue un instrumento para la detección de puntos débiles en la distribución del modelo en flor o de la herramienta cuando la producción apenas ha comenzado. La estimación de costos también será más exacta. Hasta ahora no había sido posible una previsión realista debido a la gran cantidad de costos indeterminados al volver a montar juegos de herramientas o durante los tiempos de parada.. 15.

(32) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. Reducir estos costos indeterminados es el primer paso para mejorar el cálculo de los costos. Incluso el departamento de compras poseerá mejores argumentos para proteger sus intereses con el fin de conseguir una calidad constante y buena del fleje. El campo de tolerancia de materiales con la misma especificación es todavía muy grande.[35] FASTFORM3D. El FASTFORMD es un software completamente equipado para el análisis de la Formabilidad de la chapa metálica de la firma Forming Technologies Incorporate y constituye el producto insigne de esta firma. Es un paquete de elemento finito especializado, basado y diseñado específicamente para simular la conformación de la lámina de metal.. Figura # 1.5: Ejemplo de la simulación de una pieza en el software FASTFORMD. Varios fabricantes de productos de chapa y surtidores de partes automotores de primer nivel en los Estados Unidos están utilizando actualmente este software para reducir los costos del diseño y para eliminar esta conjetura durante diseño de las herramientas. Otros usuarios incluyen a las empresas siderúrgicas, de espacio aéreo, fabricantes de aplicación y de la electrónica y a otros diseñadores de herramientas y dados por todo el mundo. [46] Solución rápida y exacta. Las pruebas patrones de la industria confirman análisis que pueden tomar solamente minutos usando FAST_FORM3D. El software proporciona soluciones rápidas y exactas, junto con una abundancia de las opciones del proceso y de la visualización del poste. Está conforme al campo continuo que prueba contra experimentos controlados, útiles de la producción, así como programas incrementales de FEM. El reparador y remallado automático. Las superficies de IGES y de VDAF se pueden remallar y reparar automáticamente en segundos. El sistema de la reparación del acoplamiento puede también manejar acoplamientos importados (en formato de NASTRAN) para la flexibilidad máxima de la interface con el CAD y otros programas del CAE.. 16.

(33) Capítulo I: Estado del arte sobre los Métodos de Elementos Finitos en los Procesos de Conformación de chapas. Predicción. FAST_FORM3D predice las formas exactas para cualquier pieza producidas a partir de láminas de metal incluyendo partes embutidas de piezas con estiramiento material significativo. Este método se puede utilizar para el análisis del costo temprano, jerarquizando para optimizar el uso de material. Las formas se pueden también exportar en IGES o en el formato de Nastran para otros usos. Visualización de la arruga. La capacidad de visualizar arrugas es útil en la interpretación y la presentación de resultados. La forma geométrica de una arruga depende de las tensiones de conformado, la geometría de pieza, así como condiciones de la ayuda. Esta característica permite que el usuario vea la arruga aproximada y la localización de esta. 1.6.- Conclusiones Parciales 1. La revisión bibliográfica consultada muestra el desarrollo del análisis por elemento finito y esto hace que disminuya los costos y el tiempo de fabricación en los procesos de conformación de chapas. 2. Se conocen los procesos particulares de conformación para su adecuado uso con los software. 3. Los procesos de conformado de metales se caracterizan por ser procesos altamente nolineales, esto hace que las deformaciones elásticas sean insignificantes y las variables que se dan en los procesos particulares e integrarlas en una respuesta final para conocer el comportamiento del sistema como un todo. 4. En la revisión bibliográfica se reporta el uso de varios software específicos a partir del empleo de códigos específicos y modelos de material para el análisis de los procesos de conformación. 5. Existe la necesidad de asimilar las particularidades de los software.. 17.

(34) 18.

(35) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas . 2.- Modelado en los procesos de embutición de chapas. 2.1.- Experiencias internacionales sobre la modelación de los procesos de embutición de chapas. El objetivo de este capítulo es realizar un análisis de las principales experiencias intencionales relacionadas con la modelación de los procesos de embutición de chapas. Los resultados investigativos más recientes demuestran que la simulación de los procesos de embutición de la chapa metálica reduce los tiempos de elaboración e incrementa la eficiencia de los costos, en comparación con el método tradicional de prueba y error. Los resultados de la simulación y los del método de prueba y error son comparables también en cuanto a precisión de las herramientas; sin embargo, la mayor ventaja de la simulación es que permite probar, en poco tiempo, diferentes soluciones para el diseño de la herramienta y del proceso de embutido ayudando a una correcta toma de decisiones. Reportes internacionales confirman que mediante la simulación es posible lograr una reducción del costo en un factor de 10 y una reducción del tiempo en un factor de 15. Todo lo anterior hace muy promisorio el estudio de estas técnicas y su aplicación a los procesos de embutición. En relación al esquema general de la investigación adoptado en la figura 2.1, se muestra el método general propuesto para abordar el estudio de las experiencias sobre la modelación de los procesos de embutición de la chapa metálica. Valoración de las experiencias sobre la modelación de los procesos de embutición de chapas. Casos particulares. Objetivos y alcance de la modelación de los procesos de embutición. ANSYS, ABAQUS. Valoraciones y conclusiones parciales. Figura 2.1: Método general propuesto para abordar el estudio de las experiencias sobre la modelación de los procesos de embutición de chapas. 18.

(36) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas . Análisis de las experiencias sobre la modelación de los procesos de conformado. La modelación de los procesos es una de las más importantes herramientas de la ingeniería de procesos, la cual se utiliza para representar un proceso mediante otro que lo hace mucho más simple y entendible para analizar sus características. Esta modelación es, en algunos casos, indispensable y de vital importancia, pues sin este procedimiento todo el proceso productivo se haría más complicado. Las grandes internacionales del mercado han obligado en los últimos años a implementar en las empresas todas aquellas tecnologías que puedan hacer realidad los tres grandes objetivos del diseño moderno: 1. Diseñar para conseguir un costo competitivo. 2. Diseñar en orden la utilización real de servicio. 3. Diseñar bien al primer intento. La gran evolución de los métodos informativos tanto en su aspecto de hardware como software, ha permitido afrontar la resolución de complejos modelos físicos matemáticos cuya solución analítica resultaría prácticamente imposible. De hecho, muchos de dichos problemas hacen ya años que estaban planteados, solo faltaba un medio adecuado para la obtención numérica mediante un ordenador de las ecuaciones numéricas que explican dicha realidad. Por lo tanto, hay que asumir que la simulación es tan exacta como sean las ecuaciones de partida y la capacidad de los ordenadores para resolverlas, lo cual fija límites a su utilización. Mediante la simulación numérica es posible crear sólidos de aspecto casi real, comprobar su comportamiento bajo diversas condiciones de trabajo, estudiar el movimiento conjunto de grupos de sólidos, etc. Esto permite un conocimiento mucho más profundo de un producto antes de que exista físicamente, siendo posible detectar muchos de los problemas, que de otro modo se hubieran detectado en el servicio real. En el embutido profundo una lámina de material inicialmente llana o preconformada se sujeta entre el dado y el presachapas. El prensachapas está cargado por una fuerza que es necesaria para prevenir el arrugado y controlar el flujo de material en la cavidad del dado. Entonces el punzón se empuja en la cavidad del dado y transfiere la forma específica del punzón y el dado simultáneamente a la región que se escogió para ello. Durante la fase de conformado el material es movido fuera de la región del prensachapas-dado, considerando que el material se sujeta mediante tensiones de compresión-tracción durante el conformado. Cuando la fuerza del prensachapas es muy grande el proceso de embutido profundo se convierte en un proceso de estirado. En el proceso de conformación por estirado, el material es fijo en la región bajo el prensachapas y conlleva a la reducción de los espesores en las partes restantes del espacio conformado en el que las tensiones son tensoras en casi todas las direcciones.. 19.

(37) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas .. Figura 2.2: Elementos básicos de la herramienta de embutido. El análisis interno de los procesos de embutición de chapas consiste en la determinación del algoritmo más racional para calcular los indicadores de eficiencia formalizables a partir de las variables de entrada relacionadas en la figura 1, así como de los procedimientos de generación de las imágenes gráficas necesarias para evaluar con efectividad los indicadores de eficiencia no formalizables. En el análisis interno se consideran también la modelación matemática, la organización racional de los procedimientos de cálculo y la simulación por elementos finitos. Ver figura 2.3.. Figura 2.3: Información para el análisis externo en la preparación de la toma de decisiones para los procesos de embutición de chapas, adaptada de [4].. 20.

(38) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas . Después de todo lo expuesto, se puede llegar a la conclusión que para el modelado del proceso de embutido profundo se puede utilizar un programa de elementos finitos, el cual es una pieza muy compleja de software en la que confluyen numerosas operaciones. Por este motivo suelen estar divididos en subsecciones, donde cada una de las cuales efectúa una operación determinada. Sin embargo, el tema no se limita al puro cálculo. La preparación de los datos y el análisis de los resultados numéricos que aparecen como producto del cálculo, son tareas arduas que actualmente se tienden a integrar a su propio software. Así pues, un paquete de cálculo de elementos finitos consta de un procesador, en el cual se incluyen todas las ayudas a la preparación de los datos y que generan los archivos de los resultados y un posprocesador que facilita el análisis e interpretación de los resultados, generalmente en forma gráfica mediante el trazado de curvas, gráficos tridimensionales, tablas, etc. Ver figura 2.4. Paquete de cálculo. Preprocesador. Posprocesador. Ayuda y preparación de datos. Análisis e interpretación de resultados. Toma de decisiones. Figura 2.4: Elementos básicos de un paquete de cálculo para la modelación de un proceso. Pueden realizarse, entre otros, los siguientes tipos de análisis:  El análisis estático, permite la determinación de los componentes de los nodos por efecto de una solicitación estática y, en segunda fase, la determinación del estado en ciertos puntos característicos de cada elemento. Este tipo de análisis permite acotar la deformación del componente de estudio y localizar zonas altamente solicitadas o zonas de solicitación baja, según el interés sea evaluar la resistencia estática o en eliminar material.  El análisis dinámico, que puede ser de cualquier de los tres tipos siguientes: 1.. Cálculo de las frecuencias y modos propios de vibración.. La vibración libre de un cuerpo elástico se realiza en frecuencia y tomando formas que le son características, denominada frecuencias y modos propios de vibración. El análisis de modos y frecuencias propias de vibración se realiza con el objetivo de conocer mejor el comportamiento dinámico del componente o estructura y determinar posibles conflictos, como por ejemplo, la generación de resonancia.. 21.

(39) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas . 2.. Cálculo de la frecuencia en función del sistema.. Este tipo de análisis permite determinar la respuesta vibratoria y tensional de una estructura cuando es excitada mediante una carga senoidal periódica con amplitud y frecuencia variable. De este modo es posible explorar la presencia de los diversos modos de vibración en el rango de frecuencias de interés a fin de determinar su importancia relativa. 3.. Cálculo y respuesta a una solicitación transitoria.. En este tipo de análisis se pretende simular el efecto de una secuencia de carga real sobre la estructura, incorporando los efectos dinámicos. [65] Para reducir la perdida de tiempo y costo, la modelación de procesos de embutición por simulación computarizada puede ser usada para reemplazar el ensayo experimental y el proceso de prueba y error por un ensayo virtual. Desde mediados de los 90 hasta el presente se ha producido en los países más industrializados una explosión en cuanto al empleo de las técnicas numéricas a todos los procesos de manufactura, incluyendo, por supuesto, los procesos de embutición de chapas en todas sus múltiples acepciones. Estos procesos están siendo modelados mediante el método de los elementos finitos utilizando diferentes software. [65] 2.2.- Aplicación del método de elementos finitos para la simulación de un proceso de embutido con la utilización del software ANSYS y el módulo LS-DYNA. ANSYS Inc. fundada en 1970 (Swanson Analysis Systems, Inc.), desarrolla y presta soporte a la ingeniería introduciendo nuevos métodos para conseguir productos y procesos de fabricación más innovadores, logrando una reducción tanto de los costos como del tiempo invertido hasta la comercialización del producto, con programas de elementos finitos destinados a la simulación, que predicen cómo funcionará y reaccionará determinado producto bajo un entorno real [47] ANSYS es un programa de elementos finitos que originalmente ofrece soluciones para resolver análisis estáticos lineales. Sucesivamente se han ido introduciendo módulos con los que este programa es capaz de resolver además problemas dinámicos no lineales. Los principales módulos de ANSYS son: Multiphysics, Mechanical, Structural, Professional, Design Space, Emag (simulaciones Electromagnéticas), Paramesh (mallas adaptativas), LSDYNA y educacional. [47] ANSYS LS-DYNA surge de la colaboración entre ANSYS, Inc. y Livermore Software Technology Corporation (LSTC), introduciendo en 1996 las herramientas robustas de LSDYNA para resolver problemas complejos de diseño. Incluye, elementos explícitos 2D y 3D, análisis automático de contactos (superficie única, superficie a superficie y nodo a superficie), decenas de modelos de material y ecuaciones constitutivas, así como una gran cantidad de posibilidades de simulación. [47] Ante fenómenos que ocurren a elevada velocidad como pueden ser los impactos, colisiones o procesos que sufren grandes deformaciones, estampado o conformado, se exige un conocimiento. 22.

(40) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas . muy amplio y profundo de los fenómenos físicos que se producen así como de los modelos matemáticos empleados: ecuaciones constitutivas, leyes de comportamiento del material, resolución de la propagación del efecto en el modelo analizado, etc. [47] Método de resolución de ambas aplicaciones. ANSYS (método de resolución implícito) y LS-DYNA (método de resolución explícito), proporcionan soluciones a procesos de muy distinta naturaleza y con métodos de resolución diferentes. [47] ANSYS: Es un programa de elementos finitos que da solución a procesos implícitos, es decir, resuelve sistemas estáticos/casi-estáticos (fuerzas aplicadas en grandes lapsos de tiempo) en los que el sistema se comporta de forma lineal. Se resuelve en una sola iteración, definida a partir de intervalos grandes de tiempo, ya que la soluciones convergen fácilmente mostrando una gran estabilidad, de manera que utiliza pocos recursos computacionales. [47] LS-DYNA: Resuelve procesos explícitos, es decir, problemas dinámicos en los que se producen problemas de impactos, de contactos entre superficies, grandes deformaciones y múltiples nolineales. Como la solución explícita depende del tiempo (el tiempo total del transcurso del proceso se divide en intervalos muy pequeños), el sistema debe resolverse completamente (campos de tensión y de deformación) para cada intervalo de tiempo hasta llegar a completar el tiempo total de la simulación. Exige, por lo tanto, muchos recursos y tiempo de CPU para llegar a una solución, cuyo grado de convergencia depende del número de intervalos en que se halla dividido el tiempo total. [47] ANSYS LS-DYNA: Combina el motor de resolución de procesos explícitos de LSDYNA con las capacidades del pre-procesado y post-procesado de ANSYS. De forma que desde el preprocesador se podrá generar/importar la geometría, obtener la solución dinámica explícita (se trata en este caso de un proceso de embutición) y los resultados desde el post-procesador de ANSYS. A continuación, se presenta un esquema que trata de reflejar los pasos realizados en cada módulo del programa. [47]. 23.

(41) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas .. Figura. 2.5: Simulación explicita simple. Pasos a realizar [47]. Se podrá, por lo tanto, resolver un problema implícito de forma explícita siempre que no importe el aumento de tiempo y de recursos computacionales. De la misma forma se podrá obtener la solución de un problema explícito de forma implícita, lo que supone la pérdida de precisión a la hora de resolverlo ya que no refleja el proceso real (solución de un problema dinámico sobre la base de un movimiento estático), las posibles deformaciones generadas durante el proceso, etc. Como ventaja se podría destacar la velocidad de resolución, que sería mucho mayor. [47] La siguiente tabla comparativa resume las ideas mencionadas en los párrafos anteriores de forma que se puedan comparar los principales aspectos del trabajo con las tres herramientas. [47]. 24.

(42) Capítulo II: Modelado en los procesos de embutición de chapas .. Tabla 2.1: Comparativa entre ANSYS, LS-DYNA y ANSYS LS-DYNA [47] Soluciones implícitas – explicitas, explícitas – implícitas, y doble explícitas. En el proceso de embutición de la chapa metálica, existe una parte que se puede considerar explícita y otra implícita. [47] Explícita: Bajada del punzón, contacto de la placa con el troquel (punzón, prensachapas y matriz) y deformación de la chapa. Implícita: Cálculo de la recuperación elástica de la chapa (retirada, subida del punzón). Resolver un proceso simple de conformado mediante una solución explícita-implícita es una buena opción, porque la parte dinámica se resuelve con el motor de resolución de LS-DYNA, mientras que el cálculo del “springback” o retorno elástico sufrido por la placa tras retirar la carga se calcula con el motor implícito de ANSYS. No es tan sencillo, cuando se trata de resolver un proceso de deformación que sucede en varias etapas [47], ya que se debe hacer el análisis para cada etapa en particular, dependiendo de los pasos de embutido y teniendo en cuenta lo que se realizó en la etapa anterior. Según el manual de ANSYS LS-DYNA se pueden transferir las bases de datos entre análisis explícitos e implícitos y viceversa. Para entender adecuadamente el procedimiento de resolución, es necesario, explicar los tipos de solución. [47]. 25.