Análisis de Resistencia de Prototipos Digitales
Modulo 1 : Introducción
Flavio Costa
Gerente General – SEMCO CAD
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Resumen de la Clase
Aprender a realizar análisis de esfuerzos en ensambles mediante el
método de elementos finitos
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Objetivos de Aprendizaje
Al final de esta clase, usted será capas de :
 Preparar un modelo o prototipo digital para su posterior análisis de
resistencia
 Revisar y modificar los tipos de contacto entre las piezas del modelo
 Revisar y afinar la malla (mesh) del modelo
 Realizar el calculo y Analizar los resultados
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Introducción al Análisis por Elementos
Finitos
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Método de Elementos Finitos
•
Método matemático
Divide el modelo a analizar en pequeños componentes
Permite predecir el comportamiento de un modelo ante ciertas
acciones (fuerzas, calor, etc) del entorno.
Siglas
•
•
•
•
•
FEM : Finite Element Method
FEA = Finite Element Analysis.
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Tipos de Análisis
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Tipos de Análisis
Lineal
Multi-fisica
Fatiga
No Lineal
Electrostático
Térmico
Flujo de
Fluidos
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Análisis Lineal

Los materiales son lineales (Elástico).


Ley de Hooke
No hay deformación permanente

Las cargas producen pequeñas
deformaciones o rotaciones.
 Los cambios de dirección en las cargas
debido a las deformaciones pueden ser
despreciados.
 Las condiciones de borde no cambian.
Rotura
Fluencia
Zona
Elástica
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Análisis Lineal

Esfuerzos
 Vibraciones
 Pandeo
 Dinámico
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Análisis No Lineal

Los materiales pueden ser no lineales,
experimentan grandes deformaciones (caucho)
o metales trabajando en la zona plástica
 Las cargas pueden producir grandes
deformaciones y/o rotaciones.
 Las cargas pueden cambiar de dirección
Fluencia
debido a las deformaciones.
 Las condiciones de borde pueden cambiar
bajo un patrón conocido.
Rotura
Zona
Plástica
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Análisis No Lineal

Esfuerzos
 Vibraciones
 Dinámico
 Caída Libre
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Análisis de Fatiga

Cargas que varían cíclicamente
 Materiales Elásticos (ley de Hook)
 No hay deformación permanente
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Análisis Térmico

Estado Estable

Las cargar térmicas son constantes en el tiempo.
 El sistema esta en equilibrio térmico
 Distribución de temperaturas y flujo de calor.

Estado Transitorio




El sistema no esta en equilibrio térmico.
Las cargas térmicas pueden ser constante o variables.
Determina la temperatura y flujo de calor
El material puede cambiar de estado entre solido y líquido.
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Flujo de Fluidos

Se Calcula la distribución de velocidades y presiones bajo diferentes
condiciones :



Flujo de Fluidos Estable
 El fluido se encuentra en estado estable.
 Efectos Inerciales son ignorados
Flujo de Fluidos Inestable
 Fluido sujeto a aceleración o cambia en el tiempo
 Efectos inerciales son incluidos
Flujo a través de medios porosos
 El fluido se encuentra en estado estable.
 Efectos Inerciales son ignorados
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Análisis Electroestático

Corrientes y Voltaje Electrostáticas


Calcula la distribución de corrientes y voltajes en
condiciones estables debido a voltajes inducidos
y fuentes de corriente
Campo de Fuerza y Voltaje Electrostáticos

Calcula la distribución de corrientes y voltajes en
condiciones estables en un aislante debido a
voltajes inducidos y fuentes de corriente
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Multi-Física

Calcula las temperaturas, flujo de calor, velocidades y distribuciones
de presión en un fluido o modelo compuesto por partes solidas
interactuando con un fluido.
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Conceptos Básicos
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Conceptos Básicos

Nodos
 Elementos
 Mallas
 Grados de Libertad
 Tipos de Elementos
 Conexiones
 Condiciones de Borde
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Nodo, Elemento y Malla



La malla esta compuesta por nodos y elementos
En los nodos se aplican las cargas y se determinan sus efectos
(deformaciones).
Los elementos son los conductores de los efectos entre los nodos
Malla
Nodo
Elemento
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Grados de Libertad (DOF)



Los grados de libertad ( DOFs ) de un nodo caracterizan la respuesta y
representan el posible movimiento de un nodo.
Un elemento estructural puede tener 3 grados de translación y 3 de rotación,
dando el máximo de 6 grados de libertad.
La temperatura en un análisis térmico tienen un solo grado de libertad en un
nodo.
Nodo
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Elemento


Un elemento es una relación matemática que define como los DOFs de un
nodo se relacionan con los del siguiente nodo.
La relación matemática también define como las deflexiones crean esfuerzos
y deformaciones.
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Tipos de Elementos

Los tipos de elementos son :
 Lineales : Una línea conectando 2 nodos
 2D : Elemento contenido en un plano, como Triangulo o cuadrilátero (3 o 4
líneas cerrando un área)
 3D planos : Elemento plano o casi plano, contenido en el espacio 3D.
Triangulo o cuadrilátero y representa a una forma delgada con espesor fijo
 3D sólidos : Elemento espacial con 4, 5 o 6 caras (Triángulos o
cuadriláteros) con 4,5 o 6 nodos.
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Conexión

Un elemento se puede comunicar con otro únicamente a través de nodos
comunes.
No hay comunicación
Nodos de comunicacion
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Condiciones de Borde

Apoyos
Fuerzas


Son las condiciones de trabajo a las
cuales esta sujeto el modelo a
analizar.
 Apoyos
 Fuerzas
 Temperaturas
 Fuentes de calor
Las condiciones de borde son
deducidas por el usuario.
Condiciones mal definidas nos
llevaran a resultados erróneos.
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Flujo de Trabajo
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Flujo de Trabajo
Optimización
Preparación
del Modelo
Condiciones
de Borde
Definición de
Contactos
Refinamiento
de la Malla
Análisis
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Preparación
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Tareas de Preparación del Modelo
Simplificación del Modelo
Asignación de Material
Definición de Apoyos
Definición de Cargas
Definición de Contactos
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Simplificación del Modelo
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Selección de Componentes

Aislar el sub-ensamble o conjunto
de piezas (ensambladas) sobre las
cuales realizaremos el análisis.
 Identificar los componentes o
partes que no trabajan o no
participan del análisis
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Simplificación del Modelo

Suprimir formas pequeñas que no
son representativas y no tienen
efecto sobre el análisis, ejemplo :
Chaflan
Acanalado

Agujeros pequeños, diámetros
menores de 1/100 de la longitud de
la pieza
 Redondeos y chaflanes pequeños.
 Textos y/o formas decorativas
grabados y/o en relieves sobre la
pieza
Estas medida simplifica la malla y
reducen el tiempo de la simulación
Logotipo
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Asignación Material
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Asignación Materiales
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Definición de Apoyos (Constraints)
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Restricciones - Apoyos
1.
2.
3.
Fixed - Fija
Frictionless – Sin fricción
Pin - Rotación
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Fixed Constraint - Apoyo Fijo

Se usa para indicar que un apoyo
es completamente rígido.
 Se aplica a un punto, arista o
cara, la cual pierde los grados de
libertad
 Ningún punto de la geometría
seleccionada se deforma
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Fixed Constraint - Apoyo Fijo

Por default restringe todos los
grados de libertad
 Permite particularizar, escogiendo
las direcciones restringidas
 Si se ingresa un valor, este indica
que nuestro modelo fue armado
con una pre-deformación, lo cual
generara una pre-carga.
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Frictionless Constraint - Apoyo Sin Fricción

Se aplica para liberar el
desplazamiento en una superficie
 La superficies puede ser plana o
curca
 Las aristas y vértices no son
seleccionables.
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Pin Constraint – Apoyo Tipo Pin

Se aplica para prevenir la
deformación Radial, Axial o
Tangencial de una zona cilíndrica
 Se aplica una o cualquiera de las
combinaciones
 Se debe restringir por lo menos
una de las opciones.
 Para un rodamiento o
pin se libera la dirección
tangencial
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Conclusiones Apoyos

Los apoyos definen los DOFs de las zonas donde se apoya la pieza a
analizar y esto influye sobre las posibilidades de deformación de la
pieza.
 Solo un cambio en la forma de apoyar puede influir drásticamente en
la rigidez o flexibilidad del sistema.
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Definición de Cargas (Loads)
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Tipos de Cargas - Loads

Force (Fuerza)
 Pressure (Presión)
 Bearing (Rodamiento)
 Moment (Momento)
 Gravity (Gravedad)
 Remote Force
 Body
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Aplicación Fuerza

Se puede aplicar a un punto,
una arista o eje, Cara.
 Paralela a la arista o eje
 Perpendicular a la cara
Cara
Arista
Punto
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Aplicación Presión

Solo se aplica a caras
 Perpendicular a la cara
 Presión negativa sale de
la cara
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Bearing Load (Rodamiento)
 Solo
se aplica a caras Cilíndricas
 Componente axial, se distribuye
uniformemente sobre toda la superficie
 Componente radial, es distribuida,
basada en la proyección del área
perpendicular a la dirección de la
componente radial
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Aplicación Momento

Solo se aplica a caras
 Cumple con la ley de la mano
derecha
 Click la flecha de dirección para
seleccionar la dirección de la
fuerza (plana o arista)
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Creación de Contactos
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Pregunta

Que diferencia el proceso de calculo de una pieza del de un
ensamble?
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Respuesta

Una pieza, esta compuesta por un único material y las fuerzas de
distribuyen de acuerdo a las características de la forma y propiedades
mecánicas del material.
 Un ensamble, esta compuesto por varias piezas, que pueden ser de
diferente material.
 Las piezas están ensambladas (unidas por diferentes tipos de juntas),
las cuales definen como se comunican las fuerzas de una pieza a otra.
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Contactos

Los contactos permiten definir las
condiciones como 2 o mas piezas
se conectan entre si.
 Los contactos establecen los
grados de libertad en la zona de
conexión y de esta forma se
definen como pasan las fuerzas
de una pieza a la otra.
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Tipos de Contactos

Bonded Contact
 Separation Contact
 Sliding/No separation contact
 Separation/ No Sliding Contact
 Shrink Fit/No Sliding Contact
 Spring Contact
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Bonded Contact

Unión rígida entre todos los Nodos de las caras (zonas) en contacto
 Todos los puntos de la zona de contacto de ambas piezas se
desplazan en la misma magnitud y dirección.
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Separation

Las zonas en contacto se pueden separar mientras se deslizan una
con respecto a la otra, pero no existe penetración de una a la otra.
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Sliding / No Separation

Las zonas en contacto no se pueden separar en dirección normal a las
caras.
 Se pueden deslizar una con respecto a la otra.
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Separation / No Sliding

Las zonas en contacto se pueden separar en dirección normal a las
caras.
 No se puede deslizar una con respecto a la otra.
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Shink Fit / Sliding

Se comporta como Separation
 Inicialmente existe interferencia entre la piezas
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Shink Fit / No Sliding

Se comporta como Separation/No sliding
 Inicialmente existe interferencia entre la piezas
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Spring

Crea un resorte entre 2 caras.
 Se puede definir la constante de rigidez normal y tangencial
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Enmallado - Mesh
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Definiciones

La malla (mesh) es la conversión del modelo a analizar en una
representación matemática.
 La calidad de la malla define la precisión de los resultados.
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Creación y refinamiento de mallas

Inventor proporciona comandos para controlar la calidad de la malla,
estos pueden ser aplicados en forma global o local.
 En la figura se ven las opciones relacionadas con la creación y
refinamiento de la malla :
Mesh View
Mesh Settings
Local Mesh Settings
Convergense Settings
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Mesh View

Mesh View crea la malla tomando en cuenta los parámetros definidos
en Mesh Settings
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Mesh Settings

Permite definir una serie de
valores que se usaran para
refinar la malla y explicaremos a
continuación.
 Son aplicados a toda la pieza o
ensamble
 Son definidos para cada
simulación
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Mesh Settings

Average Elements Size :

Es el tamaño promedio del elemento
o en otras palabras la distancia
promedio entre nodos.

El valor es una fracción de la
dimensiones mas larga de la
pieza (sea en X, Y o Z).
 Un menor valor produce una
malla mas pequeña.
 Valores Típicos entre 0.1 y 0.05
Average Element Size = 0.1
Tamaño Elemento = 10mm
Longitud = 100mm
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0.1
0.05
0.01
Efecto Average Element Size
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Mesh Settings

Minimum Element Size :

Es la distancia mínima entre nodos.
 Es una fracción del Average
Element Size.
 Si se incrementa disminuye el
numero de nodos, pero la calidad
baja.
 Valores típicos entre 0.1 y 0.3
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Average Element Size =0.1
0.5
0.2
Efecto Minimum
Element
Size
1.0
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Mesh Settings

Grading Factor :

Relación de tamaño entre 2 elementos
vecinos.
 La transición entre zona de malla
gruesa y delgada sea suave.
 Menores valores producen mallas mas
uniformes.
 1.5 indica que el tamaño entre 2
elementos vecinos 1.5 veces la
dimensión del elemento anterior.
 Valores Típicos entre 1.5 y 3.0
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Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2
3.0
1.5
Efecto Grading
Factor
6.0
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Mesh Settings
 Maximun
Turn Angle : El ángulo
máximo de un arco. De 1 a 90
grados. Menor valor produce
mallas mas pequeñas.
Recomendado 30 a 60 grados.
 Create Curved Mesh Elements :
Crea malla en aristas y caras
curvas. Si se desactiva solo usa
elementos rectos.
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Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2
Efecto Maximun
Turn
Angle
60
90
15
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Average Element Size =0.1
Minimum Element Size = 0.2
Efecto Create Cirved Mesh Element
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Local Mesh Settings

Se usa para refinar zonas especificas
 Element Size : Indica el tamaño promedio del
elemento a crear en unidades (mm o inch).
 Para lograr un efecto, use un valor menor
que el indicado en Global Average Size
(Mesh Settings).
 Todos los parámetros para controlar la malla
en forma global son adimensionales y
definen proporciones. Este valor es una
medida absoluta en la unidad de longitud que
se esta trabajando
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Convergencia
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Convergencia y Refinamiento

La convergencia y el refinamiento están íntimamente relacionadas.
 Mientras mas pequeña la malla, mas elementos y mas precisos los
resultados.
 La simulación demora mas, mientras mas elementos hay.
 El método de refinamiento consiste en afinar la malla solo en aquellos
lugares donde es necesario.
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Refinamiento H

Método iterativo permite comparar 2 soluciones e identificar las zonas
donde hay que refinar.
 El criterio para refinar es la convergencia
 Convergencia se da cuando 2 soluciones difieren en un % menor que
un valor objetivo (Dato).
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Convergencia

Maximum Number of h
Refinement :


Numero máximo de ciclos de
refinamiento. Valores de 1 a 5.
Stop Criteria (%) :

Se detiene el calculo cuando los
valores de 2 ciclos continuos son
menores que el valor de Stop
Criteria. Si se alcanza el Stop
Criteria, se detiene, así no se haya
alcanzado el numero de ciclos.
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Convergencia

h Refinement :

% de elementos a refinar.
 0 : incluye a todos los elementos para refinamiento.
 1 : indica que no refine nada.
 0.75 : indica que de todos los elementos con error el 25%, esta sujeto a
refinamiento.

No aplica a análisis modal.
 Incrementar de 0.1 en 0.1,valor inicial 0.75
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Convergencia Vs No Convergencia

Convergencia : Se afina la malla y los resultados tienden al mismo
valor
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Teoría de Fallas
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Teoría de Fallas

A medida que se aumenta la
carga sobre un cuerpo este se
deformara hasta llegar a un punto
donde se produce una falla.
 La falla puede ser rotura o
deformación permanente
(Fluencia)
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Teoría de Fallas

Cuando un cuerpo esta sujeto a fuerzas en diferentes direcciones,
algunas de ellas de tensión y otros cortantes es difícil determinar el
punto de la falla.
 Los metales puedes ser divididos en dúctiles y frágiles.
 Dúctil acero blando, cobre, etc
 Frágiles Acero fundido.
 Existen diferentes teorías para predecir la falla

Von Misses : Materiales Dúctiles
 1st Principal Stress : Tracción, Materiales Frágiles,
 3er Principal Stress : Compresión, Materiales Frágiles
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Resumen de la Clase