FEMAP V10.2 & NX Nastran 7.1 Tutorial
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1. Descripción del Problema
Se trata de
estudiar el contacto superficie-a-superficie entre la palanca de cambio de un
automóvil de acero y el fuelle que actúa de revestimiento que es de material
hiperelástico, teniendo además en cuenta el contacto entre
los propios pliegues del fuelle. A este tipo de contacto "consigo
mismo" se le denomina "self contact" y es una capacidad
exclusiva del módulo no lineal avanzado SOL601
de NX NASTRAN que vamos a explotar en la resolución de este ejemplo.
Si quieres repetir este tutorial en tu propio ordenador pídenos los modelos con la geometría de entrada y te lo remitimos por e-mail, es un servicio gratuito para nuestros clientes.
Contacto No Lineal Superficie-a-Superficie entre Elementos Sólidos 3-D
CHEXA de 20-nodos
Los pasos que debemos seguir para realizar el análisis no lineal avanzado son los siguientes:
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Preparar la geometría para mallar con elementos sólidos hexaédricos 3-D CHEXA de 20-nodos. |
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Definir propiedades de material y condiciones de contorno. |
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Definir los contactos entre Palanca + Fuelle, así como los contactos entre los pliegues del propio Fuelle. |
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Definir los parámetros del análisis no lineal. |
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Postprocesar los resultados. |
2. Preparación de la geometría
En problemas sólidos 3-D no lineales de contacto se
debe evitar la utilización (siempre que sea posible, claro!) de elementos
sólidos tetraédricos CTETRA, el tipo de elemento preferido debe ser siempre el
sólido hexaédrico CHEXA de 8-20 nodos. Para mallar con elementos sólidos tipo
CHEXA la geometría se debe dividir en sólidos simples regulares. FEMAP puede
mallar únicamente sólidos con una superficie "inferior" y
otra "superior" (top/bottom) con igual número de segmentos unidas entre sí por
superficies de 4-lados.
Durante el proceso de mallado con elementos hexaédricos FEMAP identifica las superficies "top" y "bottom" y automáticamente ajusta las mallas en ambas superficies para que sean exactamente iguales. Este requisito de mallas "iguales" es fundamental para que el mallado hexaédrico 3D se realice con éxito. Las superficies "superior" e "inferior" deben producir la misma malla 2-D, no necesariamente deben tener la misma forma, pero sí el mismo número de nodos y elementos con la misma conectividad. Las superficies laterales (es decir, todo lo que no sea "superior" e "inferior") controlan la malla a lo largo de la longitud de la extrusión. El requisito general es que las superficies laterales deberán ser de cuatro lados y "mapeables", es decir, que se pueda crear una malla regular con elementos QUAD de 4-lados.
En nuestro caso, la palanca de cambios es directamente mallable con elementos sólidos hexaédricos CHEXA sin necesidad de ninguna modificación geométrica, ya que es la mitad de un cilindro 3D. Y en cuanto al forro que actúa de revestimiento dado que es una pieza de revolución también es directamente mallable con elementos hexaédricos. De todas formas el modelo sólido se ha dividido radialmente en pequeños volúmenes tal como muestra la sigiente imagen para facilitar el control del mallado en los pliegues con mayor curvatura.
Para reducir el tiempo computacional a la hora de calcular contactos se ha cortado el fuelle de revestimiento por un plano vertical para así reducir las regiones de contacto a únicamente aquellas zonas en donde se produce realmente el contacto físico palanca-fuelle y fuelle-fuelle, evitando malgastar recursos de cálculo.
3. Densidad de Malla
q
3.1.
Definición
de la Densidad de Malla en los sólidos 3D
Mediante "Mesh > Mesh Control >
Size on Solid > HEX Meshing" seleccionamos todos los sólidos que
forman el forro de revestimiento y aplicamos un tamaño de elemento tal que
tengamos 2 elementos en el espesor del fuelle. La siguiente imagen muestra
las densidades de malla prescritas en los diferentes pliegues del fuelle,
utilizando un mínimo entre 6 y 8 elementos.
Definición de la densidad de malla en los sólidos
3-D
La siguiente figura muestra el resultado de utilizar la orden "Mesh > Mesh Control > Mesh Size along Curves" con las opciones "Bias Factor = 2" y "Small Elements at Both Ends", causando que la malla en los extremos de las curvas sea el doble de pequeña que en el centro, de esta forma tenemos una buena transición de malla entre las zonas curvadas y las zonas rectas del fuelle.
Definición del control local de la malla en curvas
Mediante la orden "Mesh > Geometry > Surface.." creamos una malla 2-D del tipo
Creación de mallas 2-D como semilla de mallas 3-D
4.
Definición de Propiedades (Material y Tipo de Elemento)
Mi consejo es asignar propiedades (tipo
de elemento y material) directamente a la geometría mediante la orden "Mesh
> Mesh Control > Attributes on Solid ..", de esta forma podremos
mallar diferentes sólidos y FEMAP les asigna sus propiedades de material de
forma automática.
q
4.1.
Asignar Atributos al
Fuelle de Material Hiperelástico
Mediante la orden "Model > Material >
Type > Hyperelastic" creamos un material con las
siguientes propiedades (unidades MPa):
------------------------------------------------------------ MATERIAL INFORMATION ------------------------------------------------------------ Material : HYPERELASTIC Material properties: Locally defined material Material Type: Hyperelastic - general Label: 1 Category : Mass Density (RHO) : 0 kg/mm^3 Structural Damping Coefficient (GE) : Not defined Coefficient of Volumetric Thermal Expansion (AV): Not defined Temperature (TREF) : Not defined Distortional (NA) : 1 Volumetric (ND) : 1 Definition : Constants Distortional Deformation Constants - (Aij): 6 by 6 Matrix Values (Units: mN/mm^2(kPa)) Row[ 0]= { 0, -1.515285, 0, 0, 0, 0}} Row[ 1]= { 30.48396, 0, 0, 0, 0, }} Row[ 2]= { 0, 0, 0, 0, , }} Row[ 3]= { 0, 0, 0, , , }} Row[ 4]= { 0, 0, , , , }} Row[ 5]= { 0, , , , , }} Definition : Constants Volumetric Deformation Constants : 1 by 5 Matrix Values (Units: mN/mm^2(kPa)) Row[ 0]= { 28953.02, 0, 0, 0, 0}} ------------------------------------------------------------ |
Propiedades del Material Hiperelástico (MPa)
q
4.2.
Asignar Atributos a
la palanca
Mediante la orden "Model > Material >
Load" cargamos un material tipo acero de la librería de FEMAP
(utilizaremos unidades MPa).
5. Mallado con
Elementos Sólidos 3-D Hexaédricos CHEXA de 20-nodos
Una vez definidas los tipos de elementos y
propiedades de materiales y asignado todo a la geometría el proceso de mallado
es inmediato, veréis que rápido.
Mediante la orden "Mesh > Geometry > HexMesh Solids..." seleccionamos los sólidos correspondientes al Fuelle, y en la ventana "Hex Mesh Solids" activamos la opción "Midside Nodes" para mallar con elementos sólidos hexaédricos de 20-nodos. Seguidamente pulsamos en "Options" donde activarermos la opción "Midside Nodes in Surfaces" para asegurarnos que los nodos intermedios están proyectados en la superficie del sólido. FEMAP automáticamente "mergeará" nodos coincidentes entre componentes y asignará el atributo correspondiente a cada elemento en función de la geometría a la que pertenezca.
Opciones de mallado con elementos sólidos
hexaédricos
La siguiente imagen demuestra que los nodos intermedios están colocados en la superficie exterior del sólido y siguen fielmente la geometría del fuelle:
Fuelle mallado con elementos sólidos 3-D
hexaédrica CHEXA de 20-nodos
La siguiente imagen muestra las mallas conjuntas de la palanca y del fuelle. En la malla de la palanca nos permitiremos la "licencia" de usar una malla con elevada relación de ASPECT RATIO > 5 ya que el componente que más nos interesa estudiar no es la palanca, sino el contacto en el fuelle, que es el que se debe mallar con una buena calidad de la malla para evitar elementos excesivamente distorsionados al sufrir éstos grandes desplazamientos y deformaciones.
Malla sólida 3-D hexaédrica con elementos CHEXA
de 20-nodos
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