FEMAP V10.2 & NX Nastran 7.1 Tutorial
Presión Hidrostática - Análisis Estático Lineal (1ª Parte)
(Diciembre, 2010)
1. Descripción del Problema
La siguiente imagen muestra el modelo CAD 3D de un tanque de
aluminio de espesor 10 mm que contiene un líquido de densidad DENS=1000 kg/m3.
El líquido ejerce una presión variable no uniforme sobre las paredes del
tanque en función de la profundidad o distancia a la superficie del líquido de
valor "P(y) = DENS*!y", siendo "!y" el
término que se utiliza en FEMAP para definir una variación de la distancia a
lo largo del eje-Y en función de la profundidad del tanque cuando el origen de
coordenadas se encuentra en la superficie del líquido (Y=0). Este tutorial
enseña cómo aplicar en FEMAP una carga de presión variable tal como en el
caso de una presión hidrostática.
Geometría CAD 3D importada en FEMAP
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.
2. Creación de Superficies Medias
Lo primero que debemos hacer es crear las
superficies medias de las paredes del tanque:
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Mediante la orden "Geometry > Midsurface > Automatic" seleccionamos todas las caras de las paredes del tanque (incluyendo el fondo) y usamos un valor de 11 mm para asegurarnos de que seleccionamos todos los "pares de caras" de forma correcta. |
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En el árbol de "Model Info" apagamos los componentes sólidos y nos quedamos únicamente con las superficies medias. |
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Usando la orden "Geometry > Surface > NonManifold Add .." seleccionamos todas las superficies medias creadas anteriomente y como consecuencia se crea una única entidad geométrica con el nombre "General Body Add" que reúne todas las superficies medias. |
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Finalmente en el árbol de "Model Info" encendemos la entidad sólida correspondiente al líquido y usando la orden "Geometry > Midsurface > Trim with Curve ..." seleccionamos en primer lugar una de las curvas del sólido correspondiente a la superficie del líquido y seguidamente una de las superficies de la pared del tanque y FEMAP extenderá la línea de partición a lo largo del tanque. |
Creación de Superficies Medias y Partición de las
paredes del Tanque
3. Propiedades de Material y Tipo de Elemento
Seguidamente definimos las propiedades del material del tanque y
el tipo de elemento con su espesor:
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Mediante la orden "Geometry > Midsurface > Assign Mesh Attributes > METHOD: On Solid" seleccionamos el sólido anterior creado a base de superficies medias con el nombre "General Body Add" y FEMAP nos solicitará un material y creará el tipo de elemento 2-D Shell CQUAD4 con las propiedades de material y espesor del sólido 3D original. Asignamos el material "Aluminio 6061". |
Propiedades del Material
Propiedades del Tipo de Elemento
4. Mallado con Elementos Finitos
El primer paso es prescribir un tamaño de
elemento a la geometría, para lo cual vamos a "Mesh > Mesh
Control > Size On Surface > METHOD: Solid" y seleccionamos
el sólido anterior creado a base de superficies medias con el nombre
"General Body Add" y precribimos
un tamaño de elemento de 10*10 = 100 mm, es decir, vamos a mallar las paredes
del tanque (que tienen un espesor de 10 mm) con elementos Shell 2-D con un lado
de elemento igual a 10 veces su espesor, lo cual es razonable:
Aplicación del Tamaño de Elemento en la
geometría
Seguidamente prescribimos en la geometría los atributos de tipo de elemento y propiedades de material mediante la orden "Mesh > Mesh Control > Attributes On Surface > Previous > OK", de esta forma al mallar las paredes del tanque se asignan automáticamente las propiedades a los elementos.
Definición de Propiedades de Mallado
Y finalmente mallamos el tanque con "Mesh > Geometry > Surface" con la opción "0..Use Meshing Attributes":
Mallado de las Superficies del Tanque
5. Cargas y Condiciones de Contorno
Las
cargas y condiciones de contorno a imponer al tanque son las siguientes:
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Restricciones: La base del tanque tiene todos sus GDL de translación restringidos, es decir, TX=TY=TZ=0. |
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Sistema Local de Coordenadas: En un punto cualquiera de la superficie del fluido creamos un sistema local de coordenadas orientado de forma que el eje-Y local varíe en la dirección de la profundidad del tanque y cuyo origen (Y=0) coincida con la superficie libre del líquido. |
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Presión Hidrostática: Seleccionamos las superficies del tanque en contacto con el líquido y aplicamos una presión variable mediante "Model > Load > On Surface > Pressure", seleccionando el sistema local de coordenadas, el método variable y definiendo la ecuación P(y)=DENS*!y = 1e-5*!y, donde el valor de la densidad se obtiene como: |
Aplicación de la Carga de Presión
Hidrostática en el Tanque
Selección del Método Variable
Definición de la Ecuación P(y)=1e-5*!Y
6. Ejecución del Análisis
Realizamos el Análisis Estático lineal
utilizando el solver NX Nastran:
Parámetros del análisis
7. Postprocesado de Resultados
En la siguiente figura vemos unos valores de
desplazamiento resultante de 38 mm que son enormes en comparación con el
espesor del elemento de tan sólo 10 mm, lo cual indica que existe un
comportamiento no lineal por la geometría. El análisis a realizar debe
considerar el efecto de "Large Displacements" (grandes
desplazamientos), y esto únicamente lo tenemos mediante un cálculo no lineal,
por tanto los resultados obtenidos mediante un análisis estático lineal no son
válidos.
Desplazamientos Resultantes mediante Contornos en
Color (mm)
En la siguiente figura vemos además que los resultados de tensiones vonMises superan el límite elástico del material (SIGYLD=55 MPa) en algunos elementos cercanos a la base del tanque.
Resultados de Tensiones nodales de vonMises (MPa)
La siguiente figura muestra la franja de elementos en la base del tanque que están por encima del límite de tensión de vonMises de 50 MPa, nótese que el límite elástico del material es SIGYLD=55 MPa.
Resultados de Tensiones vonMises por debajo del
límite de tensión de 50 MPa
En resumen, el problema se complica al comprobar que los resultados de desplazamiento resultantes tienen un valor de casi cuatro veces el espesor del elemento, por tanto existe como mínimo un comportamiento No Lineal por la geometría (Large Displacements effect) y será necesario resolver el problema como NO LINEAL y comparar resultados con la solución lineal, pero ésto será objeto de una 2ª parte.
Espero que el tutorial os haya resultado útil e interesante!!.
Saludos,
Blas.
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