La inmensa utilidad de un cálculo con ANSYS correctamente idealizado (I de IV)

El objetivo de este artículo es la de explicar la complejidad que tiene el realizar un análisis por elementos finitos (más conocido por FEM, en sus siglas en inglés) para obtener unos resultados fiables. En Ingeniería SAMAT siempre usamos ANSYS como software de referencia, pero el artículo es aplicable a cualquier programa CAE. En el […]

El objetivo de este artículo es la de explicar la complejidad que tiene el realizar un análisis por elementos finitos (más conocido por FEM, en sus siglas en inglés) para obtener unos resultados fiables. En Ingeniería SAMAT siempre usamos ANSYS como software de referencia, pero el artículo es aplicable a cualquier programa CAE. En el artículo en el que hablábamos de la dificultad de los elementos finitos, ya comentamos de forma general este importante y capital tema para los ingenieros; en esta entrada, por el contrario, entraremos en temas más técnicos con un ejemplo esclarecedor que ilustre y apoye nuestras palabras.

En principio, este tipo de cálculos suelen parecer sencillos de ejecutar ya que, los softwares de cálculo tratan de «ayudarte», de modo que podría seleccionar todas las opciones que el programa en cuestión nos ofrece por defecto, sin valorar cuál es la forma más adecuada de interpretar la realidad y trasladarla a la definición correcta de las condiciones de contorno, tipo de elemento en cada parte de la geometría o el tipo de mallado más adecuado.

Con esto, lo que se quiere hacer ver es que un cálculo en el que no se hayan realizado correctamente todos y cada uno de los siguientes pasos:

  • Definición de las condiciones de contorno.
  • Idealización y simplificación de la geometría.
  • Elección del tipo de análisis más adecuado en función e los objetivos a obtener.
  • Interpretación de los resultados.

no es de fiar. No es que obtuviéramos una mala aproximación, que sería posiblemente un mal menor si el coeficiente de seguridad es relativamente alto, sino que lo realmente sucedería es que lo simulado, y por tanto los resultados obtenidos, no se parecerán en nada a la realidad.

De este modo, podríamos encontrarnos con que una estructura falla o se deforma plásticamente, a pesar de que el resultado del cálculo obtenido era favorable con tensiones por debajo del límite elástico.

Resumiendo lo anterior, hay que indicar que, si cualquiera de los cuatro pasos indicados antes no se hacen correctamente, tendremos como resultado del cálculo FEM unos mapas de colores que nos mostrarán tensiones y deformaciones, eso es seguro: sin sentido alguno.

No hay duda de que, con los softwares existentes en el mercado, casi cualquier persona podría realizar un cálculo de este tipo. Pero me atrevo a asegurar que ese cálculo no tendrá ningún valor, es más, se puede colegir que resultará mucho más peligroso para nuestros intereses según como se haya planteado, ya que nos haría creer que el diseño es correcto cuando no lo es.

La importancia de la definición de las condiciones de contorno

Ahora centrémonos en explicar la diferencia entre realizar ese primer paso de forma correcta o incorrecta. En posteriores entradas, analizaremos los otros puntos restantes.

Para ello, nos vamos a apoyar en un cálculo reciente de un contenedor, en el que se tuvieron que calcular diferentes casos de carga. Nos vamos a centrar en un solo caso de carga, para poder apreciar la diferencia entre idealizar correctamente la estructura y elegir las condiciones de contorno forma correcta o no.

En este caso vamos a ver la diferencia entre considerar las condiciones de contorno, en este caso los apoyos, de 2 formas diferentes:

  • Fijos en x, y, z: es decir, con los 3 grados de libertad de traslación restringidos (ver figura 1).
  • Con los 4 corners unidos mediante un elemento cable a un punto central (ver figura 2).

Córners con los cuatro grados de libertad restringidos en X, Y, Z

Figura 1.

Córners unidos mediante cables a un punto con libertad de giro en X, Y, Z (rótula)

Figura 2.

Podría parecer que el modelo debiera comportarse de una forma similar en ambos casos, dada la “poca importancia” y sutileza de los cambios; pero la realidad es que su comportamiento es totalmente diferente. Sobre todo, si existen cargas descentradas, y máxime si hubiera presente un caso de carga con fuerzas horizontales, como por ejemplo, el impacto lateral del larguero de la base, recogido en la normativa DNVGL de cálculo de contenedores offshore.

La realidad nos dice que el comportamiento con los cables es mucho más fiel a lo que ocurre en la realidad que el caso con los 3 grados de libertad restringidos en los corners.

Comparativa de resultados entre ambas opciones

Córners con los cuatro grados de libertad restringidos en X, Y, Z

Córners unidos mediante cables a un punto con libertad de giro en X, Y, Z (rótula)

Como se puede ver claramente, los resultados de tensión y deformación difieren mucho en ambos casos:

HIPÓTESIS TENSIÓN DESPLAZAMIENTO EJE X
CON CABLES 482 MPa 0,6 mm
SIN CABLES 1224 MPa 20 mm

A la vista de los resultados se puede concluir que, dependiendo de como se idealice las condiciones de contorno, los resultados obtenidos de tensión y de desplazamientos son muy diferentes, siendo mucho más elevados en la hipótesis de los cables, que por otro lado es lo que mejor refleja la realidad.

Conclusión

Pensábamos que habíamos realizado un cálculo estructural por elementos finitos estupendo porque habíamos obtenido unos mapas de tensiones y flechas, pero la realidad, es que estábamos cometiendo un fallo estructural de gran importancia. ¡»Solo» por definir incorrectamente las condiciones de cómo el contenedor iba a ser elevado!

Si quieres trabajar con seguridad y te gustaría que Ingeniería SAMAT te oriente en estos temas, somos todos oídos…

¿Hablamos?

 

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