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La inmensa utilidad de un cálculo con ANSYS es una serie de 5 artículos donde queremos ofrecerte una panorámica de esta magnífica herramienta de cálculo por el método de los elementos finitos. Aquí tienes todas las entregas del Cálculo con ANSYS correctamente idealizado.
- Cálculo con ANSYS correctamente idealizado (I de V). Análisis y cálculo estructural por elementos finitos
- Cálculo con ANSYS correctamente idealizado (II de V). Idealización y simplificación de la geometría en cálculo estructural
- Cálculo con ANSYS correctamente idealizado (III de V). Análisis adecuado para cada estructura mecánica
- Cálculo con ANSYS correctamente idealizado (IV de V). Comprobación de resultados en un cálculo estructural
- Cálculo con ANSYS correctamente idealizado (V de V). Concentraciones de tensión
Análisis y cálculo estructural por elementos finitos
El objetivo de este artículo es la de explicar la complejidad que tiene el realizar un análisis y cálculo estructural 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 cálculo ANSYS
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!
Siguiente artículo, parte II del calculo estructural: La importancia de la correcta idealización y simplificación de la geometría
Si quieres trabajar con seguridad y te gustaría que Ingeniería SAMAT te oriente en estos temas, somos todos oídos… Y si quires descargarte una versión estudiantil de prueba del ansys software, puedes hacerlo en este enlace.
Buenas tardes,
En primer lugar felicitaros por los artículos del blog y los casos de éxito de la empresa.
Respecto al blog, no entiendo por qué se comparan las tensiones y desplazamientos del modelo con y sin cables, ya que a mi juicio estamos comparando modelos geométricos. En uno de los casos estáis haciendo pasar toda la carga que se aplica al contenedor por 4 sirgas de área reducida, por lo que es normal que sean estas las zonas de mayor solicitud. Por lo que veo en las imágenes, la mayores tensiones se dan en los cables. Y en la flecha de -20mm vs -0.6mm, tenemos un desplazamiento totalmente distinto en los dos modelos, lo que es normal ya que en un modelo no existen cables, y en el otro el desplazamiento ocurre mayoritariamente en las sirgas por la elongación de las mismas. Además, los resultados de la tabla resumen están al revés, ya que no se corresponden con los de las imágenes (rdos con cable vs sin cable).
En cualquier caso muy buen resumen tanto en este como en el resto de entradas de «la inmensa utilidad de un cálculo con Ansys correctamente idealizado».
Un saludo,
El comentario anterior es para dialogar con vosotros, no es para publicarlo si no lo veis necesario