Ansys en una Cáscara de Nuez: Análisis Acoplados Secuencialmente

En esta entrega hablaremos de analisis acoplados. Tendremos un análisis acoplado cuando los datos de entrada de un análisis dependan de los resultados de otro.

Como ejemplo hemos elegido un problema térmico acoplado con un problema estructural. Para resolverlo usaremos los "Physics Enviroments" de Ansys.

Es conveniente echar un vistazo a Ansys en una Cáscara de Nuez: Gradiente Térmico Usando "Body Loads" y a Ansys en una Cáscara de Nuez: Gradiente Térmico usando "Thermal Elements" antes de leer este tutorial.

Planteamiento del análisis acoplado

1) Definimos el problema térmico.
2) Escribimos el archivo térmico.
3) Reseteamos las CC y las opciones.
4) Definimos el problema estructural.
5) Escribimos el archivo estructural.
6) Leemos el archivo térmico.
7) Resolvemos y posprocesamos el problema térmico.
8 ) Leemos el archivo estructural.
9) Leemos el campo de temperaturas resultado del análisis térmico.
10) Resolvemos y posprocesamos el problema estructural.

Datos del problema

Material: Acero.
Dimensiones: 10x10 m^2.
Empotramiento en uno de sus lados.
Conductividad: 2.2 W/m·K.
Espesor de la placa: 60 cm.
Temperaturas impuestas en las caras: 125ºC y 25ºC.
Modulo de Young: 30 e6 Pa
Módulo de Poison: 0.3

Comandos APDL

FINISH
~CFCLEAR,,1
! --------------------------------------
/TITLE, Coupled Thermal-Stress and Physics Evironments
/prep7
! --------------------------------------
! Geometría
! --------------------------------------
k,1,0,0,0
k,2,10,0,0
k,3,10,10,0
k,4,0,10,0
l,1,2
l,2,3
l,3,4
l,4,1
al,1,2,3,4
! --------------------------------------
! Material: Propidades térmicas
! --------------------------------------
mp,kxx,1,2.2 !material 1, conductividad del acero
! --------------------------------------
! Elemento placa térmico
! --------------------------------------
ET,1,shell131,0,0,0,1 ! keyop 4-> nº de capas
! --------------------------------------
! Sección
! --------------------------------------
sectype,1,shell
secdata,0.6,1,0 ! espesor, material y ángulo de orientación
! --------------------------------------
! Mallado
! --------------------------------------
type,1
secnum,1
esize,5
amesh,1
! --------------------------------------
! Condiciones de contorno térmicas
! --------------------------------------
da,all,Tbot,25
da,all,ttop,125
! --------------------------------------
! Physics Environment
! --------------------------------------
physics,write,thermal ! Escribe el archivo térmico
physics,clear         ! Elimina CC y opciones
! --------------------------------------
! Elemento placa estructural
! --------------------------------------
et,1,shell181
! --------------------------------------
! Sección
! --------------------------------------
sectype,1,shell
secdata,0.6,1,0 ! espesor, material y ángulo de orientación
! --------------------------------------
! Material
! --------------------------------------
mp,ex,1,30e6
mp,alpx,1,0.65e-5 ! Secant coefficients of thermal expansion
mp,nuxy,1,0.3
! --------------------------------------
! Empotramiento
! --------------------------------------
dl,4,,all,0
! --------------------------------------
! Temperatura de referencia
! --------------------------------------
tref,25
! --------------------------------------
! Physics Environment
! --------------------------------------
physics,write,struct ! Escribe el archivo estructural
! --------------------------------------
finish
/solu
! --------------------------------------
! Physics Environment
! --------------------------------------
physics,read,thermal
! --------------------------------------
solve
finish
/post1
! --------------------------------------
! Visualizamos resultados térmicos
! --------------------------------------
plnsol,ttop ! Graficamos la temperatura de la cara superior
plnsol,tbot ! Graficamos la temperatura de la cara inferior
! Damos volumen y representamos el gradiente
/ESHAPE,1
/GRAPHICS,POWER
PLNSOL,TEMP
! --------------------------------------
finish
/solu
! --------------------------------------
! Physics Environment
! --------------------------------------
physics,read,struct      ! lee el archivo estructural
ldread,temp,,,,,,rth     ! lee las temperaturas del análisis térmico
! --------------------------------------
solve
finish
/post1
! --------------------------------------
! Visualizamos resultados estructurales
! --------------------------------------
! Damos volumen                                                   
/ESHAPE,1
plnsol,s,eqv         ! Grafica tensiones
pldisp,2             ! Deformada y posición original

Resultados
Distribución de temperaturas en la placa:

Distribución de tensiones equivalentes de Von Mises:

Deformada de la placa:

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Gradiente Térmico Usando "Thermal Elements"

En esta entrada explicaremos cómo imponer un gradiente térmico usando “thermal elements” y hallaremos la distribución de temperaturas.

Si habéis leído Ansys en una Cáscara de Nuez: Gradiente Térmico Usando “Body Loads”, posiblemente no le veáis mucho sentido a ver un método alternativo que tiene la desventaja de no permitir ver la respuesta estructural de la estructura directamente. Evidentemente si existen los elementos térmicos es porque ofrecen mucho más de lo que podemos conseguir a través de “body loads”. Los elementos térmicos permiten imponer condiciones conductivas, convectivas y radiantes (tanto en régimen estacionario como transitorio). Además podemos acoplar todos esos efectos térmicos a problemas estructurales (ver Ansys en una Cáscara de Nuez: Análisis Acoplados Secuencialmente).

Datos del problema
Material: Acero.
Conductividad: 2.2 W/m·K.
Espesor: 60 cm.
Dimensiones: 10×10 m^2.
Temperaturas impuestas en las caras: 125ºC y 25ºC.
Comandos APDL

FINISH
~CFCLEAR,,1
!-----------------------------------
! Title
/TITLE, Gradiente Termico Usando "Thermal Elements"
/prep7
! --------------------------------------
! Geometría
! --------------------------------------
k,1,0,0,0
k,2,10,0,0
k,3,10,10,0
k,4,0,10,0
a,1,2,3,4
! --------------------------------------
! Material
mp,kxx,1,2.2 ! Conductividad del acero
! --------------------------------------
! Elemento 
! --------------------------------------
ET,1,shell131,0,0,0,1 ! keyop 4-> nº de capas
! --------------------------------------
! Sección
! --------------------------------------
sectype,1,shell
secdata,0.6,1,0 ! espesor, material y ángulo de orientación
! --------------------------------------
!Mallado
! --------------------------------------
type,1
secnum,1
esize,5
amesh,1
! --------------------------------------
! Condiciones de Contorno
! --------------------------------------
da,all,Tbot,25
da,all,ttop,125
/solu
solve
finish
/post1
! --------------------------------------
! Visualización de resultados
! Graficamos la temperatura de la cara superior
plnsol,ttop
! Graficamos la temperatura de la cara inferior
plnsol,tbot
! Damos volumen y representamos el gradiente
/ESHAPE,1
/GRAPHICS,POWER
PLNSOL,TEMP
! --------------------------------------

Resultados
Distribución de temperaturas en la placa:

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Gradiente Térmico Usando "Body Loads"

En este tutorial veremos la forma más sencilla (usando “body loads”) de imponer como condición de contorno un gradiente térmico en una placa para ver su respuesta estructural.

Usamos Ansys + CivilFEM. Este último no es necesario para aplicar el gradiente.

Determinamos la deformada, la distribución de temperaturas y las tensiones equivalentes de Von Mises.

Datos del problema

Espesor: 60 cm.
Dimensiones: 5 x5 m^2
Hormigón: C25/30
Armado: S500
Un lado empotrado.
Temperaturas impuestas en las caras: 125ºC y 25ºC.

Comandos APDL

FINISH
~CFCLEAR,,1
! --------------------------------------
/TITLE, Gradiente termico en una placa
! --------------------------------------
! Unidades y normas
! --------------------------------------
~UNITS,SI
! --------------------------------------
! Parámetros
recub = 0.03 ! Recubrimiento
e1=  0.6     ! Espesor de la placa
! --------------------------------------
/prep7
! --------------------------------------
! Materiales
~CFMP,1,LIB,CONCRETE,EC2,C25/30,0,0,0 ! Mat 1: Hormigón C25/30
~CFMP,2,LIB,REINF,EC2,S500,0,0,0      ! Mat 2: Acero para armado
! --------------------------------------
! Secciones y propiedades reales
! --------------------------------------
!Definimos vértices de placa de hormigón armado
~shlrnf,1,e1,1,2,recub ! Vértice 1
! Propiedades de placas de hormigón
~BMSHPRO,1,SHELL,1,1,1,1,63,,,,Placa de hormigon
! --------------------------------------
! Tipos de elementos
! --------------------------------------
ET,1,shell63
! --------------------------------------
! Geometría
! --------------------------------------
k,1,0,0,0
k,2,5,0,0
k,3,5,5,0
k,4,0,5,0
l,1,2
l,2,3
l,3,4
l,4,1
al,1,2,3,4
! --------------------------------------
! Mallado
! --------------------------------------
mshkey,1  ! Mallado mapeado
esize,10  !tamaño de elemento
type,1 $ mat,1 $ real,1
amesh,all
! --------------------------------------
! Visualización
! --------------------------------------
/eshape,1 $ eplot ! muestra los elementos con su verdadera forma
/eshape,0 $ eplot ! Vuelve a la representación esquemática
! --------------------------------------
! Condiciones de contorno y carga térmica
! --------------------------------------
! Empotramiento
dl,4,,all,0
! Carga térmica - Gradiente de 100ºC
bfe,all,temp,1,25,25,25,25
bfe,all,temp,5,125,125,125,125
! --------------------------------------
/solu
solve
finish
/post1
! Define el data set de ANSYS y la alternativa de CivilFEM
! a ser leída del fichero de resultados de ANSYS y CivilFEM
~cfset,,1
! --------------------------------------
! Distribución de temperaturas
! --------------------------------------
/eshape,1
PLESOL, BFE,TEMP, 0,1.0  ! Sin modelo original
! PLESOL, BFE,TEMP, 1,1.0  ! Con modelo original
! --------------------------------------
! Deformada
! --------------------------------------
/eshape,1
pldisp,1 ! Con modelo original
! --------------------------------------
! Distribución de tensiones Von Mises
! --------------------------------------
! PLESOL, S,EQV, 1,1.0 ! Con modelo original
PLESOL, S,EQV, 0,1.0 ! Sin modelo original
! -------------------------------------- 

Resultados
Distribución de temperaturas en la placa debidas al gradiente:

Deformada debida a la carga térmica:

Los planos de la placa sometidos a más temperatura dilatan más que los más fríos.

Distribución de tensiones equivalentes de Von Mises:

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Peso Propio

Hallaremos el diagrama de axiles y el alargamiento de una barra vertical empotrada sometida al efecto de su propio peso.

Datos del problema
Sección: IPE 80.
Material: Acero EA A37.
Longitud: 3 m.
Aceleración de la gravedad: 9.81 m/s^2.

Comandos APDL


! Comenzamos de cero
FINISH
~CFCLEAR,,1

/title, Peso Propio

! Setup CivilFEM: Unidades
~units,SI ! Sistema internacional

/prep7
! Preprocesador CivilFEM
! ----------------------------------------------------------------------
! Material
~cfmp,1,lib,steel,EA,A37
! Listado de propiedades del material que hemos definido
~cfmplst,1,1,1,1,1,1,0,1,0
! Tipo de elemento
et,1,beam3
! Sección
~sseclib,1,1,01,1, IPE 80
~bmshpro,1,beam,1,1,,,3,,0
! Preprocesador Ansys
!-----------------------------------------------------------------------
! Geometría
k,1,0,0,0
k,2,0,-3,0
l,1,2
! Tamaño de elemento
lesize,all,0.5
! Mallamos
lmesh,all
/solu
! Peso Propio
acel,,9.81 !Gravedad
! Solución Ansys
! ----------------------------------------------------------------------
! CC
d,1,all ! empotramiento
! Resolver
solve
/post1
! Posprocesador CivilFEM
! ----------------------------------------------------------------------
! Leemos los resultados
~cfset,,1,1
! Axil
~pllsfor,f,x
! Listado de axiles
~prfor, both,fx
! Comando Ansys para graficar la barra deformada y sin deformar.
pldisp,2
 
Resultados
 
Diagrama de Axiles

Listado de fuerzas

Alargamiento de la barra

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Viga en Voladizo

Hallaremos el diagrama de momentos flectores, el de cortantes y la flecha máxima de una viga en voladizo sometida a una carga en punta.

A diferencia del tutorial anterior en el que resolvimos la viga biapoyada usando exculsivamente Ansys, en esta ocasión usaremos también la extensión de Ansys para ingeniería civil: CivilFEM.

Datos del problema

Sección: IPE 80.
Material: Acero EA A37.
Longitud: 3 m.
Carga puntual: 1000 N.

Comandos APDL

! Comenzamos de cero
FINISH
~CFCLEAR,,1

/title, Viga en Voladizo

! Setup CivilFEM: Unidades
~units,SI ! Sistema internacional

/prep7
! Preprocesador CivilFEM
! ----------------------------------------------------------------------
! Material
~cfmp,1,lib,steel,EA,A37
! Listado de propiedades del material que hemos definido
~cfmplst,1,1,1,1,1,1,0,1,0
! Tipo de elemento
et,1,beam3
! Sección
~sseclib,1,1,01,1, IPE 80
~bmshpro,1,beam,1,1,,,3,,0
! Preprocesador Ansys
!-----------------------------------------------------------------------
! Geometría
k,1,0,0,0
k,2,3,0,0
l,1,2
! Tamaño de elemento
lesize,all,0.5
! Mallamos
lmesh,all
/solu
! Solución Ansys
! ----------------------------------------------------------------------
! CC
d,1,all ! empotramiento
! Carga puntual
FK,2,FY,-1000
! Resolver
solve
/post1
! Posprocesador CivilFEM
! ----------------------------------------------------------------------
! Leemos los resultados
~cfset,,1,1
! Momento flector
! El último parámetro es un factor de escala. Cuando es negativo
! impplica que los valores positivos se dibujen en la parte inferior
! de la barra.
~pllsfor,m,z,-3
! Cortante
~pllsfor,f,y,-1
! Lista de fuerzas y momentos
~prfor, both,fy,mz
! Comando Ansys para graficar la viga deformada y sin deformar.
pldisp,2
Resultados

Diagrama de momentos flectores.

Diagrama de cortantes.

Listado de fuerzas y momentos.

Viga deformada y flecha máxima.

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Barra biapoyada sometida a una distribución de cargas constante

Hallaremos el diagrama de momentos flectores y la flecha máxima de una viga biapoyada sometida a una distribución de cargas constante.

Datos del problema

Sección rectangular de 10 x 20 cm.
Longitud del vano: 3 m.
Carga distribuida: 10 N/m.
Modulo de Young: 2 e10 Pa
Módulo de Poison: 0.3

Secuencia de comandos APDL

/title, Barra biapoyada sometida a una distribución de cargas constante
/prep7 ! Preprocesador
!Geometría
k,1,0,0,0 ! Punto clave
k,2,3,0,0
l,1,2 !Línea
! Elemento
et,1,beam3
keyopt,1,9,0 ! La opción 9 nos permite especificar el número de puntos intermedios
r,1,0.02,6.667e-5,0.2 ! Para elemento 1: área, inercia y canto
!Material
mp,ex,1,2e10
mp,prxy,1,0.3
!mallado
lesize,all,0.05 !tamaño de elementos
lmesh,all
finish
/solu ! solution processor
antype,0 !análisis estático
lplot !Dibujamos la líneas
d,1,ux,0 ! Restricción Apoyo
d,1,uy,0
d,2,uy,0
sfbeam,all,1,pres,10 ! 10 N/m sobre la barra
finish
/solu
solve
FINISH
save ! Salvamos en la BD
/post1 !Post procesador
/wind, all, off ! Definimos una nueva configuración de ventanas
/wind,1,top
/wind,2,bot
gplot
/gcmd,1,pldisp,2 ! Graficamos en la ventana uno la barra deformada y sin deformar
!Momentos flectores
! Creamos dos tablas intermedias antes de poder graficar los flectores.
! Almacenaremos por un lado los momentos en los nodos i de los elementos
! y por otro lado los momentos en los nodos j.
! El primer parámetro tiene un nombre intuitivo que hemos elegido nosotros.
! El segundo y el tercero habremos de consultarlos en la ayuda de Ansys
! del elemento (teniendo en cuenta el KEYOPT escogido).
etable,momentozi,smisc,6
etable,momentozj,smisc,12
/gcmd,2,plls,momentozi,momentozj ! Graficamos en la ventana dos los momentos flectores
gplot

Ventana de resultados de Ansys

Verificación de resultados

Usando un prontuario de resistencia de materiales, verificamos el resultado:
- Flecha máxima: ymax = 5· q·L^4 / (384·E·I) = 7,91 e-6 m
- Flector máximo: Mmax = q · L^2 /8 = 11,25 N·m

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Tensión plana

Analizaremos los esfuerzos que sufre una chapa empotrada sometida a una carga distribuida en el otro extremo (ver figura).

Datos del problema:

Ancho: 0.2 m
Alto: 0.4 m
Espesor: 0.05 m
Modulo de Young: 2 e10 Pa
Módulo de Poison: 0.3
Carga=50 N

Secuencia de comandos:

/title, Tensión Plana
/prep7 ! Preprocesador
! Geometría
k,1,-0.100,0.200,0 ! Punto Clave
k,2,0.1,0.2,0
k,3,0.1,-0.2,0
k,4,-0.1,-0.2,0l,1,2 ! Línea
l,2,3
l,3,4
l,4,1
nummrg,kp ! Fusionamos los puntos clave
al,all ! Creamos el área
aplot ! Dibujamos el rectágulo que acabamos de crear
!
!Elemento
ET,1,PLANE42
KEYOPT,1,3,3 ! Opción del elemento: trabajaremos en tensión plana y tendrá espesor
R,1,0.05 ! Espesor
!Material
MP,EX,1,2e10
MP,PRXY,1,0.3
! Mallado
AESIZE,ALL,0.01 ! Tamaño de los elementos
AMESH,ALL
finish
/solu ! Solution Processor
antype,0 ! Análisis estático
lplot ! Dibujamos líneas
/pnum,line,1 ! Numeramos la líneas
/REPLOT
DL,1, ,ALL,0 ! Imponemos condición de empotramiento
SFL,3,PRES,-5000 ! Carga distribuida
solve ! Ansys, haz tu magia y resuelve
finish
/POST1 ! Posprocesador
PLNSOL,S,EQV ! Grafica las tensiones.
finish

En la figura podemos ver las tensiones que grafica Ansys:


 

Conclusión:

Nada sorprendete trantándose de un ejemplo tan sencillo. Pero sí hay algo interesante que podemos observar si ampliamos (pinchando encima de la imagen): se puede observar perfectamente el efecto de los concentradores de esfuerzo que hay en los extremos del empotramiento.

Índice

Ansys en una Cáscara de Nuez: Introducción e Índice

Este es el primer post de lo que espero sea una serie sobre el Cálculo por el Método de los Elementos Finitos con ANSYS y CivilFEM.

En cada post, con un sencillo ejemplo trataré de ilustrar conceptos, comandos o "trucos" que ayuden al principiante a familiarizarse con el programa.

Aunque pueda parecer poco intuitivo, me apoyaré más en los comandos de APDL que en la interfaz gráfica. Así el control sobre lo que está haciendo Ansys en cada momento es mayor.

Índice:
1) Tensión Plana
2) Barra biapoyada sometida a una distribución de cargas constante
3) Viga en Voladizo
4) Peso Propio
5) Gradiente Térmico Usando "Body Loads"
6) Gradiente Térmico Usando "Thermal Elements"
7) Análisis Acoplados Secuencialmente

Encuesta sobre editores de código APDL

APDL (ANSYS Parametric Design Language) es un lenguage de script que nos permite definir totalmente nuestras simulaciones en ANSYS y CivilFEM desde comandos de texto. Su sintaxis incluye los tradicionales bucles de control de cualquier lenguaje de programación. En cuanto nos enfrentamos a un problema mínimamente complejo las ventajas de APDL sobre la interfaz gráfica se hacen más que evidentes.

Es conveniente que el editor de texto que elijamos soporte específicamente APDL para que resalte en colores  nuestro código. Esto nos facilitará mucho su escritura y depuración. Los editores de los lenguajes de programación más populares brindan todo tipo ayudas a la programación (autocompletado, depurador, ayuda integrada, etc.).

He hecho una pequeña encuesta sobre los editores APDL preferidos por los usuarios en un par de grupos sobre elementos finitos de Linkedin y los resultados son los siguientes (actualización 26/05/2011):

• Notepad++ (3 votos).
• PSPad (4 votos).
• TextPad (3 votos).
• ConTEXT (2 votos, incluido el mío).
• UltraEdit (2 votos).
• jEdit (1 voto).
• Komodo Edit (1 voto).
• PeDAL (3 votos).
• Vim (1 voto).

Actualización (26/05/2011):

He probado los dos que más me han llamado la atención: PSPad y Komodo. Sobre los programas no puedo decir mucho, ya que no los he probado en profundidad; pero el resaltado de colores no me ha gustado.