Hoy en día se puede encontrar la simulación de estructuras en 2 áreas principalmente, los proyectos llamados de ingeniería de consulta, conocidos por su sigla en inglés (epc) y los proyectos de desarrollo de producto






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fecha de publicación13.08.2015
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¿Cuándo usar Autodesk Inventor Professional ®
® y/o Autodesk Simulation Mechanical ® y/o Autodesk Robot Structural ®?


Jorge Lopera – Nexsys de Colombia

SM5745-V

Objetivos


  • Clasificar las simulaciones estructurales según la etapa de ingeniería en que se encuentra.

  • -Entender las restricciones de cada herramienta según la etapa de ingeniería.

  • -Simplificar una estructura para ejecutarla en las 3 herramientas.

Sobre el conferencista


Ingeniero Mecánico, experiencia en proyectos de desarrollo de producto, ingeniería de consulta e implementaciónes de estrategias de desarrollo y documentación de producto. Asesor de industria en sectores de alimentos, farmacéutico y transporte.

Usuario recurrente de AutoCAD, Inventor, Showcase, Vault Pro, Simulation Multiphysics, Robot Structural, entre otros.

Docente universitario en Ingeniería Mecánica, Ingenieria Agrícola y otras. Ha pasado por todas las etapas de los prototipos digitales y manufactura: mercadeo, desarrollo, ingeniería de detalle y fabricación.

Desde 2008 asesora a las empresas en la correcta implementación de tecnologías Autodesk en Colombia y latinoamerica.

Mechanical Enginner, with expierience at new product development projects and consultant enginner. Industry advisor for engineering process at diferent industries, food, pharmaceutical and automotive.

Daily user for different products from Autodesk: AutoCAD, Inventor, Showcase, Vault Pro, Simulation MP, Robot Structural and others.

¿Dónde se encuentra hoy en día la simulación estructural?

Hoy en día se puede encontrar la simulación de estructuras en 2 áreas principalmente, los proyectos llamados de ingeniería de consulta, conocidos por su sigla en inglés (EPC) y los proyectos de desarrollo de producto.

Proyectos de Ingeniería de Consulta (EPC)


En los proyectos de ingeniería de consulta se pueden observar dos tipos de flujo depende del punto de vista, si es desde la ingeniería, se observa:

Profundizando en cada etapa, vemos que la etapa de ventas, se puede usar Inventor Pro, Robot y Simulation, es decir cualquier herramienta, esto lo explicaré en la parte de desarrollo de producto.

En la etapa de Ingeniería conceptual, se puede usar AutoCAD Mechanical para hacer simulaciones 2D e Inventor Pro. En el siguiente diagrama se observa el flujo considerando cada herramienta a usar en su momento.

En la etapa de Ing. Básica y detalle, ya se puede trabajar con Robot y Simulation Mechanical.

INGENIERÍA CONCEPTUAL CON INVENTOR SIMULATION


    • En esta etapa no hay detalle de las estructuras.

    • Se podría obtener un cálculo aproximado de las estructuras usando Inventor.

    • No se espera modificar, sino orientación de cargas y deflexiones

    • Ejemplo : Estructura para un ciclón hecho hace 5 años en AutoCAD.



El beneficio principal de este flujo es que en una etapa conceptual, se puede obtener rápidamente una cuantificación de la cantidad de perfiles a usar.

Para desarrollar el trabajo, primero se toma información de AutoCAD, usando el conocido Ctrl+C permite copiar la geometría directamente desde AutoCAD y llevarla a un boceto de Inventor.

En Inventor, se recomienda aprovechar los ejes del plano, de esta forma una vez insertado se debe rotar, mover y ubicar un punto característico de origen del boceto en el 0,0 del boceto.

Se recomienda generar un bloque en Inventor, así no habría problema con las restricciones que se puedan desajustar.

Ya en Inventor se usan los comandos de operaciones como “Revolve” para darle forma sólida al boceto recién traido.

Así mismo se puede repetir este flujo para traer información de AutoCAD como por ejemplo la representación de la estructura de AutoCAD.

Una vez completado sus bocetos, se lleva a un conjunto (iam) para trabajarlo con el módulo de Frame generator.

En frame generator del entorno de ensamble, se usan las librerías de perfiles estándar para aplicarla a las líneas del boceto migrado de AutoCAD.

Al finalizar la ubicación, no se realiza el tratamiento final de perfiles, ya que se encuentra en la I.Conceptual.

Luego se pasa al entorno de Frame Analysis, donde se crea una nueva simulación en un análisis estático.

El módulo del frame analysis tomará la información de los perfiles, es decir, áreas, inercias y las aplicará a elementos representados como línea, de esta forma se construye un modelo llamado de elementos “beam” en el método de elementos finitos este análisis reduce considerablemente el tiempo de análisis y trabajo.

En la siguiente tabla se observa qué comandos se usan para esta estructura.

COMANDO

USO



Se usa para darle restricciones a la base de la estructura, en este caso se usa para considerar una aproximación donde se permite las rotaciones en la base.



El comando “Force” se usa para aplicar fuerzas en nodos de la estructura, los cuales están representados por esferas azules.

El comando “continuous load” permite aplicar una fuerza por unidad de longitud, se debe aplicar sobre la línea que representa el perfil.



A veces se deben unir nodos para representar la transmisión de fuerzas. Los nodos personalizados cumplen esa función.



Las barras rígidas “Rigid Links” permiten unir nodos desconectados que hayan sido creados también como personalizados.



En la figura se muestra la aplicación de los Rigid Links en los nodos superiores, ya que no se ha modelado en el análisis del frame analysis el cuerpo sólido de la maqueta.

Después de correr el análisis, el resultado mostrará deformaciones y esfuerzos orientativos según la aplicación que requiera.

Como está vinculado al Frame Generator se puede cambiar un perfil, y regresar al Frame Analysis para observar el comportamiento. En este punto el usuario puede volver al entorno de conjunto, donde con el Bill of Materials (BOM) puede cuantificar la cantidad de perfiles iniciales para una estructura requerida.


INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE (INVENTOR A ROBOT)


Una vez realizado el análisis en Frame Analysis, se puede exportar la estructura hacia Robot Structural, el cual es una herramienta más especializada para el calculo de estructuras.



El usuario tiene 2 alternativas, si tiene instalado en el mismo PC Robot, puede enviar directamente a la herramienta el análisis (direct transfer) o también puede usar el método de guardar en una ubicación y luego abrirlo en ese PC u otro (indirect transfer).

Se recomienda que al migrar, no se migre la estructura con desplazamientos de los ejes inerciales, lo que en Frame Generator permite realizar, se traduce en creación de “Rigid Links” los cuales son útiles en una ingeniería conceptual, pero no en una básica y detallada, donde ya se debe tener unión completa entre nodos.



En Robot, ya la estructura es migrada con los apoyos, las cargas y las propiedades de los perfiles. En este caso, el usuario puede explorar qué se migró, usando el menú contextual en la parte superior.



Al migrar, la estructura se encuentra en lo que se llama preproceso, y muestra lo requerido para construir el modelo, al dar clic en Nodes, por ejemplo Robot, muestra numerado los nodos, y todo lo demás lo oculta. Lo mismo en Bars, Sections&Materials, Supports y Loads

A diferencia de Inventor Professional, el usuario en Robot, puede definir más detallada las condiciones de la estructura, por ejemplo en la sección de Supports, el usuario puede definir la orientación del apoyo (Alpha, Beta, Gamma), y la rigidez del mismo (KX, KY y KZ).



También el usuario puede definir apoyos personalizados variando las distintas variables, incluso darle características del suelo para los apoyos elásticos según el suelo.



Para la definición de cargas, desde Inventor Pro viene sólo una especificación de naturaleza de carga llamada IFA (Inventor Frame Analysis), pero la idea es poder migrar esas fuerzas hacia diferentes naturalezas de carga. Con el objetivo de poder sacar provecho a las combinaciones de carga que vienen en Robot.

En la tabla de LOAD CASES, se debe asignar a cada tipo de carga, su naturaleza, como ya venían las cargas de Inventor, lo único que se debe hacer es clasificarlas en la primer columna según su naturaleza.



Una vez definidas las cargas, se pasa a configurar las combinaciones de carga según código. En la figura se muestra las combinaciones que se realizan según LFRD, ASD, ACI. En este caso se elije LRFD, con full automatic combinations. Esto lo que significa es que aplica coeficientes incrementales a las cargas muertas, vivas y viento para mayorar su efecto.



Como se observa los coeficientes aplican para lo que se llama ULS y SLS, ULS; traduce Ultimate Limite State y SLS, traduce Service Limite State.



En Robot el usuario no requiere discretizar los elementos, el programa internamente lo realiza para facilidad del uso a la hora de pasar la información a otro modelador CAD. El botón que refleja una calculadora en la parte superior es el que permite ejecutar la rutina de cálculo.

En el área de “Results” el usuario puede observar el efecto separado de las cargas, y sus combinaciones, algo que le permite aproximarse a una verificación de la estructura según códigos internacionales estructurales.



Además de las deformaciones se pueden observar los diagramas de momentos, y fuerzas que viajan por los elementos.



Como se observa esto puede ser a veces engorroso, de esta forma se puede seleccionar un perfil y llevarlo al área de “Detailed Analysis”.



Si se quiere verificar la conexión entre dos elementos, el usuario puede acceder a la zona de “Steel Design” por ejemplo para elegir si quiere verificar perfiles o conexiones. En este caso se entra a verificar conexiones. En la gráfica se observa que se encuentra en el entorno de “Connections” y al haber seleccionado dos perfiles el usuario puede crear una conexión usando el comando “New Connection for selected bars”



Al seleccionar los perfiles y ejecutar el comando “New Connection for the selected bars” se abre un cuadro de diálogo donde se observa que el programa detecta los perfiles para poder aplicar la unión, el usuario aquí determina geometría, posición de los destijeres o desahogos de las vigas e incluso el tamaño y ubicación de los tornillos a usar.





Una vez hecha la selección de los casos de carga a evaluar, se ejecuta el cálculo, el programa aquí toma los valores del análisis estructural y los aplica en los puntos de unión entre los dos perfiles, comparando las normas de conexiones para generar un reporte completo de verificación de la conexión. Este informe son las diferencias que hacen de Robot una herramienta idónea para la Ingeniería Básica y Detalle.

INGENIERÍA BÁSICA Y DE DETALLE (INVENTOR A SIMULATION MECHANICAL)


En este ejemplo se toma la información de Inventor (modelo sólido en ipt) y se lleva a Simulation Mechanical para hacer un análisis más preciso de malla y de esfuerzos.

En la figura, se muestra un modelo de ciclón hecho en formato ipt, posee una diferencia, y es que se ha usado el comando “Split” sobre la superficie externa del cuerpo para obtener una superficie que represente los apoyos del equipo.



Al migrar el modelo en la primer pestaña del Ribbon se encuentra 3D Mesh Settings, la cual permite controlar las variables del enmallado.



Se recomienda cambiar las opciones de enmallado por “Bricks and tetrahedral”,ya que desde Inventor puede venir por defecto la opción de All tetrahedrals, la cual es rápida a nivel de enmallado, pero baja en precisión.



Se genera pues una malla representativa, la cual sirve como parámetro para encontrar una malla más fina. En este caso se usa un radio de 50mm con una malla de 10mm





Una vez enmallado como se observa, se pasa a agregar las restricciones y cargas. En este caso se toman las superficies que se ha hecho la malla más fina para tomarlo como restricción fija (TxTyTzRxRyRz).





Se aplica una fuerza sobre la superficie mostrada en el sentido X negativo, se cambia el material, dando clic derecho donde dice “Material” le permite al usuario editar el material de la pieza, lo que permite elegir en una basta librería de materiales estándares.



Al finalizar la ejecución de la simulación el programa, lleva al usuario al entorno de Results, donde podrá observar dos criterios claves en este tipo de diseños, las deformaciones (Displacements) y los criterios de esfuerzos en materiales dúctiles (Von Mises y Tresca)


Desarrollo de producto


En las fases de desarrollo de producto, se observa un flujo como el siguiente:

Haciendo un simil con la sección anterior, se puede usar 2 herramientas principalmente en el desarrollo de producto en 3 diferentes procesos.

En el proceso de MERCADEO, se puede usar imágenes de simulaciones para alimentar información de paginas web y folletos, donde el cliente final pueda percibir confiabilidad al ver que hay una labor de ingeniería avanzada detrás del folleto.

En el proceso de CONCEPTO, la herramienta Inventor Professional aparece como una herramienta supremamente útil para un diseñador industrial y/o dibujante, ya que le permite orientarse a nivel de estado de deformaciones y esfuerzos, pero más que todo encontrar los puntos donde debe agregarse más material debido al comportamiento de la deformación.

En esta fase se contesta a la pregunta: ¿Cómo se comportará la deformación a la cual estará sometido la idea de producto?

En el proceso de I+D, podría trabajarse con Inventor Professional, pero hay más capacidad usando Simulation, ya que permite realizar análisis más profundos en el comportamiento del material, en esta fase, usando Autodesk Simulation Mechanical se puede contestar las siguientes preguntas: ¿Cuánto se deformará?, ¿Cuánto es el nivel de esfuerzo?, ¿Si usamos un material nuevo, qué ocurre?, ¿Si hay un impacto qué ocurre?.

En este ejemplo se mostrará cómo se realiza un análisis de impacto de una carcaza de policarbonato.





A este modelo se le agrega un plano de impacto bajo la carcaza (-300) y una velocidad inicial hacia el plano de 10mm/s, para simular su caída libre.



Al modelarlo durante 3 segundos, 60 pasos en total, se simula qué ocurre si se deja caer la carcaza.


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