creaci on de un modelo cae en...

Creacion de un modelo CAE en Abaqus

Mecanica del Solido Deformable: Practica 2Profesores: Ignacio Romero y Jesus Felez

Curso 2016-2017

1 INTRODUCCION 1

1. Introduccion

En esta practica vamos a aprender a construir piezas en 3D con AbaqusCAE. Abaqus es un programa de analisis por Elementos Finitos, que formaparte de Simulia, la lınea de productos de simulacion que desarrolla DassaultSysteme.

El programa permite importar piezas creadas en otros programas CAD, comoCATIA1 o SolidEdge, sin embargo nosotros aprovecharemos las herramientas deCAD que ofrece el propio Abaqus.

El tiempo estimado de realizacion de esta primera practica es de menos deuna hora, y se deberıa generar al final una pieza como la que aparece en laportada.

1.1. Enunciado de la practica

La empresa Carlsson esta especializada en la fabricacion de llantas de au-tomovil. Debido a la gran crisis que azota al sector automovilıstico en Espana,los ingenieros de diseno estan viendose obligados a exprimir su ingenio parareducir costes en el proceso de fabricacion.

Una de las lıneas por las que apuestan se basa en la reduccion de los espesoresde alguno de sus modelos “estrella”, ahorrando ası material pero manteniendoel diseno que les ha hecho lıderes de su sector. Sin embargo, las llantas no sonunicamente ornamentales, y deben pasar una serie de pruebas de carga antes depoder salir al mercado.

Por ello, los ingenieros de la empresa quieren realizar un primer analisismediante elementos finitos de su llanta modelo Evo 225/40/18, que les permitahacerse una idea de la viabilidad de su proyecto antes de pasar a la fase dediseno experimental, que resulta realmente costosa.

En esta practica, vamos a detallar los pasos que debes seguir para disenar ymallar la llanta en Abaqus.

2. Primeros pasos con Abaqus

Para disenar un modelo de elementos finitos en Abaqus, lo primero que sedebe hacer es crear una “Parte”. Una parte es simplemente un ente geometrico.A veces querremos analizar solamente una pieza, es decir una parte, o disenarun cuerpo con varias piezas, por ejemplo conjunto neumatico con amortiguador.En este ultimo caso, dibujarıamos las distintas piezas por separado y despuesrealizarıamos un ensamblado.

Tras disenar una parte, se debe mallar la pieza (comando Mesh). Los siguien-tes pasos que deberıamos seguir antes de lanzar nuestro analisis los veremos enla proxima practica.

2.1. Diseno de una llanta en Abaqus

Ejecutamos el programa Abaqus CAE (si realizamos el acceso directo nossera mas comodo para acceder y abrir el programa rapidamente), y cerra-mos la pestana Start Session.

1Al igual que Abaqus, CATIA es desarrollado por Daussault Systeme.

2 PRIMEROS PASOS CON ABAQUS 2

A la izquierda nos aparece un arbol desplegable con las distintas opcionesque tenemos. Hacemos doble click en Models→Model-1→Parts.

Damos un nombre cualquiera a la parte, por ejemplo “Mi llanta”. Lamodelizaremos en 3D, modelo Deformable, Solid, y de Revolucion. Damosuna dimension aproximada de 1000.

A continuacion se nos muestra una cuadrıcula sobre la que disenaremosel perfil que queremos revolucionar. El eje verde es el eje de revolucion,ası que todo lo que disenemos intentaremos que quede al lado derechodel mismo, de forma que al “revolucionar” la pieza no se interseque a sımisma. En la figura ?? podemos ver el aspecto final del boceto.

Pinchamos en la opcion Create Lines: Rectangle. Con el teclado escribimoslas coordenadas de la primera esquina: (0, -112.5), y Enter. Tras estotecleamos la esquina opuesta: (228.6, 112.5). Enter. Nota: Hay que tenermucha atencion con la escritura de los decimales (siendo ((.))) y la escriturade coordenadas en ejes (siendo ((,))).

Realizamos otro rectangulo desde los puntos (0,0) al (30,-60). Enter. Trasesto, elegimos el comando delete y seleccionamos el lado derecho del rectangu-lo que acabamos de crear. Tras seleccionarlo (aparecera en rojo), apreta-mos la tecla Enter para confirmar la operacion.

A continuacion vamos a definir una serie de puntos que nos permitirancompletar el perfil de la rueda. Elegimos en la barra de herramientas laopcion Create isolated point, y tecleamos los siguientes puntos:

Punto no Coordenadas Punto no Coordenadas1 (35, -10.87) 10 (227, -110)2 (58.85, -10.87) 11 (230, -110)3 (80, -37.57) 12 (230, -112.5)4 (120, -55) 13 (218.6, -112.5)5 (218.6, -65.17) 14 (218.6, -111.8)6 (218.6, 112.5) 15 (120, -95)7 (230, 112.5) 16 (60, -65)8 (230, 110) 17 (52.66, -40)9 (227, 110) 18 (35, -40)

Una vez definidos estos puntos, vamos a conectar los siguientes puntos conel comando Create Lines: Connected. Unimos en primer lugar los puntos1 y 2 2. A continuacion creamos otra polilınea uniendo los puntos 5,6...hasta el 14 3. Finalmente uniremos los puntos 16, 17 y 18 entre sı con otrapolilınea.

2Para detener momentaneamente el comando y cambiar de punto podemos presionar latecla ((esc)).

3Para ir uniendo los puntos se puede realizar de dos modos: grafico (senalando puntos enla pantalla, para lo cual en algunos puntos deberemos hacer zoom) o manualmente (indicandolas coordenadas de los puntos a unir en la casilla inferior de la pantalla)


Ahora trazaremos dos lıneas curvas para definir los futuros radios de lallanta. Para ello pinchamos en el comando Create Spline: Thru Points. Acontinuacion creamos un spline entre los puntos 2, 3, 4 y 5. Para finalizarcon este spline es necesario presionar el boton Done que aparece en laparte inferior de la pantalla. Creamos un segundo spline entre los puntos14, 15 y 16.

Para terminar con el sketch, solo faltan dos cosas: en primer lugar unirlos puntos 1 y 18 con las esquinas mas cercanas al rectangulo pequenoque habıamos creado previamente. De este modo, terminamos de cerrar laseccion. En segundo lugar, borramos el rectangulo grande que hicimos alcomienzo para darnos una idea de las dimensiones de la pieza. Para ello,comando delete y borramos las cuatro lıneas.

Si al borrar el lado izquierdo borrasemos sin querer el eje verde, no pasanada: elegimos el comando Set as Construction y pinchamos en el ladoizquierdo del rectangulo pequeno. Pinchamos en Done para confirmar laoperacion. Acto seguido creamos de nuevo una lınea que una los puntos (0,0) y (0, -60), ya que la que existe en esa misma posicion pasa a considerarsecomo un eje, y por tanto la seccion nos ha quedado abierta.

Tras esto, volvemos a pinchar en Done, para indicar que hemos terminadocon el Sketch de la seccion. En la ventana flotante que aparece, estable-ceremos el angulo que queremos revolucionar la pieza. En nuestro caso,360◦.

Figura 1: Sketch inicial de la llanta. Una vez terminado el boceto lo revolucio-namos 360◦

Una vez ha sido creada la pieza tridimensional,figura ??, nos hace faltarealizar ciertos “vaciados” que van a dar a la pieza el aspecto final. Para ello,rotamos la llanta hasta ver bien su cara exterior.


Figura 2: Aspecto de la llanta sin vaciar

A continuacion, vamos al arbol desplegable de la izquierda, hacemos clicksobre “Mi llanta”, y en el modulo de herramientas, pincharemos sobre el iconode Create Cut: Extrude. Se nos pide elegir el plano sobre el que realizaremosel boceto que vamos a extruir. Elegiremos un plano perpendicular al eje dela llanta, en concreto el que queda definido por el reborde circular exterior 4

??. Tras pinchar y comprobar que queda la corona circular coloreada en rojo,pincharemos en la unica lınea radial que aparece en la cara exterior de la llantacomo Edge or axis that will appear vertical and on the right.

Figura 3: Seleccionar el anillo exterior.

4Es muy importante seleccionarlo adecuadamente.


Tras esto, volvemos a aparecer en el modulo de realizacion de bocetos. Enla figura ?? vemos el aspecto con el que se queda. Para ello, vamos a seguir lossiguientes pasos:

Figura 4: Vista del plano sobre el que crearemos las extrusiones.

Creamos los siguientes puntos: 1:(0, -51.04), 2:(-130.96, -231.29), 3:(130.96,-231.29). A continuacion generamos dos lıneas, conectando el punto 1 conel 2, y el 1 con el 3.

Seleccionamos ahora la herramienta Create Arc: Center and 2 Endpoints.Elegimos el punto (0, 0) como centro, y los otros dos puntos seran el(-208.65, -65.21) y el (208.65, -65.21). El arco definido debe tener menosde 180 grados, como se puede apreciar en la Figura ??. Si al introducirlos puntos vemos que esto ocurre, podemos guiar con el raton la direcciondel arco (sin pinchar), antes de introducir el ultimo punto.

Ahora vamos a emplear la herramienta Create Fillet: Between 2 curvespara cerrar el espacio definido por las dos rectas y el arco. El radio deacuerdo para el angulo definido entre las dos rectas sera 40◦, y el acuerdoentre el arco y cada una de las dos lıneas sera de 20◦. Si tuvieramosproblemas para seleccionar el arco, bastarıa con borrar la circunferenciaverde interior (del anillo exterior, en el que estamos trabajando) con elcomando borrar. Figura ??.

A continuacion realizamos el taladro pasante donde se alojara el tornillodel eje de la rueda. Seleccionamos la seccion Circle: Center and Perimeter ;el centro sera el punto (0, -43.5), y un punto del perımetro sera el (0 ,-51).


Figura 5: Vista de la figuras con las que se van a extruir la llanta.

Para terminar, vamos a replicar 5 veces este boceto de forma radial, yaque ası no tendremos que repetir la operacion de vaciado para cada uno delos huecos que queremos realizar. Mantenemos pinchado el raton en la he-rramienta Linear pattern, hasta que aparezca un menu desplegable. Elegi-remos entonces la opcion Radial Pattern. Escogeremos el boceto completo(manteniendo la tecla ’Shift’ presionada podemos seleccionar aditivamen-te), incluyendo el taladro, y pincharemos en Done. Queremos distribuir5 veces el boceto por el cırculo, y como esa opcion esta preseleccionada,no queda mas que darle a OK. Luego haremos click en la casilla ((Done))debajo de la pantalla.

A continuacion aparecera una ventana flotante, sobre la que aceptaremoslas opciones preseleccionadas de la extrusion. Para ello pincharemos enOk

Una vez realizada la extrusion, ya tenemos completada la caracterizaciongeometrica de la llanta. Hasta ahora, todo el trabajo realizado ha sido puramentede diseno, como podrıamos haber hecho con programas del tipo Autocad, Catia,SolidEdge... Por ultimo en el dıa de hoy, vamos a enfrentarnos al mallado denuestro modelo, donde la geometrıa pasa a un segundo plano (podrıamos pensarque esta primera parte nos la proporciona el disenador de nuestro equipo) ycomenzamos a pensar en el analisis con elementos finitos. Para ello haremos losiguiente:

En el arbol general de a izquierda, vamos a Models→Model-1→Parts →Millanta, y hacemos doble click en Mesh. Esto produce que entremos en elmodulo de mallado, cambiando la barra de herramientas anterior (Extru-sion, Revolucion...) por otras del tipo Seed Part, Mesh Part...

Hacemos click en Seed Part. Aparece una ventana flotante con opcionespor defecto. Seran esas las que usemos, ası que hacemos click en OK.A continuacion pinchamos en la base de la pantalla, en Done. Con esto,


hemos generado unos puntos imaginarios desde los que el algoritmo demallado intentara mallar la pieza. A continuacion, pinchamos en AssignMesh Controls. Tiene asignado por defecto intentar mallar la pieza conhexaedros (Hex ). Dada la geometrıa de la llanta, esto es muy difıcil deconseguir, por lo que cambiamos esa opcion a (Tet). Esto hace que mallela pieza con tetraedros irregulares, que pueden adaptarse a cualquier tipode geometrıa (sacrificando precision). Pinchamos en OK.

Por ultimo empleamos la herramienta Mesh Part. En la base de la pantallaaceptamos que malle pinchando en Yes.

Con esto ha quedado mallado nuestro modelo simplificado de la llanta, Fi-gura ??. En el cuadro de notificaciones que aparece en la parte inferior de lapantalla se indican las ultimas ordenes ejecutadas. En este caso, podemos leerahı el numero de elementos que han sido creados tras ejecutar el mallado.

Figura 6: Vista de la llanta mallada con tetaedros irregulares.

Para poder realizar un analisis de deformaciones y tensiones, nos faltarıapor incluir informacion del material que forma nuestra llanta, asignarle unascargas y unas condiciones de contorno. Todo esto lo veremos en las practicasposteriores.

3 INFORME DE LA PRACTICA 8

3. Informe de la practica

Al acabar la practica deberas entregar un informe respondiendo a las pre-guntas que se formulan a continuacion

3.1. Variaciones de la llanta

Repite el modelo disenando tu mismo una llanta. Si tu numero de matrıculaes par, disena una llanta de 4 radios. Si tu numero es impar, una de tres radios.Explica el vaciado que has tenido que hacer e incluye una grafica con el malladofinal.

3.2. Simplificaciones del modelo

Imaginemos que se nos piden dos tipos de analisis en la llanta de una de lasruedas no motrices: En primer lugar, cuando el coche se encuentra totalmentedetenido, y en segundo lugar, cuando el coche avanza a velocidad constante.Estos dos casos, de manera muy simplificada, pueden estudiarse con el estadode cargas que aparece en la figura ??.

N

N

N

N

F

F

Figura 7: Fuerzas exteriores sobre la llanta en el caso de estar el coche detenido(izquierda) y desplazandose con velocidad constante (derecha).

Lamentablemente, el mallado de la llanta ha resultado bastante costoso, yaque el numero de elementos resultante es del orden de 7000. Dado que estosupone un alto coste computacional, y que en nuestra version de estudiantes deAbaqus estamos limitados a 1000, ¿se te ocurre alguna forma de simplificar elestudio? ¿Hay alguna simetrıa que puedas adoptar para no tener que estudiar lallanta competa? ¿Son validas esas simplificaciones para los dos casos de carga?

3.3. Cuestion de escalas

Un fabricante de coches en miniatura (para coleccionistas) se ha puesto encontacto con tu empresa. Quiere comprar los disenos CAD de vuestras llantaspara poder fabricar miniaturas mas realistas de forma automatizada. En tuopinion, ¿crees que tiene sentido su propuesta? ¿Que modificaciones tendrıaque realizar sobre el diseno, si sus juguetes se disenan a escala?

creaci on de un modelo cae en...

Documents