SOLIDWORKS ANÁLISIS ESTÁTICO

A través de la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), se puede modelar casi

cualquier pieza o sistema con una precisión prácticamente real. Ayudándose del Análisis

por Elementos Finitos, se puede no solo visualizar el modelo sino prever su

comportamiento bajo unas condiciones reales de trabajo, sin necesidad de fabricar

prototipos.

Esto, tiene varias ventajas:

Se reduce el coste de las pruebas de campo ya que se puede simular previamente el

comportamiento del modelo

Permite adelantar la comercialización del producto, puesto que se reduce el número

de ciclos de desarrollo del mismo.

Da la opción de mejorar el producto rápidamente mediante el rediseño del modelado

de las piezas de forma virtual antes de su fabricación.

Estas herramientas, nos permiten evaluar el comportamiento del modelo bajo una

gran variedad de condiciones como pueden ser:

1. Cargas Estáticas.

2. Cargas Térmicas.

3. Fatiga.

4. Dinámica.

En el caso que nos ocupa, veremos las características generales de los Análisis

Estáticos. Mediante los análisis estáticos de piezas o modelos compuestos, se puede simular

los desplazamientos, las fuerzas de reacción, las tensiones y las deformaciones unitarias que

se producen en su modelo tridimensional bajo unas condiciones de contorno previamente

definidas.

Además, podemos evaluar el Factor de Seguridad de un modelo simulado, pudiendo

rediseñar la pieza para evitar problemas durante el funcionamiento real de la pieza. Por

tanto, podemos optimizar el diseño sin necesidad de fabricar ningún modelo ni realizarle

pruebas de campo que encarecen el producto final.

Los análisis estáticos, se realizan bajo dos condiciones:

1. Suposición Estática. Esto implica que las cargas se aplican lenta y gradualmente

hasta que alcanzan sus magnitudes completas. A partir de este punto, las cargas

permanecerán constantes.Debido a esto, se puede ignorar por ejemplo las fuerzas

inerciales y de las de amortiguamiento, ya que las aceleraciones y velocidades son

pequeñas.

2. Linealidad. Es decir, la relación entre cargas y la respuesta del material es lineal.

Cuando se duplica la carga, también lo harán las deformaciones unitarias,

desplazamientos o las tensiones. La suposición de linealidad supone:

Se cumple la ley de Hooke en los materiales a estudiar. Esto implica que la

tensión es directamente proporcional a la deformación unitaria.

Los desplazamientos provocados son lo suficientemente pequeños para que

no se tenga en cuenta la rigidez que es causada por la carga.

Las condiciones de contorno no variarán durante el proceso de carga del

sistema. Estas cargas deben ser constantes en magnitud, dirección y

distribución, y por tanto no cambiar durante la deformación del modelo.

Existe una gran variedad de aplicaciones para estos estudios, como pueden ser

piezas o sistemas que tienen que soportar una carga aplicada de forma secuencial sin

impacto, como pueden ser estanterías o cualquier soporte. Otra posible aplicación para

estudios estáticos, es la evaluación del chasis de ciertos tipos de coches de competición, los

cuales son estudiados mediante cargas estáticas en sus diferentes posiciones (carga vertical,

laterales, y longitudinales), bajo las condiciones de los estudio estáticos lineales.

 

 

En definitiva, los análisis estáticos, teniendo en cuenta las suposiciones que los

caracterizan, nos pueden ayudar a identificar si nuestro modelo cumplirá con los requisitos

para los que será fabricado, evitando gastos innecesarios y mejorando sus propiedades.

Soluciones de SOLIDWORKS Simulation

Gracias a las ágiles y sencillas soluciones de análisis integradas en el software de

CAD de  SOLIDWORKS Simulation, los diseñadores y los ingenieros pueden simular y

analizar el rendimiento del diseño. Puede utilizar de forma rápida y sencilla las técnicas de

simulación avanzada para optimizar el rendimiento mientras diseña con  funciones que

reducen la generación de costosos prototipos, acaban con las repeticiones de trabajo y los

retrasos, y ahorran tiempo y costes de desarrollo.

Análisis estructural

SolidWorks Simulation integrado en el CAD 3D de SolidWorks permite a cada uno

de los diseñadores e ingenieros realizar una simulación estructural de las piezas y

ensamblajes mediante el análisis por elementos finitos (FEA) mientras trabajan para

mejorar y validar el rendimiento, y para reducir la necesidad de realizar costosos cambios

en prototipos o diseños posteriormente. La simulación estructural abarca una amplia gama

de problemas de FEA (desde el rendimiento de una pieza con una carga constante hasta el

análisis de tensión de un ensamblaje en movimiento con carga dinámica), que se pueden

determinar gracias a las herramientas de SolidWorks Simulation.

Visión general de análisis estructural

Los diseñadores e ingenieros utilizan fundamentalmente la simulación estructural

para determinar la resistencia y rigidez de un producto mediante el registro de las

deformaciones y tensiones de los componentes. El tipo de análisis estructural que realice

dependerá del producto que se vaya a probar, de la naturaleza de las cargas y del modo de

fallo previsto:

Una estructura corta o robusta tiene más posibilidades de sufrir un error debido al

fallo de los materiales (es decir, se supera el límite de elasticidad).

Una estructura larga y delgada fallará debido a la inestabilidad estructural (pandeo

geométrico).

Con las cargas dependientes del tiempo, la estructura requerirá algún tipo de análisis

dinámico para analizar la resistencia de los componentes.

El material de componente que utilice también puede influir en el tipo de análisis

que se debe realizar:

Los componentes metálicos, con cargas moderadas, suelen requerir algún tipo

de análisis lineal, en el que el material tiene una relación lineal entre la deformación

en la pieza y la carga aplicada por debajo del punto de elasticidad de los materiales.

Los componentes de caucho y plástico requieren un análisis no lineal, ya que los

elastómeros tienen una relación no lineal entre la deformación en la pieza y la carga

aplicada. Este es el caso de los metales que superan el punto de elasticidad.

Análisis de fatiga

Lleve a cabo un análisis de fatiga con SolidWorks Simulation integrado en el CAD

y prediga los errores de fatiga de los componentes durante la fase de diseño. A

continuación, ajuste su diseño o defina un programa de mantenimiento preventivo para

reducir los costes de garantía y aprovechar al máximo la vida del producto.

Visión general del análisis de fatiga

El análisis de fatiga examina cómo la repetición o aleatoriedad de los ciclos de

carga pueden provocar un error estructural (también denominado fatiga del metal).

SolidWorks Simulation permite a los diseñadores adoptar dos enfoques adicionales con

respecto al análisis de diseño:

Diseño para resistencia: Tradicionalmente, en el análisis de fallos, los diseñadores

tienen en cuenta el límite de resistencia de sus componentes pero, en el servicio, la

carga casi nunca es estática, ya que suele producirse una variación cíclica.

Diseño para ciclo de vida: Al añadir este enfoque, puede utilizar el análisis de

elementos finitos (FEA) para predecir y tratar las causas del fallo.

Análisis de movimiento

El análisis de movimiento de SolidWorks utiliza las relaciones de posición de

ensamblaje, junto con los contactos de piezas y un sólido solver basado en la física para

determinar con precisión los movimientos físicos de un ensamblaje con carga. Una vez

realizado el cálculo de las fuerzas y movimiento del ensamblaje, puede llevarse a cabo un

análisis estructural de los componentes para garantizar el rendimiento del producto.

Vista general de análisis de movimiento

Hay dos tipos de análisis de movimiento: cinemático y dinámico.

El análisis cinemático estudia cómo se mueve el diseño debido a las fuerzas y

movimientos que los controladores aplican al ensamblaje. Los resultados clave de

interés son el intervalo de movimiento del ensamblaje, y la determinación de

desplazamientos de piezas, velocidades y aceleraciones.

El análisis de movimiento dinámico evalúa las fuerzas generadas por el

movimiento, así como el propio movimiento.

El análisis de movimiento puede resolverse con dos modelos de soluciones

diferentes: movimiento basado en el tiempo y movimiento basado en eventos.

En un análisis basado en el tiempo, las acciones externas se producen en un

momento previsto, con independencia del movimiento del ensamblaje.

En un análisis del movimiento basado en eventos, el movimiento del ensamblaje

activa la acción externa.

Análisis térmico

SolidWorks Simulation integrado en el CAD permite a cada uno de los diseñadores

e ingenieros realizar un análisis térmico en cualquier fase del diseño para garantizar que

todos los componentes y ensamblajes funcionen correctamente en los intervalos de

temperatura previstos, y detectar problemas de seguridad antes de que surjan.

El análisis térmico calcula en el diseño y su entorno la temperatura y la

transferencia de calor del interior de los componentes y su alrededor. Se trata de un factor

importante a tener en cuenta en el diseño, ya que muchos productos y materiales tienen

propiedades que dependen de la temperatura. La seguridad del producto también es un

factor a tener en cuenta. Si un producto o componente se calienta demasiado, puede que

necesite diseñar una cubierta para protegerlo.

Visión general de análisis térmico

El flujo de calor a través de los componentes puede encontrarse en un estado estable

(en el que el flujo de calor no cambia con el tiempo) o en forma transitoria. La analogía

térmica de un análisis estático lineal es un análisis térmico de estado estable, mientras que

el análogo del análisis estructural dinámico es el análisis térmico transitorio.

Los problemas de transferencia de calor pueden resolverse mediante el uso de los

métodos de análisis estructural y de flujo de fluido:

En un análisis estructural térmico, el efecto del aire en movimiento o de un líquido

en movimiento se aproxima mediante una serie de condiciones de contorno o

cargas.

En un análisis térmico de fluidos, el efecto del aire o de un líquido se calcula,

aumentando el tiempo de ejecución, así como la precisión general de la solución.

Análisis de vibración

Descubra posibles errores con antelación y realice los ajustes oportunos durante el

diseño al llevar a cabo un análisis de vibración con SolidWorks Simulation. Puede

identificar puntos de conflicto que podrían causar problemas (por ejemplo, resonancia,

fatiga y técnicas de ensamblaje), y evitar así las costosas repeticiones y demoras durante la

fase de creación del prototipo.

Con el análisis de frecuencia y el análisis dinámico SolidWorks Simulation ofrece

datos detallados de la vibración para garantizar el rendimiento y la seguridad del producto.

El análisis de vibración es un factor importante a tener en cuenta cuando una carga aplicada

no es constante (estática), lo que produce modos inestables de vibración (resonancia) que

provocan una vida útil más corta y causan fallos inesperados.

Visión general de análisis de vibración

Las vibraciones que pueda experimentar su producto pueden reducir su rendimiento,

acortar su vida útil o incluso provocar un fallo catastrófico. Los efectos de las vibraciones,

que son cargas transitorias o cargas que varían con el tiempo en su producto, son difíciles

de predecir:

Las cargas de vibración pueden suscitar respuestas dinámicas en una estructura, lo

que produce tensiones dinámicas altas.

No hacer caso a las tensiones dinámicas, podría hacerle pensar que un producto o

estructura tiene un factor de seguridad (FoS) mayor del que realmente tiene.

Optimización de estructuras

Lleva a cabo un análisis de optimización estructural durante el diseño

conSolidWorks Simulation integrado en CAD para lograr el mejor rendimiento de

resistencia/peso, frecuencia o rigidez de sus diseños, y reducir la fabricación de costosos

prototipos, eliminar las repeticiones, y ahorrar tiempo y costes de desarrollo.

Visión general de optimización estructural

SolidWorks Simulation simplifica la optimización estructural con un diseño

orientado a objetivos para modificar paramétricamente un diseño, de modo que cumpla los

objetivos estructurales definidos. Los objetivos de diseño se especifican al inicio de la fase

de diseño:

Haga que el software de SolidWorks le avise durante el proceso de diseño si se

incumplen los objetivos.

Utilice los objetivos de un estudio de diseño en el que SolidWorks Simulation

cambia automáticamente las dimensiones permisibles de un modelo para aumentar o

reducir la adhesión al objetivo de diseño.

La optimización estructural utiliza varias restricciones para limitar el alcance del

proceso de optimización, lo que garantiza que cualquier optimización de estudio de diseño

cumpla el objetivo principal sin infringir los requisitos de diseño secundarios.

FUNCIONES DE SOLIDWORKS SIMULATION

Las sencillas capacidades de análisis integradas en el software de CAD impulsan

las soluciones y las herramientas de software de SOLIDWORKS Simulation para permitir a

todos los diseñadores e ingenieros simular y analizar el rendimiento del diseño. Puede

utilizar de forma rápida y sencilla las técnicas de simulación avanzada para optimizar el

rendimiento mientras diseña, reducir la generación de costosos prototipos, acabar con las

repeticiones de trabajo y demoras, y ahorrar tiempo y costes de desarrollo

Análisis por elementos finitos

Optimice y valide de forma eficaz cada paso del diseño con SOLIDWORKS

Simulation integrado en CAD, que permite una rápida resolución, para garantizar la

calidad, el rendimiento y la seguridad del producto. Estrechamente integradas con el

software de CAD de SOLIDWORKS, las soluciones de SOLIDWORKS Simulation y sus

funciones pueden convertirse en un elemento habitual del proceso de diseño, lo que reduce

la necesidad de realizar costosos prototipos, acaba con las repeticiones de trabajo y las

demoras, y ahorra tiempo y costes de desarrollo.

Visión general de análisis por elementos finitos (FEA)

SOLIDWORKS Simulation utiliza el método de formulación de desplazamientos de

elementos finitos para calcular desplazamientos, deformaciones y tensiones de los

componentes con cargas internas y externas. La geometría que se analiza se individualiza

con elementos tetraédricos (3D), triangulares (2D) y de vigas, y se resuelve con un solver

Direct Sparse o iterativo. SOLIDWORKS Simulation también ofrece el supuesto de

simplificación en 2D para las opciones de tensión o deformación de plano, extruidas o

axisimétricas. SOLIDWORKS Simulation puede utilizar un tipo de elemento h adaptativo o

p adaptativo, que proporciona una gran ventaja a los diseñadores e ingenieros, ya que el

método adaptativo garantiza el hallazgo de la solución.

SOLIDWORKS Simulation incluye una herramienta de producción para las mallas

de lámina llamada “Administrador de vaciados”, que permite gestionar varias definiciones

de vaciado de su documento de pieza o de ensamblaje. Mejora el flujo de trabajo para la

organización de vaciados en función del tipo, el grosor o el material, y mejora la

visualización y la verificación de las propiedades de vaciado.

El análisis por elementos finitos con SOLIDWORKS Simulation permite conocer la

geometría exacta durante el proceso de mallado, y se integra con el software de CAD en 3D

de SOLIDWORKS. Además, cuanta más precisión exista entre el mallado y la geometría

del producto, más precisos serán los resultados del análisis. Dado que la mayoría de los

componentes industriales están fabricados en metal, la mayor parte de los cálculos de

análisis por elementos finitos afectan a componentes metálicos. El análisis de componentes

metálicos puede realizarse mediante el análisis de tensión lineal o no lineal. El enfoque que

utilice dependerá de cuánto quiera hacer avanzar el diseño:

Si quiere asegurarse de que la geometría permanezca en el rango de elasticidad

lineal (es decir, que una vez eliminada la carga, el componente vuelve a su forma original),

debe aplicar el análisis de tensión lineal, siempre que las rotaciones y desplazamientos sean

pequeños en relación con la geometría. Para este tipo de análisis, el factor de seguridad

(FoS) es un objetivo de diseño común. Al evaluar los efectos de carga cíclica al final del

límite elástico en la geometría, debe llevar a cabo un análisis de tensión no lineal. En este

caso, es más interesante el impacto del endurecimiento de la deformación en las tensiones

residuales y permanentes establecidas (deformación).

El análisis de componentes no metálicos (por ejemplo, piezas de plástico o caucho)

debe llevarlo a cabo con métodos de análisis de tensión no lineal debido a su compleja

relación entre deformación y carga. SOLIDWORKS Simulation utiliza métodos de análisis

por elementos finitos para calcular los desplazamientos y las tensiones de su producto

debido a cargas operativas como las siguientes:

Fuerzas

Presiones

Aceleraciones

Temperaturas

Contacto entre componentes

Las cargas pueden importarse desde estudios de simulación térmica, de flujo y de

movimiento para realizar análisis multifísicos.

Definición de mallas

SOLIDWORKS Simulation brinda la posibilidad de mallar la geometría de CAD en

elementos tetraédricos (de primer y segundo orden), triangulares (de primer y segundo

orden), de viga o de armadura. La malla puede constar de un tipo de elemento o de varios,

en el caso de las mallas mixtas. Como cabe esperar, los elementos sólidos son adecuados

para modelos voluminosos, así como los elementos de vaciado son adecuados para el

modelado de piezas finas (como chapas de metal), y las vigas y las armaduras son

adecuadas para el modelado de miembros estructurales.

Puesto que SOLIDWORKS Simulation se encuentra estrechamente integrado con el

software de CAD en 3D de SOLIDWORKS, la topología de la geometría se emplea para

determinar el tipo de malla:

Se genera automáticamente una malla de lámina para modelos de chapa metálica y

sólidos de superficie.

Se definen automáticamente elementos de viga para miembros estructurales.

De este modo, sus propiedades se aprovechan perfectamente para el análisis por

elementos finitos. Para mejorar la exactitud de los resultados en una región determinada, el

usuario puede definir el control de mallado local de vértices, puntos, artistas, caras y

componentes. SOLIDWORKS Simulation emplea dos comprobaciones importantes para

evaluar la calidad de los elementos de una malla:

Comprobación de relación de aspecto

Puntos jacobianos

En caso de que se produzca un error en la generación de una malla, SOLIDWORKS

Simulation guía a los usuarios mediante una herramienta de diagnóstico de errores para

determinar y resolver los problemas relacionados con el mallado. Esta herramienta

renderiza las piezas que presentan errores en un modo de sombreado en la zona de gráficos.

Análisis de tensión lineal

El análisis de tensión lineal con SolidWorks Simulation permite a diseñadores e

ingenieros validar de forma rápida y eficaz la calidad, el rendimiento y la seguridad, todo

ello mientras crean sus diseños. Estrechamente integrado con el CAD de SolidWorks, el

análisis de tensión lineal con SolidWorks Simulation puede convertirse en un elemento

habitual del proceso de diseño, lo que reduce la necesidad de realizar costosos prototipos,

acaba con las repeticiones y demoras, y ahorra tiempo y costes de desarrollo.

Visión general del análisis de tensión lineal

El análisis de tensión lineal calcula las tensiones y deformaciones de las geometrías

basándose en tres supuestos básicos:

1. La pieza o ensamblaje con carga se deforma con pequeños giros y desplazamientos.

2. La carga del producto es estática (sin inercia) y constante a lo largo del tiempo.

3. El material tiene una relación tensión-deformación constante (ley de Hooke).

SolidWorks Simulation utiliza los métodos de análisis de elementos finitos (FEA)

para individualizar los componentes del diseño en elementos sólidos, vacíos o de viga, y el

de análisis de tensión lineal para determinar la respuesta de las piezas y ensamblajes debido

a uno de los efectos siguientes:

Fuerzas

Presiones

Aceleraciones

Temperaturas

Contacto entre componentes

Las cargas pueden importarse desde estudios de simulación térmica, de flujo y de

movimiento para realizar análisis multifísico. Para llevar a cabo el análisis de tensión,

deben conocerse los datos de los materiales del componente. La base de datos estándar de

materiales de CAD de SolidWorks está rellenada previamente con los materiales que

pueden utilizarse con SolidWorks Simulation y puede personalizarse fácilmente para incluir

sus requisitos de materiales específicos.

Análisis estructural técnico

Determine los efectos térmicos en un diseño determinado (o el impacto de los cambios de

diseño en las temperaturas de los componentes) mediante un análisis estructural térmico

rápido y eficaz con SolidWorks Simulation. Estrechamente integrado con el CAD de

SolidWorks, el análisis estructural térmico con SolidWorks Simulation puede convertirse

en un elemento habitual del proceso de diseño, lo que reduce la necesidad de realizar

costosos prototipos, acaba con las repeticiones y demoras, y ahorra tiempo y costes de

desarrollo.

Visión general de análisis estructural térmico

El análisis estructural térmico consiste en la aplicación del método de elementos

finitos para calcular la distribución de temperatura en una estructura sólida, que se basa en

las entradas térmicas (cargas de calor), salidas térmicas (pérdidas de calor) y barreras

térmicas (resistencia al contacto térmico) de su diseño. El análisis estructural térmico

resuelve el problema de la transferencia térmica conjugada con el cálculo de la simulación

de la conducción, convección e irradiación térmica.

Se aplican dos métodos de transferencia de calor (convección y radiación) como

condiciones de contorno en el análisis estructural térmico. Tanto la convección (establecida

por un coeficiente de película de superficie) como la radiación (emisividad de la superficie)

pueden emitir y recibir energía térmica hacia el entorno y desde este; sin embargo, solo la

radiación transfiere energía térmica entre cuerpos desconectados del ensamblaje.

Radiación: Para calcular el efecto del calor que sale de un componente y se

transporta por medio de un fluido en movimiento hasta otro componente, debe

llevarse a cabo un análisis térmico de fluidos de SolidWorks Simulation, ya que hay

que calcular el impacto del fluido.

Convección: Acabe con la dificultad de determinar coeficientes precisos de película

de superficie de convección para geometrías complejas, mientras SolidWorks

Simulation simplemente importa coeficientes de película precisos desde SolidWorks

Flow Simulation para calcular un análisis estructural térmico más preciso.

SolidWorks Simulation calcula los campos de temperatura en estado estable o

transitorio debido a:

Temperaturas iniciales o fijas aplicadas

Entrada o salidas de flujo/potencia térmica

Tasas de convección de la superficie

Radiación: eliminación del calor de los sistemas

Resistencia al contacto térmico entre los componentes

Una vez realizado el cálculo en el campo de temperatura, pueden calcularse

fácilmente las tensiones térmicas, para garantizar un rendimiento y seguridad correctos del

producto.

Análisis dinámico

El análisis dinámico con SolidWorks Simulation permite a diseñadores e ingenieros

determinar de forma rápida y eficaz el impacto de las cargas que varían con el tiempo en la

respuesta estructural de sus diseño de producto para garantizar el rendimiento, calidad y

seguridad de este. Estrechamente integrado con el CAD de SolidWorks, el análisis

dinámico con SolidWorks Simulation puede convertirse en un elemento habitual del

proceso de diseño, lo que reduce la necesidad de realizar costosos prototipos, acaba con las

repeticiones y demoras, y ahorra tiempo y costes de desarrollo.

Visión general del análisis dinámico

El análisis dinámico puede incorporar pruebas de frecuencia, impacto y caída. La

principal incógnita en un análisis dinámico es el desplazamiento del componente a lo largo

del tiempo, pero con este cálculo, también es posible determinar las tensiones, velocidades

y aceleraciones, junto con los modos naturales de vibración.

SolidWorks Simulation utiliza uno de los dos métodos de análisis dinámico:

El análisis modal lineal determina los modos naturales de vibración y, a

continuación, los desplazamientos, tensiones, deformaciones, velocidades y

aceleraciones.

El análisis dinámico no lineal calcula el campo de desplazamiento en cada etapa,

teniendo en cuenta las cargas aplicadas y las velocidades iniciales de los

componentes. A partir de este campo, se calculan las tensiones, deformaciones,

velocidades y aceleraciones no lineales.