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Ansys Usage and practice...

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Manual de Introducción a Ansys Workbench Tecnológico de Costa Rica

Segunda edición F b 2020

M ANUAL DE I NTRODUCCIÓN

A

A NSYS W ORKBENCH

Este manual es una guía para utilizar el software ANSYS Workbench. En la realización de éste se utilizaron diferentes versiones del software, por lo que no siempre coincidirá con lo que el lector está viendo en su pantalla; sin embargo, las opciones son similares. Además, se recomienda un conocimiento básico previo de softwares tipo CAD. Está prohibida su reproducción con fines lucrativos. T ECNOLÓGICO DE C OSTA R ICA E SCUELA DE C IENCIA E I NGENIERÍA DE LOS M ATERIALES Autores: José Cabrera Alfaro, Elena Campos Jaramillo, Stefani Escalante Barrantes, Daniel García Cruz, Fabián Navarro Solano, Andreina Quesada Soto. Primera edición: Noviembre 2019

Índice general

1

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2

Interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1

Flujo de trabajo en ANSYS

2.2

Datos de materiales

3

Geometría (Design Modeler) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1

Introducción a Ansys Design Modeler

12

3.2

Crear planos y bocetos

15

3.3

Herramientas de dibujo y modificación

19

3.4

Dimensionado y Restricciones

23

3.5

Bocetos y Dimensiones

26

3.6

Tipos de cuerpos en DesignModeler

28

3.7

Herramientas generales de sólidos

31

3.8

Herramienta Extrusión

36

3.9

Herramienta Revolución

38

3.10

Herramienta Barrido

40

3.11

Patrones

41

3.12

Operaciones con Cuerpos

43

3.13

Transformación de Cuerpos

46

6 10

3.14 3.15

Operadores Booleanos Creación de sólidos

48 50

3.16 3.17

Importar Geometría Parametrización

51 51

4

Módulo de Simulación Mecánica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.1 4.2

Interfaz Procedimiento de análisis

53 56

4.3 4.4

Análisis Básico Cuerpos Rígidos y Flexibles

57 60

4.5 4.6

Contactos Mallado

63 66

4.6.1 4.6.2

Controles Globales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Controles Locales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5

Análisis Estático Estructural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.1

Introducción

70

5.2 5.3

Configuración del Análisis Aplicación de Cargas

71 73

5.4 5.5

Definición de Soportes Ploteo de resultados

78 82

5.6 5.7

Herramientas de resultados Ejemplo práctico

83 84

Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Bibliografía

91

1. Introducción

En el estudio de ingeniería, se realizan procedimientos matemáticos que ayudan a comprender, o incluso pronosticar, cómo ciertos fenómenos físicos pueden afectar la práctica. Sin embargo, una gran cantidad de estos problemas prácticos no se pueden solucionar solamente con los modelos matemáticos que se plantean, ya sea por la alta complejidad o por la cantidad de variables que los conciernen. ANSYS es un software digital de simulación que puede ayudar a solventar estos vacíos, es utilizado en la ingeniería para parametrizar y predecir cómo se comportan sólidos finitos, como piezas o elementos mecánicos, ante diferentes fenómenos físicos utilizados en el diseño mecánico, como esfuerzos térmicos, vibraciones, tensión, compresión, relacionados con fluidos o hasta aplicaciones mucho más específicas que se requieran en la práctica [1]. Este manual tiene como objetivo presentar las principales funciones del software ANSYS Workbench a través de la explicación de sus componentes con el fin de funcionar como una guía para estudiantes que deseen comenzar en el proceso de la simulación de sistemas ingenieriles.

2. Interfaz

2.1

Flujo de trabajo en ANSYS La interfaz de Ansys Workbench está organizada en dos áreas principales la caja de herramientas y esquema de proyecto. La caja de herramientas: Ubicada a la izquierda, contiene las plantillas de sistemas que se pueden utilizar para construir un proyecto. El esquema de proyecto: Se encuentra a la derecha, es el área de interfaz donde se va a controlar el proyecto que estemos creando y editando. Además, se pueden apreciar unas barras de herramientas, que se encuentran en la parte superior junto a la barra de menú, con las funciones más utilizadas como se observa en la figura 2.1.

2.1 Flujo de trabajo en ANSYS

7

Figura 2.1: Caja de herramientas (izquierda) y esquema de proyecto (derecha).

Para iniciar un nuevo análisis, se selecciona un tipo de sistema en la caja de herramientas, para poder agregar este sistema o plantilla al esquema de proyecto existen dos maneras de hacerlo: Arrastrar el sistema o plantilla al esquema de proyecto.

8

Capítulo 2. Interfaz

Hacer doble clic sobre el sistema que se desea utilizar. En cualquiera de estos casos un bloque de sistema de análisis aparece en el esquema de proyecto. Los bloques contienen componentes que son llamados células como se observa en la figura 2.2, en estos están enumerados los componentes necesarios para completar el análisis, existen además otros componentes opcionales como recursos. Los productos se deben completar antes de poder continuar hacia el siguiente paso del indicador, la numeración indica el orden en que se deben completar. En la parte derecha de cada una de las células aparece un indicador el cual señala si está correctamente configurado o no. En estos se observa un signo de interrogación si no se ha introducido ningún tipo de dato. Por ejemplo, en el análisis estático estructural de la figura 2.2 observamos que los datos de ingeniería ya se han cargado por defecto pero no se cuenta con ninguna geometría.

Figura 2.2: Células con los componentes necesario para el sistema.

Lo primero que se debe hacer es agregar una geometría para esto se cuenta con dos opciones: Hacer clic derecho sobre la celda de geometría se desplegará un menú contextual que muestra la opción de crear una nueva geometría a través del Design Model. Importar una geometría desde un formato de Cad externo. El siguiente paso es crear un modelo de proyecto, esto por lo general incluye el mallado de lo que se creó en la geometría de los sólidos o planos que se han utilizado para para representar la geometría del proyecto. Después de crear el mallado se debe configurar este mallado generando algunas condiciones de contorno, como uniones y contactos así como cargas aplicadas. El siguiente paso es solucionar las ecuaciones representadas en el elemento. El toolbox además de contar de contar con un sistema de análisis también contiene componentes de sistema, los componentes de sistema son una manera de trabajar individualmente alguna de las celdas o células que se encuentran en el análisis de sistema.

2.1 Flujo de trabajo en ANSYS

9

Desde el Component System se puede acceder a la celda geometría al hacer doble clic para vincular la geometría a dos sistemas de análisis si se desea. Primeramente, se selecciona la célula que se quiere vincular y se arrastra hasta la célula que queremos quede vinculada, el programa mostrará el nombre de su grupo y el número de la fila que se va a vincular, al dar clic, automáticamente, Ansys generará un vínculo. si se quisiera vincular otro sistema, se realiza el mismo procedimiento con una célula distinta, con ello se obtiene que una sola geometría funciona como base para editar varios bloques de análisis, como se observa en la figura 2.3, de esta manera se facilita el trabajo.

Figura 2.3: Bloques vinculados a una misma geometría.

Capítulo 2. Interfaz

10

2.2

Datos de materiales Es posible editar los datos de ingeniería o de los materiales en un sistema. Para ello se debe dar doble clic sobre la célula de Engineering Data o hacer clic derecho y seleccionar la opción editar en el menú contextual. Aparecerá la interfaz de edición de los datos de los materiales (figura 2.4). En esta interfaz la caja de herramientas cambia y muestra los parámetros que se pueden agregar a un material, además se pueden observar los materiales que se encuentran asociados a la celda.

Figura 2.4: Interfaz edición de los datos de los materiales.

En la ventana inferior se pueden apreciar las propiedades que están agregadas al material, por ejemplo, su densidad, el coeficiente isotrópico de expansión térmica entre otros. Si tocamos alguno de estos se observa que las ventanas laterales cambian, por ejemplo, si se selecciona elasticidad isotrópica, entonces la ventana derecha superior muestra una tabla con el módulo de Young y el módulo de Poisson según la temperatura y además una gráfica de dicha tabla, lo mismo ocurre para la densidad a distintas temperaturas. La sección Engineering Data solo permite seleccionar las propiedades que están acorde al tipo de sistema que se está analizando. Es decir,en los datos de ingeniería de un análisis de tipo estructural transitorio, aparecen propiedades físicas distintas para el mismo material al realizar un análisis de tipo estático estructural. Esto ocurre ya que la operación filtrar los datos de ingeniería que se observa en la figura 2.4 solo muestra los parámetros que se pueden agregar a un material según el estudio que se realice. Si se desactiva dicha opción aparecen más parámetros no aplicables al tipo de análisis como por ejemplo, eléctricos y magnéticos. Otro botón que se encuentra en la interfaz es la fuente de datos de ingeniería, al hacer clic sobre

2.2 Datos de materiales

11

este botón aparece una nueva ventana en la que se muestran varias bibliotecas con algunos materiales agregados previamente en ellas. Al hacer clic en la biblioteca de Materiales Generales, aparecerá en la ventana inferior todos los materiales sobre los que podríamos escoger, como el concreto, aluminio entre otros (ver figura 2.5). Cada uno de estos materiales se encuentra previamente configurado, es decir tiene sus propias propiedades.

Figura 2.5: Biblioteca de Materiales Generales.

Si se deseara agregar un material nuevo la fuente de datos, se selecciona la biblioteca de los materiales y luego el material que queremos agregar dando clic sobre el botón agregar a datos de ingeniería. Si se deseara crear un material desde cero, se debe hacer clic sobre la opción agregar un nuevo material ubicada en la ventana superior, luego al agregar el nombre es posible seleccionar cualquiera de las propiedades que aparecen a la izquierda en el Toolbox mediante clic derecho e incluir propiedades, esto permitiría asignar un valor al material.

3. Geometría (Design Modeler)

3.1

Introducción a Ansys Design Modeler Luego de editar el material se debe editar la geometría. Si se desea, los nombres presentes en las celdas se pueden cambiar al presionar clic derecho y seleccionar la opción Renombrar (ver figura 3.1).

Figura 3.1: Modificación de nombre de celdas de geometría del sistema

Existen dos maneras para ingresar a la edición de geometría, presionando doble clic sobre la celda "Geometría.o haciendo clic derecho y clic en el menú contextual sobre la opción "Nueva geometría". Como indica el icono . (ver figura 3.2) en la opción de "Nueva geometría"se dará inicio al modelador de diseño (DesignModeler) en una nueva ventana con el nombre definido en la figura 3.1.

3.1 Introducción a Ansys Design Modeler

13

Figura 3.2: Ingreso al modelador de diseño (DesignModeler)

La interfaz cuenta con tres ventanas bien diferenciadas entre sí, la primera es la ventana de gráficos que es donde se realizan los dibujos (ver figura 3.3).

Figura 3.3: Vista de la Ventana de Gráficos (color verde)

La segunda ventana es el tool box o caja de herramientas que cuenta con dos sub-pestañas tal y como se muestra en la figura 3.4. La sub-pestaña modelaje es donde se muestra lo realizado según sus planos partes y cuerpos, y la ventana de sketching permite agregar, modificar y dimensionar líneas. Por último, la tercera ventana es detalles de vista y permite ver todos los parámetros que configuran determinado elemento seleccionado en la interfaz gráfica (ver fig 3.9). Para moverse a través de la interfaz gráfica se puede girar el scroll del mouse para acercar o alejar. Otra forma es pulsar la tecla SHIFT y dejar presionado el scroll hacia arriba o hacia abajo para acercarse o alejarse respectivamente. Además se puede rotar la interfaz cliqueado el scroll y moviendo

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Capítulo 3. Geometría (Design Modeler)

Figura 3.4: Vista de Tool Box

el mouse. Por otra parte, la interfaz cuenta con una escala gráfica que muestra la distancia según la unidad seleccionada (ver fig 3.5).

Figura 3.5: Escala gráfica de DesignModeler

Para volver a la vista de isometría original basta con cliquear en el círculo rosa que se muestra en la figura 3.6.

Figura 3.6: Ejes coordenados con función ISO

Para cambiar entre las distintas ventanas o visualizaciones que no son isométricas sino planas (dos ejes coordenados) se debe hacer clic sobre el eje que sale de cada plano. En el caso de la figura 3.7 al apretar el eje z, se visualizarán los ejes xy.

3.2 Crear planos y bocetos

15

Figura 3.7: Ejes coordenados de ventana de gráficos

3.2

Crear planos y bocetos Los planos son los sitios en el espacio donde se crean los bocetos, estos bocetos sirven de base para la creación de sólidos. El programa por defecto cuenta con tres planos que son los planos de los ejes coordenados XY, ZX y YZ (ver figura 3.4) pero existe la posibilidad de crear espacios de trabajo mediante planos personalizados. Para establecer planos personalizados se debe mover el cursor hacia la opción Çrear "(Create) y hacer clic sobre "Nuevo Plano"tal y como se muestra en la figura 3.8, o hacer clic en el botón de la barra de herramientas "Nuevo Plano"( ).

Figura 3.8: Creación de plano personalizado

Al dar clic en cualquiera de las dos opciones mencionadas anteriormente se genera automáticamente un nuevo plano como se muestra en la figura 3.9 Este nuevo plano se puede renombrar en el recuadro "Vista de Detalles". En vista de detalles se encuentra el comando "Tipo"que corresponde a la fuente de datos que sirve para la creación del nuevo plano. En la figura 3.10 se muestran algunas de las opciones disponibles para la creación del nuevo plano. Si la opción seleccionada en "Tipo. es crear un plano a partir de otro plano se debe indicar el plano base sobre el cual se va a realizar una modificación, este puede ser cualquiera de los 3 planos por defecto.

16

Capítulo 3. Geometría (Design Modeler)

Figura 3.9: Barra de herramientas actualizada y vista de detalles de nuevo plano

Figura 3.10: Tipos de fuentes de datos para creación de plano nuevo

El siguiente parámetro es la transformación, esta es la modificación que se le realiza al plano base. Para seleccionar el tipo de transformación se debe hacer clic sobre la barra y escoger alguno de la extensa lista. Otra forma de escoger la transformación es dando clic derecho sobre la cuadrícula de transformación, donde se desplegará un panel con las posibles modificaciones ordenadas por categorías tal y como se muestra en la ver figura 3.11. Si se escoge una opción que implique desplazamiento o rotación, aparece la cuadrícula para ingresar el valor deseado (ver figura 3.12). Posterior a eso, se crea el plano modificado a partir del plano

3.2 Crear planos y bocetos

17

Figura 3.11: Tipos de transformaciones aplicables al nuevo plano

inicial marcado.

Figura 3.12: Casilla de ingreso de valor de desplazamiento

Luego de crear el plano, se debe generar dando clic en la opción . de la barra de herramientas. Para saber si se está ubicado sobre el nuevo plano se revisa la barra de herramientas en "Selección de planos"donde debe indicar el nombre del plano creado (ver figura 3.13).

Figura 3.13: Generación de nuevo plano

Dentro de un plano se puede crear un sketch, para esto se debe mover el cursor hasta la opción de la barra de herramientas "Nuevo Sketch"( ) y este aparecerá en el árbol de esquemas, en el plano

18

Capítulo 3. Geometría (Design Modeler)

previamente seleccionado (ver figura 3.13). En "Vista de detalles"se puede cambiar el nombre del nuevo sketch. Para ingresar datos en el boceto es necesario cliquear la pestaña "Sketching seleccionar alguna de las herramientas de dibujo disponibles. En la caja de herramientas se puede observar que las opciones disponibles son herramientas para bocetos, estas son herramientas CAD y están ordenadas en diversas categorías como se muestra en la figura 3.14. 2

Figura 3.14: Categorías disponibles para la creación de bocetos

3.3 Herramientas de dibujo y modificación

3.3

19

Herramientas de dibujo y modificación Como se mencionó anteriormente, la pestaña "Sketching"permite seleccionar las herramientas de dibujo. Al hacer clic sobre alguna de las opciones, la barra de notificaciones informa que se debe hacer clic en cualquier parte del plano para comenzar el dibujo. Al posicionarse sobre el eje de coordenadas de trabajo se coloca una P, lo que indica una restricción justo en ese punto de intersección (ver figura 3.15).

Figura 3.15: Restricción en el centro del eje coordenado

Si se mueve el mouse a lo largo de cualquiera de los ejes se observaría una C que significa que hay coincidencia con esa línea (ver figura 3.16).

Figura 3.16: Coincidencia en eje coordenado

Para la herramienta "línea", al hacer clic sobre cualquier punto se puede crear una recta en cualquier dirección. Al hacerla lo más vertical posible aparece la letra V que significa vertical con respecto a la posición inicial (ver figura 3.17), de igual forma ocurre con la posición horizontal, ya que se identifica con una H.

Figura 3.17: Línea en posición vertical (90◦ )

La línea se crea al volver a hacer clic y para salir de la herramienta se debe apretar ESC.

20

Capítulo 3. Geometría (Design Modeler)

Para la herramienta “círculo", se debe identificar el espacio donde estará su centro con un clic y el siguiente clic indicará el radio (ver figura 3.18).

Figura 3.18: Herramienta círculo

Para la herramienta rectángulo", cada punto que se realiza cliqueando la interfaz representa las esquinas opuestas, por lo que se deben realizar dos puntos (ver figura 3.19)...