Importación al ANSYS Composite PrePost - ESSS
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<strong>ANSYS</strong> COMPOSITE PREPOST<br />
Elaborado por: Andrés Liberatto<br />
Fecha: 03/09/10
Introducción<br />
PAGE 2<br />
Este informe presenta un estudio, mediante simulación numérica, del<br />
comportamiento mecánico de tubos construidos en materi<strong>al</strong> compuesto, sujetos<br />
a una presión interna. El documento describe una metodología de trabajo<br />
utilizando el problema planteado arriba como ejemplo de utilización de la<br />
herramienta <strong>ANSYS</strong> <strong>Composite</strong> Prepost 12.1 (ACP).<br />
La simulación consiste en modelar un tramo de tubo cilíndrico (f medio = 101.2<br />
mm) formado por seis láminas de vidrio/epoxi, orientadas [90/+45/-45] s (espesor<br />
0.2 mm c/u) y sujeto a una presión interna de 100 bar.<br />
El procedimiento se describe considerando la creación del modelo desde “cero”,<br />
es decir, desde la creación de la geometría.
Construcción de la Geometría<br />
PAGE 3<br />
El trabajo comienza en <strong>ANSYS</strong> Workbench (o <strong>ANSYS</strong> Classic) planteando el tipo<br />
de análisis que se desea re<strong>al</strong>izar. Luego se importa o construye la geometría,<br />
que debe estar formada por superficies y curvas. Se trabaja con un modelo de<br />
cáscaras. En este caso el análisis es estático; y la geometría del cilindro fue<br />
generada en <strong>ANSYS</strong> Design Modeler (12.1).
Setup del modelo – Preliminares<br />
PAGE 4<br />
Definida la geometría se inicia el “setup” del<br />
análisis de la misma forma que se haría si los<br />
materi<strong>al</strong>es no fuesen compuestos. Incluso es<br />
necesario especificar <strong>al</strong>gún espesor para las<br />
cáscaras y también <strong>al</strong>gún materi<strong>al</strong>.<br />
Estas propiedades serán ignoradas y<br />
reemplazadas por las de los materi<strong>al</strong>es<br />
compuestos cuando el modelo sea importado<br />
en ACP.
Setup del modelo – M<strong>al</strong>la y definición de grupos<br />
PAGE 5<br />
Si se conocen las regiones de la geometría en las<br />
que los laminados son diferentes, se deben generar<br />
“Named selections”. Cuando el modelo es m<strong>al</strong>lado e<br />
importado en ACP, los “Named selections” son<br />
interpretados como grupos de elementos, facilitando<br />
considerablemente la asignación de los diferentes<br />
materi<strong>al</strong>es.<br />
La operación no es necesaria en este caso ya que<br />
todo el tubo está formado por un mismo laminado.
Setup del modelo - Cargas y restricciones cinemáticas<br />
PAGE 6<br />
La carga aplicada consiste en una presión interna de 100 bar. Las restricciones<br />
cinemáticas deben ser t<strong>al</strong>es que permitan <strong>al</strong> cilindro deformar radi<strong>al</strong> y axi<strong>al</strong>mente,<br />
pero también deben asegurar que la estructura resulte isostática. (Se deben<br />
cancelar los “Weak springs”.)
<strong>Importación</strong> <strong>al</strong> <strong>ANSYS</strong> <strong>Composite</strong> <strong>PrePost</strong><br />
PAGE 7<br />
2<br />
1<br />
Cuando se inicia ACP, se generan los archivos:<br />
“sartACP.bat”, “Wb_model_SYS.dat”,<br />
“Wb_model_SYS.acp” y “Wb_model_SYS_R0.acp”.<br />
Entorno gráfico ACP<br />
(*)<br />
“Antes de exportar el modelo <strong>al</strong><br />
ACP, es muy importante observar<br />
que se ha seleccionado el análisis<br />
deseado. Es en esta operación<br />
donde se genera un archivo (.dat)<br />
que contiene, además del modelo,<br />
la información sobre el análisis.”<br />
(*)<br />
M<strong>al</strong>la<br />
importada
Contenido de los archivos “.dat” y “.acp”<br />
PAGE 8<br />
Wb_model_SYS.dat<br />
Coordenadas de los nodos<br />
Conectividades<br />
Materi<strong>al</strong>es (<strong>ANSYS</strong> Mechanic<strong>al</strong>)<br />
Tipos de elementos<br />
Grupos (Named selections)<br />
Cargas y condiciones de apoyo<br />
Tipo de análisis<br />
Wb_model_SYS.acp<br />
Materi<strong>al</strong>es<br />
Fabrics<br />
Sistemas de referencia<br />
Direcciones de referencia del materi<strong>al</strong><br />
Laminados<br />
C:/…/”project”_files/user_files/ACP/<br />
Durante la<br />
importación, se crea<br />
un directorio con el<br />
nombre “ACP” (dentro<br />
de “user_files”), en el<br />
que estos archivos son<br />
guardados.
AC<strong>PrePost</strong> - Materi<strong>al</strong>es<br />
PAGE 9<br />
ACP cuenta con un “árbol” que ayuda en la organización del “setup”. La figura<br />
muestra como crear un materi<strong>al</strong> y cargar sus propuedades elásticas en las<br />
diferentes direcciones.
AC<strong>PrePost</strong> – Límites de tensión y deformación<br />
PAGE 10<br />
En la misma ventana “Materi<strong>al</strong><br />
Properties”, es posible introducir los<br />
v<strong>al</strong>ores límite de tensión, de deformación<br />
y otros parámetros del materi<strong>al</strong>, que<br />
serán utilizados en el post proceso de<br />
acuerdo con el criterio de f<strong>al</strong>la<br />
seleccionado (o combinación de ellos).<br />
En ACP se encuentran disponibles los<br />
siguiente criterios de f<strong>al</strong>la: tensión<br />
máxima, deformación máxima, Tsai-Hill,<br />
Tsai-Wu, Hoffman, Hashin , Puck y LaRC.
AC<strong>PrePost</strong> – <strong>Importación</strong> y exportación de materi<strong>al</strong>es<br />
PAGE 11<br />
Es posible, una vez creados los materi<strong>al</strong>es,<br />
exportar el listado de propiedades a un<br />
archivo “.csv”. De manera similar, si se<br />
dispone del archivo “.csv” (exportado<br />
previamente, exportado y luego modificado,<br />
o creado con el formato correspondiente)<br />
con el listado de materi<strong>al</strong>es y sus<br />
propiedades, también es posible<br />
importarlos en ACP.
AC<strong>PrePost</strong> – Telas (fabrics)<br />
PAGE 12<br />
Una vez creados los materi<strong>al</strong>es, es necesario crear las telas (fabrics). El parametro<br />
fundament<strong>al</strong> a cargar en esta ventana es el espesor de la lámina. También es<br />
posible cargar el precio por unidad de superficie y los coeficientes de “draping”.<br />
ACP tiene la capacidad de determinar la orientación fin<strong>al</strong> de las fibras una vez<br />
dispuestas sobre la forma a copiar (la diferencia es muy significativa en regiones<br />
de doble curvatura). Para ello utiliza los “draping coeficients”.
AC<strong>PrePost</strong> – Grupos de elementos<br />
PAGE 13<br />
Bajo el nombre de “Element Sets” ACP guarda como grupos de elementos a los<br />
“Named selections” creados en <strong>ANSYS</strong> Workbench. En este caso solo usaremos el<br />
grupo “All_Elements”. La figura muestra cómo pedir a ACP que utilice las<br />
superficies de la geometría como planos medios de los elementos.
AC<strong>PrePost</strong> – Sistemas de referencia<br />
PAGE 14<br />
ACP permite crear tantos sistemas de referencia como<br />
resulte necesario para dar las orientaciones deseadas<br />
a las fibras. Para el tubo estudiado, se utiliza un<br />
sistema de referencia cilíndrico que define como<br />
dirección de referencia del materi<strong>al</strong> a todas las<br />
circunferencias del cilindro.
AC<strong>PrePost</strong> – Grupos de elementos orientados<br />
PAGE 15<br />
Cuando se crea un OES se define, para un grupo de elementos<br />
seleccionado, una dirección norm<strong>al</strong> a la superficie y el, o los,<br />
sistemas de referencia que permiten orientar las fibras. La norm<strong>al</strong><br />
sirve de referencia en el “apilamiento” de las distintas láminas que<br />
forman el laminado.
AC<strong>PrePost</strong> – Norm<strong>al</strong> y dirección de referencia<br />
PAGE 16<br />
Norm<strong>al</strong>es<br />
Direcciones de<br />
referencia del<br />
materi<strong>al</strong>
AC<strong>PrePost</strong> – Creación de grupos de laminados<br />
PAGE 17<br />
Desde el punto de vista constructivo, un laminado se<br />
obtiene a partir de apilar múltiples láminas. En ACP, un<br />
laminado se define creando un “plygroup”, dentro del<br />
cu<strong>al</strong> se incorpora una pila de láminas (“ply”).
AC<strong>PrePost</strong> – Grupos de laminados<br />
PAGE 18<br />
Cada “ply” utiliza un grupo de elementos orientados (OES), una tela o fabric<br />
(también podría ser un stackup o sublaminate), su orientación respecto de la<br />
diracción de referencia, reglas (de existir) y efecto de “draping”.
AC<strong>PrePost</strong> – Visu<strong>al</strong>izaciones del laminado<br />
PAGE 19<br />
ACP permite visu<strong>al</strong>izar las diferentes capas que componen el laminado y sus<br />
orientaciones respecto de la dirección de referencia del materi<strong>al</strong>.<br />
De haber considerado el efecto de “draping” también sería posible visu<strong>al</strong>izar la<br />
dirección fin<strong>al</strong> de las fibras.<br />
Dirección de referencia<br />
Dirección de la fibra<br />
(Lámina a 45º)
AC<strong>PrePost</strong> – <strong>Importación</strong> y exportación de laminados<br />
PAGE 20<br />
Al igu<strong>al</strong> que con los materi<strong>al</strong>es, es posible,<br />
una vez creados los grupos de láminas,<br />
exportar el listado a un archivo “.csv”. Si se<br />
dispone del archivo “.csv” (exportado<br />
previamente, exportado y luego modificado,<br />
o creado con el formato correspondiente)<br />
con el listado de grupos, también es<br />
posible importarlos en ACP.
AC<strong>PrePost</strong> - Análisis<br />
PAGE 21<br />
Entre otros archivos, el análisis del modelo devuelve uno de<br />
resultados con extensión “.rst” que, <strong>al</strong> ser importado en ACP,<br />
permite visu<strong>al</strong>izar los resultados generados.<br />
Wb_model_SYS.out<br />
1<br />
Wb_model_SYS.rst<br />
…<br />
3<br />
2
AC<strong>PrePost</strong> – Resultados del análisis (Estático)<br />
PAGE 22<br />
Deformaciones tot<strong>al</strong>es. El extremo<br />
derecho no sufre desplazamientos<br />
axi<strong>al</strong>es ya que así se han definido<br />
las restricciones cinemáticas en<br />
<strong>ANSYS</strong> Workbench.<br />
Tensión norm<strong>al</strong> en la dirección<br />
“1” del materi<strong>al</strong>. De acuerdo con<br />
el sistema de referencia elegido,<br />
esta tensión ocurre en el sentido<br />
circunferenci<strong>al</strong>.
Procedimiento gener<strong>al</strong><br />
PAGE 23<br />
1. Abrir <strong>ANSYS</strong> Workbench<br />
2. Seleccionar el tipo de análisis<br />
3. Crear o importar la geometría<br />
<strong>ANSYS</strong><br />
WORKBENCH<br />
(<strong>ANSYS</strong> Classic)<br />
<strong>ANSYS</strong><br />
MECHANICAL<br />
4. Abrir <strong>ANSYS</strong> Mechanic<strong>al</strong><br />
5. Definir <strong>al</strong>gún materi<strong>al</strong>es y espesor (Serán ignorados por<br />
ACP)<br />
6. Generar la m<strong>al</strong>la<br />
7. Crear los grupos (Named Selections)<br />
8. Re<strong>al</strong>izar el “setup” para el análisis, definir cargas y soportes<br />
9. Guardar el proyecto<br />
<strong>ANSYS</strong><br />
COMPOSITE<br />
PREPOST<br />
.dat<br />
10.Iniciar ACP<br />
11.Crear los materi<strong>al</strong>es<br />
12.Crear las telas e intermediarios<br />
13.Crear los sistemas de referencia necesarios<br />
14.Crear las direcciones de referencia para cada conjunto de<br />
elementos<br />
15.Definir los grupos de láminas<br />
16.Ejecutar el análisis del modelo<br />
17.Importar los archivos de resultados<br />
18.Crear visu<strong>al</strong>izaciones<br />
.dat<br />
+<br />
Lay-up<br />
SOLVER<br />
.rst<br />
.out
Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo<br />
PAGE 24<br />
Utilización de varios sistemas de referencia para orientar los materi<strong>al</strong>es:<br />
Solo 1 sistema<br />
de referencia<br />
Mas de 10 sistemas de<br />
referencia
Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo<br />
PAGE 25<br />
Uso de “rules”:
Algunas herramientas de ACP no utilizadas en el trabajo<br />
PAGE 26<br />
Empleo de ”Draping coefficients”:<br />
Dirección de las fibras<br />
cuando se utilizan «draping<br />
coefficients»<br />
Dirección de<br />
referencia<br />
Dirección<br />
de las fibras<br />
Tela<br />
Representación de<br />
la tela cubriendo la<br />
semi-esfera.