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T É CNICO

Simulación de choques en SolidWorks

Resumen Ahora SolidWorks® permite a los ingenieros de diseño realizar pruebas de choque iniciales en sus diseños con facilidad y rapidez, a pesar de que su ejecución conlleva el estudio de decenas de miles de pasos muy pequeños para capturar los resultados a microsegundos del impacto. Este documento analizará lo que un usuario debe hacer para realizar una prueba de este tipo, las clases de resultados que obtendrá y la tecnología relacionada con estas simulaciones. Para el usuario, las pruebas de choque se realizan como cualquier otro análisis de SolidWorks.

Definición de un estudio ¿Cómo se pueden proteger las piezas en funcionamiento de su asistente personal digital (PDA) o su teléfono móvil si alguien tira de su brazo cuando lo está usando o el aparato cae al suelo? ¿O qué le sucede a la estructura de un tanque de almacenamiento si la grúa que lo transporta lo deja caer? Hasta ahora, para conocer los resultados de estos accidentes era necesario realizar pruebas físicas que destrozaban las estructuras que se querían estudiar o realizar Análisis por elementos finitos (FEA) muy complejos de respuesta no lineal y dinámica que resultan más adecuados para simular los choques de los automóviles. En SolidWorks Simulation, puede configurar una prueba de choque igual que cualquier otro estudio.

Paso 1: Defina el estudio y elija el material El usuario abre un estudio y lo denomina “prueba de choque”. A continuación, especifica el material si aún no se definió en el modelo de SolidWorks. Se pueden asignar diferentes materiales a diferentes componentes de un ensamblaje. Luego el usuario abre el menú de configuración.

Ahora SolidWorks permite a los ingenieros de diseño realizar pruebas de choque iniciales en sus diseños con facilidad y rapidez. Configurar una prueba de choque es como configurar cualquier otro estudio.

Figura 1: Los materiales definos en SolidWorks están disponibles inmediatamente para realizar pruebas de choque, lo que le permite ahorrar un tiempo valioso.

Paso 2: Especifique la altura del choque, al igual que la orientación y la dureza del suelo Al configurar el estudio, el usuario elige especificar la altura del choque (es decir, la distancia al impacto) o la velocidad en el momento del impacto, que puede definirse con un estudio de movimiento realizado antes de la prueba de choque. Si opta por un estudio de altura, el usuario define si se mide desde el centro de gravedad (o el centro del objeto) o desde la parte inferior del objeto, introduciendo además la dirección de la gravedad o la orientación del objeto cuando cae. Cuando especifica una altura de choque, el programa calcula automáticamente la velocidad justo antes del impacto (2Gh)1/2 (G indica la gravedad y h, la altura del choque. La velocidad es la raíz cuadrada de 2*gravedad*altura). El ángulo predeterminado del suelo o de otra superficie sobre la que choque el objeto es normal a la gravedad. Sin embargo, el usuario puede cambiar ese ángulo y, si lo desea, introducir datos sobre la fricción que podría experimentar el objeto al chocar contra el suelo. Dicha fricción depende del material de la superficie sobre la que choca, como por ejemplo, asfalto u hormigón. Además, se supone que el suelo predeterminado es relativamente mucho más duro (o rígido) que el objeto que choca. Los usuarios pueden cambiar el suelo para que sea más flexible y especificar su dureza; un suelo de madera tiene una dureza diferente de la de un suelo alfombrado, por ejemplo. También pueden simular una interacción entre los componentes dentro de un ensamblaje (vea la Figura 4) luego del impacto, especificando las caras o las superficies de los diversos componentes que pueden entrar en contacto. SimulaciÓn de choques en SolidWorks

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Figura 2: SimulaciÓn de la prueba de choque de un ensamblaje de teléfono mÓvil con SolidWorks. La simulación de un choque es muy fácil. 1. Defina un estudio y elija los materiales. 2. Especifique la altura del choque, al igual que la orientación y la dureza del suelo. 3. Realice el análisis y estudie los resultados.

Figura 3: Puede definir la orientaciÓn del modelo fácilmente, al igual que la altura de choque.

Figura 4: Este ensamblaje de binoculares muestra la transferencia de tensiÓn de un lado del ensamblaje al otro mediante un conector de pasador.

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Paso 3: Ejecute el análisis y estudie los resultados Para aprovechar al máximo la simulación, es necesario responder algunas preguntas antes de realizar el análisis: A. ¿Por cuánto tiempo se debe observar o capturar la solución luego del impacto? El tiempo de la solución luego del impacto se mide en microsegundos. La duración total depende del tiempo transcurrido antes de que el objeto experimente toda la tensión probable del impacto luego de rebotar contra el suelo. Si un usuario desea registrar impactos secundarios, la duración será mayor. Cuando el objeto que se está estudiando choca contra el suelo, se origina una onda de tensión desde el punto de impacto que recorre toda la longitud del objeto y luego regresa al punto de partida. Este efecto es similar al efecto de onda cuando una piedra choca contra el agua de un estanque. SolidWorks Simulation calcula internamente el tiempo que tardaría esta onda en trasladarse a lo largo del objeto unas pocas veces y da por sentado que todas las tensiones importantes se producirían y capturarían en ese tiempo. Piense en un planeador de juguete que choca de frente contra el suelo. La onda de tensión se genera desde la parte delantera del planeador que choca contra el suelo y luego pasa por el ala y la cola.

SolidWorks puede mostrar resultados de impactos primarios y secundarios.

Para estudiar los impactos secundarios, es necesario extender el tiempo de la simulación considerablemente. El automóvil de juguete que se muestra a continuación es un ejemplo en que puede verse fácilmente, ya que al chocar golpea primero las ruedas traseras y luego las ruedas delanteras, lo que provoca un impacto inicial y uno secundario.

SimulaciÓn de choques en SolidWorks

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B. ¿Cómo se seleccionan los pasos de tiempo que guardará de sus resultados? De forma predeterminada, SolidWorks guarda resultados detallados de 25 pasos y resultados de ubicación de 20 pasos dentro de cada paso principal. Puesto que cada simulación puede tener decenas de miles de pasos de tiempo, es conveniente guardar sólo los importantes, en lugar de desperdiciar recursos informáticos en la serie completa. Un usuario puede recortar más tiempo de las ejecuciones de un análisis realizando una ejecución preliminar con la configuración predeterminada para obtener resultados iniciales. Con esta ejecución, el usuario puede elegir las ventanas de tiempo que desea ajustar, lo que ahorra tiempo en la solución general.

Figura 5: VariaciÓn de tensiÓn con el tiempo luego del impacto en dos ubicaciones diferentes de en modelo.

C. ¿Por qué desea realizar pruebas de choque en el entorno de SolidWorks? Como se ilustró en el tanque de propano de la Figura 6, la realización de una prueba de choque en SolidWorks facilita el estudio del impacto de los objetos que chocan en diferentes orientaciones. Los contenedores que transportan materiales peligrosos, por ejemplo, tienen diferentes requisitos de diseño que se deben considerar porque chocan en diferentes orientaciones. Las simulaciones de choques de SolidWorks también son compatibles con la plasticidad, de modo que los ingenieros puedan determinar deformaciones permanentes, como abolladuras luego del impacto. Los plásticos y los metales presentan deformaciones permanentes (definición de plasticidad) cuando la tensión supera sus puntos de flexibilidad. Por ejemplo, un sujetapapeles perderá su forma cuando se doble más allá de un determinado punto. Las pruebas de choque analizadas aquí pueden ilustrar tal comportamiento del material junto con el análisis del impacto.

SimulaciÓn de choques en SolidWorks

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SolidWorks facilita el estudio del impacto en objetos que chocan en diferentes orientaciones.

FIGURA 6: Los tanques de propano que chocan en diferentes orientaciones muestran resultados de tensiÓn significativamente diferentes.

Tecnología utilizada en el análisis de choque rápido Si bien los usuarios experimentados de SolidWorks están familiarizados con los pasos para realizar pruebas de choque, la tecnología de las mismas es más compleja de lo que parece. Para simular el choque y el impacto de un objeto contra una superficie dura, el software de simulación tiene que resolver la siguiente ecuación de manera iterativa, ya que a medida que el objeto cae y choca contra el suelo, las fuerzas y la rigidez cambian. [M]{a} + [C]{v} + [K]{x} = {F} Donde: M = matriz de masa C = matriz de amortiguación K = matriz de rigidez F = vector de fuerza externa

a = vector de aceleración v = vector de velocidad x = vector de desplazamiento

El Análisis por elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA) puede utilizar dos métodos para resolver esta ecuación, denominados soluciones implícitas y explícitas. La simulación de choque en SolidWorks utiliza la tecnología de solución explícita. Si bien ambos métodos son igualmente precisos, las soluciones implícitas de problemas de impacto, como las pruebas de choque, demoran más tiempo en resolverse. El motivo es el siguiente: los solucionadores (solvers) implícitos calculan primero el desplazamiento “x”, por lo que invierten la matriz de rigidez. Todas las computadoras tienen que trabajar con mayor intensidad y durante más tiempo en la inversión de la matriz que en la multiplicación de la matriz (el método utilizado por los solucionadores explícitos).

El Análisis por elementos finitos (Finite Element Analysis, FEA) puede utilizar dos métodos para resolver ecuaciones de choque, denominados soluciones implícitas y explícitas. La simulación de choque en SolidWorks utiliza la tecnología de solución explícita. Si bien ambos métodos son igualmente precisos, las soluciones implícitas de problemas de impacto, como las pruebas de choque, demoran más tiempo en resolverse.

El método explícito calcula las aceleraciones y, por lo tanto, sólo tiene que invertir la matriz de masa. Esto resulta mucho más fácil, ya que se trata de una matriz diagonal. Por otro lado, las técnicas explícitas tienen la desventaja de requerir incrementos de tiempo muy pequeños para brindar una solución adecuada y estable. Si bien los problemas reales generalmente pueden resolverse con cualquiera de los dos métodos, un método puede resultar más rápido que el otro, según la naturaleza del problema. Los problemas lineales que tienen cargas de variación lenta sin componentes dinámicos son más rentables o se solucionan más rápido con métodos implícitos. Sin embargo, la solución de los problemas con cargas de corta duración, como las pruebas de choque o de impacto, consume menos recursos con métodos explícitos. La solución de los problemas con un comportamiento no lineal bruto que requiere una actualización constante de la matriz de rigidez también consume menos recursos con métodos explícitos.

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Conclusión La velocidad obtenida mediante la tecnología y la facilidad de uso de SolidWorks permite que los usuarios puedan realizar pruebas de choque en sus diseños de manera sencilla y agrega otra dimensión a la simulación inicial general. Los ingenieros de diseño pueden realizar pruebas de choque iniciales en sus diseños de manera fácil y rápida, a pesar de que la ejecución de las mismas implica el estudio de decenas de miles de pasos muy pequeños para capturar los resultados a microsegundos del impacto. Para el usuario, las pruebas de choque se realizan como cualquier otro análisis de SolidWorks. Configurar una prueba de choque es como configurar cualquier otro estudio.

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