Ansys Workbench

UPS IMA Modelado y análisis en Ingeniería

Carrera de Ingeniería Mecánica Automotriz

Autor: José Bermeo Vallejo

Julio 2012 Cuenca – Ecuador

Introducción

Las herramientas de análisis en ingeniería que se disponen en la actualidad es bastante numeroso, y cada vez las versiones son mejoradas saliendo con herramientas adicionales que realizan análisis más complicados. El presente documento es una muy breve introducción al modelado y análisis para la ingeniería, se toman tres módulos de ANSYS Workbench versión 12.1. Contiene información detallada sobre cada uno de los componentes o herramientas de uso muy común, realiza además análisis cinemático de un mecanismo de cuerpos múltiples, y para concluir el documento se hace un análisis de los esfuerzos a los que está sometido un sistema de suspensión por ballesta y aun que se simplifica mucho sirve para entender la parte de preproceso que puede realizar ANSYS.

Objetivos:

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Conocer el entorno y herramientas de ANSYS Workbench para análisis en ingeniería

-

Modelar elementos sólidos con el módulo Design Modeler

-

Analizar cinemáticamente mecanismos de cuerpos múltiples

-

Examinar los esfuerzos y deformaciones mecanismos de cuerpos múltiples.

dinámicamente

Se anima al lector a continuar con la profundización de los temas aquí tratados, pero además poseer una buena base teórica sobe el tipo de análisis que quiere realizar, puesto que ANSYS exige y permite configuración de muchos datos de entrada.

Capítulo 1. Entorno de ANSYS Workbench Versión 12.1

En versiones antiguas de modelado y análisis con ANSYS no se disponía de un entorno muy amigable, y exigía conocimientos de algunos lenguajes de programación para realizar los modelos y de igual manera para realizar los análisis. ANSYS ha evolucionado con el tiempo y ha desarrollado una plataforma o banco de trabajo muy cómoda para desarrollar un proyecto, esta plataforma es WORKBENCH y en esta están reunidos todos los módulos que dispone ANSYS, y se los puede acceder cada vez que sea necesario. Para acceder al Workbench, se recomienda hacerlos desde Inicio – Todos los programas – ANSYS 12.1 – Workbench. Cuando desplegamos la carpeta ANSYS 12.1 podremos ver varios elementos disponibles, pero en este curso se hara una introducción a ANSYS con Workbench.

No se recomienda crear accesos directos para los módulos de ANSYS, puesto que esto genera conflictos cuando se mandan a ejecutar.

Figura 1.1 Forma recomendada para acceder a ANSYS Workbench.

Una vez que se tiene abierto workbench, básicamente tendrémos dos subventanas el Toolbox y la de Project Schematic, además de estas dos, qe son las indispensables para trabajar, tendremos una subventana de Messages cuya misión es unicamente informativa. El entorno básico de workbench se muestra en la figura 1.2.

Figura 1.2 Entorno básico de ANSYS Workbench

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-

Toolbox. En esta sub ventana se tienen todos los módulos para análisis mutifísico, y vienen ordenados en cuatro subgrupos que son: o Analysis System. Son plantillas predefinidas que se pueden ubiciar en la sub ventana de Project Schematic. Abarcan las tres etapas de la simulación que son Preproceso, Etapa de cálculo y postproceso o Component System. Son aplicaciones que permiten complementar el análisis de un sistema o tendrán tareas específicas de las etapas de la simulación. o Custom Systems. Se agrupan módulos específicos, vienen algunos predefinidos pero permite ser personalizado por el usuario. o Design Exploration. Herramientas de optimización o administración de parámetros. Project Schematic. En esta sub ventana se ubican de manera esquemática los módulos, pudiéndose vincular entre ellos haciendo posible la evaluación multifísica de un sistema.

Para ubicar un módulo dentro del Project Schematic, se selecciona el módulo y se arrastra o se le da doble click.

Figura 1.3 Ubicación de algunos módulos y vinculación entre los mismos

En la figura 1.3 en el Project schematic se ha vinculado una geometría, cuyo módulo es del grupo Component System a los módulos del Analysis System. Se pueden observar unos símbolos al lado derecho de las celdas de los esquemas del Project schematic, es conveniente detallarlos y se comenta a continuación.

Solo el contorno de un signo de interrogación indica que no se tiene ninguna información para procesar Revisar esta celda para corregir algún error de esta celda o las superiores Se debe actualizar luego de de que se ha hecho algún cambio en celdas superiores Es necesario recalcular para obtener una nueva solución OK Se espera actualización de celdas superiores para terminar su etapa del procesos

1.1 Menús Antes de realizar cualquier trabajo existen ciertos parámetros que configurar de acuerdo al trabajo que vayamos a realizar, las unidades por ejemplo vienen con una configuración por defecto, además podemos conocer de un vistazo ciertas propiedades de los esquemas ubicados en el Project esquematic o incluso su ubicación en archivos. Revisemos brevemente lo comentado. 1.1.1 Properties. Las propiedades de los esquemas, se ejecuta desde el menú View (figura 1.4) y al hacer click en Properties, se abre la subventana Properties of geometry según se tiene en la figura 1.5, y nos muestra la ubicación del archivo y los contenidos del mismo. Como ejemplo está seleccionado en el esquema de Static Structural y registra solid bodies, surface bodies y demás valores de la geometría que se está utilizando en el proyecto.

Figura 1.4 Proceso para abrir las propiedades de los sistemas de análisis del proyecto.

Figura 1.5 Properties del elemento Geometry, tiene registrado con un visto bueno todos sus valores

Lo que respecta a la columna Value, mostrará el resultado que podremos obtener de un determinado elemento, es decir variará de acuerdo al análisis del sistema que estemos realizando.

1.1.2 Units Por defecto, las unidades que vienen registradas esta en el Sistema Métrico, pero lo podemos cambiar en el menú Units, como tenemos en la figura 1.6, de este se desprenden los sistemas de unidades en que podemos trabajar, al hacer click sobre cualquiera de estos quedará seleccionado con el sistema de unidades que sea requerido.

Figura 1.6 Selección del sistema de unidades

Capítulo 2. Design Modeler

En el presente capítulo se trabajará con el modelado de elementos sólidos, es el capítulo más extenso pero de mayor importancia en el presente curso, los elementos que se generen podrán luego ser utilizados para cualquier análisis con los módulos disponibles de ANSYS, por ende merece mucha atención y práctica para aproximar nuestro modelo a una pieza que luego podría ser construida luego de la etapa de simulación y conformidad de resultados. El módulo de Design Modeler permite el modelado de sólidos o superficies en pocos pasos de acuerdo a la complejidad de la pieza a evaluar, sin embargo existe gran cantidad de herramientas que facilitan su ejecución y el proceso es muy similar al de otros paquetes de CAD, pero además permite importar o exportar geometrías realizadas de otros o a otros programas. En el medio los más utilizados son Autodesk Inventor o Solid Works, dependerá de la familiaridad y destreza que tenga el diseñador para realizarlo en uno u otro y así poder trabajar en ANSYS, con la extensión adecuada del archivo, no existen mayores pérdidas de la fidelidad del dibujo original. Además del entorno normal de diseño, se pueden generar modelos a partir de un código Script, se utiliza para definir o variar ciertos parámetros que luego se van a utilizar con mucha frecuencia. Por el corto tiempo y la necesidad de conocer el lenguaje no se asuntará en el documento.

2.1 Entrono de Design Modeler Al igual que se lo hizo con Workbench, conoceremos un poco del entorno de este módulo, no se utilizarán todas sus aplicaciones pero se conocerán las más importantes a fin de obtener un producto aceptable. En primera para ejecutarlo, una vez que tengamos Workbench abierto, desprendemos del Toolbox el grupo de Component Systems, seleccionamos Geometry y lo podemos arrastrar o hacer doble click, y tendremos a Design Modeler en le Project Eschematic.

Figura 2.1 Ubicación de Design Modeler en el Project Schematic

Aparecerá el ícono de este módulo seguido por la palabra Geometry, justo debajo su ubica un cubo seguido de la palabra Geometry nuevamente y a su derecha un símbolo de esta, que ya se explicó en el capítulo anterior. Al final nuevamente está la palabra Geometry resaltada de azul indicando que puede ser cambiada por un nombre más específico, de no hacerlo en ese momento se lo puede realizar haciendo doble click sobre su palabra de identificación y se habilitará su edición. SI hacemos click derecho sobre el elemento de la geometría (como se indica en la figura 2.2), aparecerá un pequeño menú, las dos primeras opciones nos muestran New geomatry e Import geometry respectivamente, si nuestro objetivo es crear una nueva geometría seleccionamos la primera opción, y si se desprende el submenú para importar una geometría, nos permitirá buscar una geometría que tengamos ya realizada. Algunos de las extensiones soportadas por ANSYS Design Modeler son: -

iges (estándar) iam, ipt (Inventor), SLDPRT (SolidWorks) par, asm (SolidEdge) model (CATIA V4) CATpart (CATIA V5) Entre otros

Y la extensión de DM (Design Modeler) es *.agdb.

Figura 2.2 Menú de opciones de DM Geometry

Al seleccionar New Geomatry se abrirá la ventana de DM en la cual se pueden realizar la o las geometrías que requeramos. El entorno se muestra en la figura 2.3. Inmediatamente cuando se abre DM, aparece un cuadro de definición de unidades, que adiferencia de la configuración de unidades del Workbench que son para el análisis, estas indicarán el dimensionamiento del objeto a realizar. En la figura 2.3, se han enmarcado ciertos componentes de la ventana, que siempre permanecerán visibles en todo momento. Graphics será donde se realicen todas las operaciones, dentro del rectángulo azul (parte superior izquierda) se encuentra el Tree Outline en el que se va a mostrar un diagrama de flujo del trabajo que vamos realizando. En el rectángulo verde (parte inferior derecha) tenemos el Triad que nos indicará la orientación de los planos de trabajo, sirve también para cambiar en una dirección u otra de trabajo. En el rectángulo negro (parte inferior central) tenemos la Ruler que nos servirá de referencia de las dimensiones de un objeto, varía su escala automáticamente de acuerdo al zoom que se realice, finalmente en el rectángulo rojo (parte inferior izquierda) está el indicador de estado del programa, al estar en Ready, el programa estará disponible para realizar cualquier acción.

Tree Outline

Graphics

Figura 2.3 Ventana de DM

Triad y Ruler aparecerán en todos los entornos de los módulos sin importar el análisis que se realice. El Tree Outline irá cambiando de nombre según el módulo, pero la función que cumple será la misma en todos los casos. Otro cuadro de mucha importancia es el Details View, nos mostrará propiedades de los objetos que estemos contruyendo, varíará de una aplicación a otra pero siempre nos podemos referir a esta ubicación para obtener o variar alguna información específica. Se comentó que al iniciar el DM se abrirá un cuadro de configuración de unidades, se podrá seleccionar cualquiera de las opciones de dimensiones, incluso setearlas o fijarlas activando las opciones que aparecen en la parte inferior. La primera opción indicará que siempre se van a utilizar las unidades configuradas en Workbech y la segunda fijará el sistema de unidades seleccionadas en el mismo cuadro. La tercera no está disponible en versiones nuevas de Workbench y sirve para habilitar modelos de dimensiones bastante extensas.

Figura 2.4 Cuadro de configuración de dimensiones de modelado

2.2 Herramientas de selección

Existen varias modalidades para seleccionar, dependiendo de si el trabajo es con un boceto o con un objeto tridimensional. En la figura 2.5 se pueden ver las dos modalidades, las dos flechas de la izquierda sirven para trabajar con boceto, siendo la primera de la izquierda para realizar una nueva selección y deseleccionar las que se hayan seleccionado y la siguiente permite conmutar (figura 2.6) entre selección simple por objeto o varios objetos a la vez al formar un rectángulo clickando y arrastrándo de modo que los objetos que queden dentro del mismo serán seleccionados. En la parte derecha se tiene cuadro modalidades para trabajar con objetos tridimensionales, siendo esto indicado por un cubo y una flecha al interior de este. El primer modo empezando desde la derecha permite seleccionar todo el sólido, el siguiente selecciona solo una cara, el tercero selecciona una aristay finalmente selecciona un vértice. Es posible seleccionar varios objetos a la vez presionando ctrl y clickando los objetos a seleccionar.

Figura 2.5 Modalidades de selección

Figura 2.6 Conmutación entre selección simple o varios al formar un rectángulo.

Figura 2.7 Selección de vértices, aristas y caras.

Las modalidades de selección se mantienen de igual manera para los demás módulos propios de ANSYS. 2.3 Herramientas de visualización Para visualización de los objetos de igual manera se disponen de varias herramientas, tanto en las barras de herramientas superiores como al hacer click derecho (RMB). Se generaliza barras de herramientas superiores, por que estas no son flotantes. Empezaremos por las barras superiores

Figura 2.8 Herramientas de visualización ubicadas en las barras de herramientas superiores.

Gira el objeto respecto un eje arbitrario en dirección del desplazamiento del mouse Desplaza el objeto en un plano Hacia arriba incrementa el zoom, hacia abajo reduce el zoom Aumenta el zoom localmente, se forma un rectángulo y lo que quede dentro de este se maximiza en la pantalla Graphic Presenta a todo el objeto dentro de la pantalla disponible Incrementa el zoom localmente y lo presenta en una pantalla pequeña Retorna a una visualización anterior Retorna a una visualización posterior, si está en color gris está deshabilitado Presenta una vista isométrica Muestra el plano activo Conmuta la visualización o no del objeto Ver en dirección normal a un plano seleccionado o un plano activo

Más herramientas de visualización y selección, tenemos al hacer RMB sobre la Graphics de DM, tendremos dos mubmenus que al desprenderlos observaremos con la primera opción Slection Filter que presenta las herramientas ya vistas y otras adicionales.

Figura 2.9 RMB y submenú de Selection Filter

Figura 2.9 RMB y submenú de VIEW

Es un método mas directo de visualizar las herramientas, con View podemos ver al objeto desde diferentes vistas y se van conmutando de acuerdo a la que se seleccione, así es Front para vista frontal, Back para vista posteriror, Right para vista lateral derecha, Left para vista lateral izquierda, Top para vista superior y Bottom para vista inferior. Dos herramientas adicionales son las apuntadas con las flechas, la primera Isometric View (flecha negra) permite visualizar al objeto en vista isométrica y, Zoom to fit (flecha verde) visualiza a todo el objeto dentro de la pantalla Graphic. Por último el mouse también permite conmutar herramientas definidas por defecto, a excepción del clickl izquierdo que ejecutará la orden que se la haya fijado, es decir selección o visualización u otra, el scroll del mouse amplia o reduce el zoom si de lo desplaza hacia arriba o abajao, al presionar CTRL + Scroll permite desplazar el objeto en un plano paralelo al de su visualización actual, si desplazamos el mouse manteniendo presionado el Scroll podremos rotar el objeto respecto de un eje arbitrario, y con el click derecho arrastramos para formar el rectángulo que maximizará localmente la parte seleccionada dentro del rectángulo.

2.3 Sketching (Boceto) DM trabaja de manera similar a otros paquetes de CAD, para generar sólidos parte de un boceto con características paramétricas, permitiendo construirlos intuitivamente realizando dibujo de manera rápida y sencilla que luego pasará a ser un modelo tridimensional, los mismos que servirán para un posterior análisis.

Figura 2.10 Herramientas de Sketching

En la parte izquierda de la ventana del DM, conde se ubica el Tree Outline, en su parte inferior se tienen dos pestañas, inicialmente estará seleccionada Modeling, y junto a esta se ubica la pestaña Sketching, al activarla se cambiara a las herramientas de boceto o Sketching Toolboxes como se muestra en la figura 2.10, tenemos Toolboxes que permitirán crear el boceto, de forma general estas permitirán: -

Drawing. Podemos dibujar líneas, rectángulos y splines Modify. Modifican el dibujo sea moviéndo, recortándo, alargando, pegando, etc. Dimension. Permite dimensionar convenientemente del boceto, se longitud o distancia, ángulos, diámetros, etc. Constraints. Restringe el boceto a cirtas condiciones geométricas como paralelisvo, verticalidad, tangencia, simetría, etc. Settings. Configura las cuadrículas del plano base en el que desarrollemos el boceto.

Se mensionó que la elaboración del sketch es bastante intiutivo, las herramientas vendrán con su ícono acompañado de la descripción de su función. En la figura 2.11 se muestra el contenido de cada toolbox y se detallará brevemente la función de cada uno y más tarde con un ejemplo se verá mejor su utilización.

- Line: crea una línea recta entre dos puntos seleccionados con el cursor del mouse cobre el plano de trabajo. - Tangent line: crea una línea tangente a una curva y hasta un punto que seleccionemos - Line by 2 tangents: crea una línea tangent entre dos curvas - Polyline: Crea un grupo de líneas contínuas en una o varias direcciones, puden formar un circuito abierto o cerrado - Polygon: crea un polígono, al activar la herramienta nos permite ingresar el número de lados y para definirlo se selecciona el centro y luego su dirección y longitud Rectangle: crea un rectángulo entre dos puntos siendo el primero su inicio y el segundo su ancho y alto. Siempre mantendrá una posición de encuadre con los ejes de referencia - Rectangle by 3 points: crea un rectángulo marcando su

- Fillet: Crea una arista curvo, al activarlo permite ingresar el rádio, luego se se seleccionan las dos líneas que van a contenerlo - Chanfer: crea un chaflan definido por su longitud horizontal y vertical, al activarlo permite su ingreso. - Crea una arista rectangular entre dos líneas, seleccionando las líneas a recortar quedando la parte excluida - Trim: recorta el sobrante de una línea, se debe seleccionar la parte a recortar limitada por la curva o línea. - Extend: extiende una línea hasta una curva o línea próxima - Split at select: divide una línea o curva en

- General: Permite dimensionar cualquier objeto en el boceto en cualquier dirección. - Horizontal: permite dimensionar un objeto en dirección únicamente horizontal - Vertical: permite dimensionar un objeto en dirección únicamente vertical. Length/distance: dimensiona una longitud o una distancia - Radius: dimensióna el radio de una curva Diemeter: Dimensiona el diámetro de una curva - Angle: Acota el ángulo entre dos líneas. Semi-Automátic: Detecta automáticamente un

inicio, el segundo punto define su dirección y ancho y el tercero su alto. - Oval: Crea una figura ovoidea partiendo de la creación de una línea que define su longitud y dirección y luego se define su ancho - Circle: Crea un circulo marcando su centro y luego su radio - Circle by 3 tangents: cera un circulo tangente a tres líneas o curvas - Arc by tangents: crea un arco tangente a dos líneas o curvas - Arc by 3 points: crea un arco contenido de tres puntos - Arc by center: Crea un arco seleccionando primero su centro, luego su diámetro y finalmente su longitud - Ellipse: Crea una elipse seleccionando su centro y luego su longitud mayor y menor - Spline: crea una spline entre dos puntos - Construction Point: Crea un punto auxiliar sobre el plano de trabajo Contruction point at Intersection: crea un punto en la intersección de dos líneas o curvas

un punto seleccionado sobre la misma Drag: permite arrastrar líneas o curvas en una dirección perpendicular a la línea seleccionada - Cut: Corta una línea u objeto seleccionado a otra posición - Copy: Copia una línea a otra posición - Paste: pega una línea copiada o pegada en la ubicación especificada con el mouse Move: Permite mover, rotar o escalar. Sus funciones e conmutan con RMB - Replicate: Permite copiar un objeto con variaciones especificadas Sus funciones e conmutan con RMB Offset: Permite copiar y desplazar una línea o conjunto de estas. Se detallará más adelante - Spline Edit: Permite editar las curvas de una spline.

objeto a acotar y ubica las líneas de cota. - Edit: Permite editar las dimensiones - Move: Desplaza las líneas de dimensiones - Animate: varía una dimensión de forma dinámica para mostrar posibles valores de dimensiones - Display: Muestra en la pantalla el nombre de la dimensión, el valor o los dos.

- Fixed: fija una línea en una sola posición, las dimensiones se harán respecto a esta referencia - Horizontal: Fija una línea a una posición horizontal - Vertical: Fija un objeto a posición vertical Perpendicular: Fija perpendicularidad entre dos líneas Coincident: Crea coincidencia entre un punto y una línea - Midpoint: Fija el punto médio de una línea a un punto en el plano de trabajo - Symmetry: Crea simetría entre líneas o puntos con respecto a un eje. - Parallel: restringe a dos líneas a mantenerse paralelas. - Concentric: mantiene dos objetos concéntricos

El grid es la grilla del plano de trabajo, se lo puede activar o desactivar, al seleccionar el botón Grid, podemos activarla poniendo visto bueno en Show in 2D, y el Snap es una ayuda para dibujar partiendo desde la grilla

Podemos configurar su espaciamiento, mayor y también el menor con Major Grid spacing y Minor Grid Spacing respectivamente y además los Snaps en la grilla menor. Cada uno es configurable al hacer click sobre estos.

respecto del centro de una curva - Equal radius: crea igualdad de radios entre curvas - Equal Legth: Crea igualdad de longitud Equal Distance: mantiene igualdad de distancia entre líneas, curvas o puntos. - Auto Constraints: DM asigna auomátaicamente algunas restricciones, al activar este botón configuramos las restricciones para asignarle durante la construcción.

2.4 Working Planes (Planos de trabajo) Los planos de trabajo es el lugar en donde vamos a construir los bocetos necesarios para construir el modelo. Por lo tanto es muy importante saberlos utilizar puesto que en base a su correcta y conveniente utilización es posible darle gran detalle a nuestro modelo puesto que los bocetos los podremos manipular de acuerdo a nuestras necesidades. En DM siempre tendremos tres planos como se muestran en la figura 2.12, por ejemplo si se selecciona el plano XYPlane en el Tree Outline, vemos sus propiedades en el Detail View. En este detalle tenemos como se muestra en la figura 2.11.   

Plane: muestra el nombre del plano que puede ser cambiado Sketches: la cantidad de bocetos que tengamos en el mismo plano Export Cordinate System? Si vamos a exportar el sistema de coordenadas del plano.

Figura 2.11 Details View del plano XY seleccionado del Tree Outline

Naturalmente estos tres planos, aun que muy útiles, no son todos los planos que vamos a necesitar, en cualquier momento requeriremos un plano que este desplazado de algunos de los planos bases, e incluso con algún grado de rotación Los cuatro tipos de planos adicionales que se van a ver - aun que hay muchos más - serán suficientes para muchas aplicaciones, estos planos serán - Plano desplazado de un plano base - Plano sobre una cara de un sólido - Plano con instancia de boceto - Plano por punto y normal. Previamente a pasar a describirlos y desarrollarlos, tenemos que conocer el proceso básico para crear un plano.

Figura 2.12 Tree Outline y Detils View

2.4.1 Orientación en planos y bocetos En las barras superiores, al Tree Outline, tenemos las herramientas de orientación en planos y bocetos, estos además de permitirnos seleccionar automáticamente uno de ellos, nos permitirán crear nuevos para realizar operaciones adicionales. Este menú desprendible nos permite ubicar directamente un plano de trabajo, puesto que aquí se almacenan todos. Crea un nuevo plano de trabajo Menú despredible que almacena todos los bocetos creados y hacerlos visibles. Crear un nuevo boceto.

Figura 2.13 Details View de un plano creado

2.4.2

En la figura 2.13 el Details View tiene más propiedades que los plano de trabajo iniciales, son algunas de estas propiedades las que van a permitir crear los planos que necesitemos. Veremos únicamente las que nos van a permitir crear los cuatro planos de trabajo que nombramos anteriormente.

Plano desplazado de un plano base

Para crear un plano desplazado necesitamos conocer al menos tres cosas, respecto a que plano me voy a desplazar, que tanto requiero desplazarme y en qué dirección me quiero desplazar. El resto del procedimiento es bastante simple y se muestra los pasos.

Click en Nuevo plano de trabajo

En el Tree Outline, se observa un nuevo plano con la imagen de un rayo amarillo a su izquierda. En el Detail View, Ubicamos Base Plane, que lo podemos cambiar al que requeramos

Al hacer click sobre el nombre del plano base, cambiará de forma dándonos las opciones de Apply y Cancel, una vez que hayamos definido el plano hacemos click en Apply

Desprendemos las opciones de transformación del plano, si vamos a desplazar el plano seleccionamos el eje en el cual se va a desplazar

Indicamos el valor de desplazamiento

Damos Click en Generate para crear el plano

Se ha creado un plano desplazado respecto del plano XY en dirección del eje z con un desplazamiento de 10mm. Se puede ver el boceto de una circunferencia realizado en el plano XY.

2.4.3 Creación de un plano sobre la cara de un sólido Para crear un plano sobre un sólido, necesito que tenga una cara plana, de lo contrario necesitaremos complementos auxiliares pero no es nuestro objetivo. El proceso es bastante similar al anterior e igualmente se detallará a continuación

Click en Nuevo plano de trabajo

En el Detail View, hago sobre Type, y se habilita la opción de seleccionar el tipo de plano a crear

Seleccionamos From Face, que será un tipo de plano sobre la cara de un solido

Se habilita la opción para seleccionar la cara sobre el cual se va a crear el plano. Seleccionamos y presionamos Apply

Selección de la cara sobre la cual se va a generar el plano de trabajo

Aspecto de la cara que se ha seleccionado luego de presionar Apply

Damos Click en Generate para crear el plano

Se ha generado el plano sobre la cara plana de un sólido

2.4.4 Plano con instancia de boceto En ocasiones se va a trabajar en modelos que comprenden varios elementos, esta situación en ANSYS se conoce como Multibodys, de modo que no todos los elementos estarán sujetos a un solo punto ni estarán coplanares, pero habrán puntos de unión que serán comunes a pesar de no ser coplanares, es en este caso en que se vuelve sumamente útil crear una instancia del boceto del cual dependemos un uno a varios puntos en el nuevo plano de trabajo. Tenemos la figura 2.14, suponiendo que en la misma dirección del agujero se requiere crear otra pieza, pero va a estar ubicado a una cierta distancia en dirección X positiva. Es un caso en que es necesario crear un plano a desplazado desde la cara de la palanca y tener la referencia del centro del agujero.

Figura 2.14 Pieza de ensamble

Se crea un plano de trabajo, con los métodos aprendidos anteriormente, una vez que lo hayamos generado (figura 2.15), damos click derecho (RBM) sobre el nuevo plano creado de la lista de planos en el Tree Outline (figura 2.16), y

en menú que se desprede seleccionamos Insert y de este Sketch instance. El Details View activará las opciones para seleccionar el boceto base del cual obtendremos los contornos en el plano que vamos a trabajar. Seleccionamos el Scketch que se realtará con líneas amarillas en la ventana Graphics como se ve en la figura 2.17, pulsamos Apply y por último Generate para generar el boceto auxiliar que nos servirá para la construcción de los demás elementos.

Figura 2.15 Nuevo plano de trabajo

Figura 2.16 Selección del plano de trabajo, RMB – Insert – Sketch Instance

Figura 2.17 Selección del Sketch que se va a proyectar sobre el plano.

Se ha creado un boceto por instancia en el plano de trabajo, a partir de este se podrán crear nuevos bocetos.

Figura 2.18 Boceto creado por instancia

2.4.5 Plano por punto y normal El plano por punto y normal es de mucha utilidad cuando se requieren crear bocetos con cierto ángulo respecto de los planos bases, esto permitirá generar partes o realizar agujeros e incluso contornos de transiciones de una geometría que luego se vaya a utilizar en Loft. Al mencionar plano por punto y normal, se refiere a que vamos a necesitar un punto creado previamente en un boceto, y una línea que va a ser normal al plano, esta línea dará la inclinación al plano que va a estar perpendicular a la línea. Empezamos creando los elementos necesarios, un boceto que contenga una línea que dará el ángulo al plano, podemos crearla en cualquier plano de trabajo que hayamos creado. En la figura 2.19 se ha creado un boceto, y se ha dimensionado la longitud al punto por el que va a pasar el plano y el ángulo de inclinación de la normal (veremos su construcción más tarde) A continuación creamos un nuevo plano, y en Details View hacemos click en Type para activar las opciones de tipo de plano (figura 2.20), con esto desplegamos las opciones y seleccionamos From Point and Normal, se activarán dos filas más en el Details View solicitando el punto base y el elemento que definirá a la norma (figura 2.21).

Figura 2.19 Boceto que contiene la normal del nuevo plano a crear.

Seleccionamos el punto base haciendo click a lado derecho de Base Ponti, seleccionamos el punto por el que va a pasar el plano y presionamos Apply, como en la figura 2.22. A continuación seleccionamos la dirección de la normal que va a ser la línea creada en el boceto, de igual manera hacemos click al lado derecho de Normal Defined by, y procedemos a seleccionar la línea (figura 2.23). Figura 2.20 Selección del tipo de plano

Figura 2.21 Solicitación de selección del punto base y dirección de la normal

Figura 2.22 Selección del punto por el que va a pasar el plano.

Figura 2.23 Selección de la dirección de la normal.

Al seleccionar la dirección de la normal, se permite seleccionar el sentido positivo del plano, conmutando esto con dos flechas opuestas que aparecen al lado inferior izquierdo de la sub ventana Graphics, escogemos el que nos convenga y finalizamos con Apply. Una vez tengamos configurado todo

Figura 2.24 a) Sentido positivo hacia abajo.

Figura 2.24 b) Sentido positivo hacia arriba.

Figura 2.25 Plano por punto y Normal

2.5 3D Modeling (Modelado 3D) Se definió que ANSYS trabaja en bocetos con parámetros característicos, es decir bocetos que definan las características de lo que va a ser el modelo tridimensional, y toda modificación se la podrá hacer creando nuevos bocetos. Es necesario conocer muy bien todo lo aprendido antes, de ello depende el éxito de la creación de los modelos. En el curso se van a explicar solo algunas de las herramientas de creación de sólidos, pero que de igual manera son suficientes para la edición y detallado de los mismos. Algunas de estas herramientas las podemos encontrar en las barras superiores, cuando hacemos RMB sobre un boceto y también en el menú Create ubicado en la barra de menús junto a Files.

2.5.1 Extrude Con esta herramienta podemos generar sólidos prependiculares al plano de trabajo. Se parte de un boceto en un área cerrada a la misma que se le agregará material con un espesor especificado. Tenemos un boceto creado en un plano como se ve en la figura 2.26, son dos figuras que se pueden obtener directamente del Toolbox de dibujo. El área a extruir será la comprendida entre el hexágono y la circunferencia. 1- Selecciono extrude

Figura 2.26 Boceto a extruir

-

la

herramienta

2- Automáticamente se detecta el boceto creado, se resalta con líneas celestes (figura 2.27 a). 3- En el Details View, tenemos la información del nombre del boceto a crear (figura 2.27 b) y está señalado con la flecha negra, el segundo dato de interés es la dirección, si la seleccionamos se desplegarán cuatro opciones (figura 2.27c).

Normal: en sentido Positivo al plano de trabajo Reversed: en sentido negativo al plano de trabajo Both Symmetric: en ambas direcciones de manera simétrica respecto del plano de trabajo Both: Asymmetric: en ambas direcciones de manera asimétrica respecto del plano de trabajo. Al seleccionar esta opción se activarán dos casilleros para indicar la cantidad a extruir.

El tercer dato de interés es la longitud a extruir, señalado con la flecha amarilla, esta es la opción FD1, Depth ( > 0) que es feature Depht, y siempre debe ser mayor a cero.

Figura 2.27 b) Opciones de extrucción

Figura 2.27 a) Boceto seleccionado

Figura 2.27 c) Opciones de la dirección de extrucción

4- Una vez conforme todos los datos hacemos click en Generate.

Figura 2.28 Objeto extruido a partir de un boceto

2.5.2 Revolve Esta herramienta permite generar solido de revolución, se crea un sólido con un contorno cerrado a través de un eje respecto del cual va a revolucionar. 1- Seleccionamos la herramienta Revolve

Figura 2.29 Boceto para revolución

2- Se detecta un boceto válido y se resalta con líneas celestes (figura 2.29) 3- En el Details View se activa la opción de seleccionar el eje de revolución en el casillero de Axis (flecha verde). Tenemos además como en el caso de Extrude, podemos seleccionar la dirección de revolución que cumple con lo antes ya explicado (flecha verde), y los grados a revolucionar (flecha amarilla).

Figura 2.30 b) casilla de selección del eje de revolución, y grados de revolución

Figura 2.30 a) Selección del boceto a revolucionar.

Figura 2.30 c) Dirección de revolución

Una vez seleccionado el eje de revolución se muestra una vista previa del sólido (figura 2.31), y al mandar a generar con Genertate se tiene el sólido revolucionado como se ve en la figura 2.32.

Figura 2.31 Vista previa del sólido a revolucionar

Figura 2.32 Solido generado con Revolve

2.5.3 Sweep (barrido) Con Sweep se pueden generar sólidos con un perfil previamente creado siga una trayectoria que de igual manera se haya fijado, es decir se necesitan dos bocetos. Es recomendable que la trayectoria parta del centro del perfil a barrer. En la figura 2.33 se tiene dos bocetos creados, el perfil que va a ser el rectángulo y la trayectoria la spline, notese que los dos parten cel origen del sistema de coordenadas, el rectángulo ha sido creado en el plano XY y la trayectoria en el plano YZ. 1- Seleccionamos la herramienta Sweep (barrido)

2- El Details View pide que se ingrese el perfil Profile y la trayectoria o ruta Path. 3- Por comodidad se recomienda seleccionar los bocetos del Tree Ouline (figuras 2.35 y 2.36)

Figura 2.33 Boceto de trayectoria y forma

Figura 2.34 Details View solicitando seleccionar el perfil y la trayectória

Figura 2.35 Selección del perfil, por comodidad se lo puede seleccionar del Tree Outline

Figura 2.36 Selección de la trayectoria a barrer

Cuando se ha seleccionado correctamente los dos bocetos, cambiarán su color a celeste (Figura 2.37).

Figura 2.37 Selección correcta del perfil y la trayectoria

Finalmente mandamos a generar el sólido y el resultado se muestra en la figura 2.38.

Figura 2.38 Sólido creado con Sweep

2.5.4 Skin/loft Esta operación utiliza varios bocetos para darle transversales de acuerdo a la forma del boceto. La condición es que toso los bocetos tengan el mismo número de lados. Al tener los bocetos necesarios creados, en diferentes planos (Figura 2.39), activamos la herramienta de Skin/loft, y en las figuras siguientes se muestra el procedimiento para realizar un sólido con secciones transversales diferentes.

Figura 2.39 Bocetos creados direntes planos desplazados paralelamente entre si

Figura 2.40 DetailsView se acitica para solicitar las trayectorias a utilizar

Figura 2.41 Trayectorias seleccionadas, nótese que a su lado izquierdo se muestra la línea a seguir

Figura 2.41 Sólido generado con las trayectorias hexagonales con diferente ángulo

2.5.5 Thin/Surface Esta operación permite vaciar un sólido, permitiendo conservar algunas varas y eliminar otras dándole un espesor a la pared de las caras que quedan. Esta operación únicamente se realiza con sólidos y no con bocetos. Y para activarlo presionamos el botón que se muestra a continuación.

Figura 2.42 Sólido a vaciar

Figura 2.43 El Details View pide seleccionar las caras sea a remover o conservar, dependerá de la facilidad de selección. A la derecha de Selection type se puede desplagar un menú que permite seleccionar entre los dos tipos. Ademas se selecciona el espesor de pared a conservar, en FD1, Thickness ( >= ) 0, si se da un valor de cero, se obtendrá una superficie.

Figura 2.44 Selección de la cara a remover

Figura 2.45 Sólido vaciado, se conservan todas las caras excepto la seleccionada para remover, el espesor de las paredes se puede seleccionar o variar 2.5.6 Blend (arista curvada) Las aristas curvadas son muy comunes en elementos mecánicos, es una forma de eliminar las aristas vivas y darle un acabado mejor estéticamente hablando. Al igual que existe para el boceto también existe en la operación con sólidos, si se trabaja con este último se acitiva con el botón que se muestra a continuación.

Fi

Figura 2.46 Details View para variar parámetros de Blend

Al activar Blend, en el Details View (figura 2.46) podemos definir el radio para la curvatura (flecha amarilla), y en Geometry (flecha azul) me da la opción para seleccionar la arista a curvar.

Figura 2.47 Selección de la arista a curvar

Figura 2.48 Sólido con arista curvada.

2.5.7 Chamfer (chaflan) De igual manera, para eliminar aristas vivas se utiliza el chaflan, se tiene la opción de realizarlo en el boceto o una vez que se tenga el sólido. Si se lo va a realizar en el sólido, el botón para activarlo se muestra a continuación.

Figura 2.49 Details View al activar la herramienta Chanfer

En la figura 2.49 se muestra el Details View, nuevamente tenemos Geometry (flecha negra), que permitirá seleccionar la arista a chaflanar, las siguientes opciones son para dimensionar el chaflán, se puede variar convenientemente para lograr el chaflán necesario.

Figura 2.50 Selección de la arista a chaflanar

Figura 2.51 Arista chaflanada

2.5.8 Patern (Patrones de elementos) Los patrones sirven para copiar elementos, existen tres tipos de patrones que son: Lineales, Circulares y Rectangulares y se realizan solo con sólidos. A continuación se mostrará su proceso de operación. En la barra de menús, junto a Files, encontramos el menú Create (figura 2.52), al desplegarlo tenemos algunas operaciones con sólidos como las que se vieron anteriormente, seleccionado con azul se encuetra Patern. Al hacer click sobre este, inmediatamente el Datails View tendrá el aspecto que se muestra en la figura 2.53, en la casilla de Pattern Type (flecha amarilla), están las tres opciones que nombramos anteriormente: Linear, Circular y Rectangular.

Figura 2.52 Incio de Patern

Figura 2.53 Pattern Type desplegado mostrando los tres tipos de patrones

Patrón Lineal Este patrón permite copiar objetos en una sola dirección, se inicia seleccionando el objeto, y posteriormente la dirección en que se realizará las cópias como se ve en la figura 2.54

Figura 2.54 Selección de la dirección del patrón, es posible intercambiar el sentido de la dirección con las flechas que aparecen el lado inferior izquierdo.

En la figura 2.54 podemos dar el valor de offset o desplazamiento (flecha amarilla) y el número de copias a realizar (flecha azul).

Figura 2.55 Patrón lineal, se han realizado cuatro copias

Patrón Circular El procedimiento es bastante similar al anterior, una vez seleccionado el tipo de patrón circular y la geometría, tendremos que especificar el eje respecto del cual se van a copiar los objetos. En la figura 2.56 se puede ver el objeto seleccionado, el patrón se lo realizará respecto del eje Z, por lo que en el Tree Outline se puede seleccionar el plano YZ o XZ. Para aclarar la ubicación del eje, se apunta con una flecha de color rojo y el eje Z indica que está seleccionado al cambiar su color a amarillo.

Figura 2.56 Selección del eje respecto del cual se formará el patrón.

Figura 2.57 Patrón circular, del objeto original se han copiado tres elementos cada 45º

Se puede configurar el número de copias a realizar Copies (flecha azul) y los ángulos Angle (flecha azul) a los cuales se van a ubicar respectivamente. Patrón Rectangular El patrón rectangular realiza copias en dos ejes, de forma similar al patrón lineal se seleccionan direcciones pero en esta ocasión se necesita seleccionar dos direcciones como se muestra en las figuras 2.58 y 2.59.

Figura 2.58 Selección de la primera dirección del patrón. Para activarla en Detail View activamos Direction (flecha amarilla) y además la distancia Offset (flecha azul) y Copies (flecha verde)

Figura 2.59 Selección de la segunda dirección del patrón rectangular. Para activarla en Detail View activamos Direction (flecha amarilla) y además la distancia Offset (flecha azul) y Copies (flecha verde)

Al configurar todo lo anterior, tendremos el patrón que se muestra en la figura 2.60

Figura 2.60 Patrón rectangular

2.5.9 Body Operations – Mirror (Simetria de cuerpos) Existen operaciones adicionales que se pueden realizar con los sólidos y los encontramos con Body Operation, sin embargo este documento se centrará únicamente en la operación se simetría o Mirror. Se mencionó que estas operaciones se las puede realizar únicamente con sólidos, de lo contrario no se activarán las operaciones disponibles. El proceso para acceder a dicha operación está en la barra de menús, Create – Body Operation una vez que esté activo, el Details View tendrá la forma que se muestra en la figura 2.62 Al desplegar el menú de tipo de operación Type vemos algunas opciones, pero nos centraremos únicamente en Mirror, seleccionamos dicha operación y continuamos con el proceso.

Figura 2.61 Acceso a Body Operation

Figura 2.62 Detail View con Body Operation activo, se pueden ver todas los tipos de operación que se pueden realizar

Tenemos el sólido que se muestra en la figura 2.63, que es solo la mitad de una pieza terminada, es simétrica por la cara plana más larga a su derecha.

Al tener la operación Mirror activa, en Details View nos pide seleccionar el cuerpo al cual se va a aplicar la simetría como se ve en la figura 2.64. Una vez seleccionado el sólido, acción que se manifiesta por el cambio de color del objeto de gris a amarillo, tenemos que seleccionar el plano de simetría, que en este caso es simétrico con el plano XZ, que lo podemos seleccionar directamente del Tree Outline como se ve en la figura 2.65.

Figura 2.63 Mitad de un sólido que es simétrico a su lado derecho

Una vez que se tenga configurado lo necesario, el color del objeto toma un color verde (Figura 2.66) indicando que está listo para generar la operación. Los resultados se ven en la figura 2.67.

Figura 2.64 Selección de la pieza que tiene simetría, se debe activar Bodies (flecha negra) para indicar que se va a seleccionar el objeto

Figura 2.65 Selección del plano, se debe seleccionar Mirror Planes señalado por la flecha negra y el plano YZ en el Tree Outline señalado por la flecha azul

Figura 2.66 Operación lista para ser generada

Figura 2.67 Operación de simetría sobre el sólido.

2.5.10 Boolean (Operaciones Booleanas) Las operaciones Booleanas de modo general permiten unir piezas, sustraer material de una pieza o extraer la intersección entre dos piezas. Con DM es posible realizar las tres, veremos cada una de manera muy breve pero con el fin de entender cómo aplicar cada una. Primeramente, al trabajar con sólidos que estén en contacto, estas automáticamente se van a unir, sin necesidad de realizar ninguna operación, por lo tanto, a la pieza principal se la debe ongelar o aplicar Freeze para que no se unan las piezas al momento de realizar operaciones booleanas. Se tiene el sólido mostrado en la figura 2.68, al que se le va a congelar.

Figura 2.68 Pieza base sólida

En la barra de menús, localizamos Tools como se ve en la figura 2.69, previamente la pieza debe estar seleccionada para aplicar directamente el Freeze.

El nuevo aspecto que toma la pieza base es el la figura 2.70, si está transparente nos indica que esta correctamente aplicado el Freeze.

Figura 2.70 Pieza base congelada Figura 2.69 Acceso a Freeze

Vamos a necesitar generar un nuevo sólido que entre en contacto con la pieza congelada. Creamos un plano sobre una cara de la pieza (figura 2.71) para poder crear un boceto, en el ejemplo se va a generar un sólido a partir del boceto de un hexágono como se puede ver en la figura 2.72

Figura 2.71 Creación de un plano de trabajo sobre la cara del sólido base

Figura 2.72 Creación de un boceto en el plano de trabajo creado

A continuación extruimos el sólido una cantidad que sobresalga del sólido base como se muestra en la figura 2.73. El nuevo sólido va a tomar el nombre de pieza herramienta.

Figura 2.73 Pieza herramienta creada

En el Tree Outline de la figura 2.74 podemos ver que ahora existen dos piezas, si seleccionamos en el Tree Outline la pieza que no esta congelada (por su coloración azul), vemos que cambia en la ventana Graphics su coloración de gris a amarillo.

Figura 2.74 Pieza herramienta seleccionada desde el Tree Outline

Podemos trabajar ahora con las operaciones booleanas antes descritas. Para acceder a dicha aplicación, desplegamos el menú Create y seleccionamos Boolean como se muestra en la figura 2.75

Una vez activada la herramienta, el Datails View muestra las opciones de operación que se pueden realizar al desplegar Operation (figura 2.76)

Figura 2.76 Operaciones booleanas disponibles en Details View

Figura 2.75 Acceso a operaciones booleanas

Unite (Unión) La primera operación a realizar será unión, para esto seleccionamos Unite y a continuación ayudándonos del Tree Outline seleccionamos los dos sólidos.

Figura 2.77 Selecciión de los dos sólidos a unir

Luego de generar la opeación el aspecto de los sólidos es como se muestra en la figura 2.78, en la misma al lado del Tree Outline vemos que de dos cuerpos ahora solo se tiene uno.

Figura 2.78 Aspecto de las dos piezas unidas, nótese en el Tree Outline que antes existían dos piezas y ahora solo un sólido (flecha azul)

Subtract (sustracción) La siguiente operación permite retirar material de una pieza base, valiéndose de la pieza herramienta. Al tener Subtract activado (figura 2.79) se presentan dos casilleros, Target Bodies (flecha amarilla) que es la pieza base, y Tool bodies que será la pieza que nos servirá para eliminar el material.

Figura 2.79 Subtract

Como Target Bodies se va a seleccionar el sólido congelado, y de Tool Bodies la pieza herramienta. El aspecto final de la operación se muestra en la figura 2.80.

Figura 2.80 Aspecto final del solido base con material retirado.

Intersect (Intersección) La última operación es obtener la cantidad de material que se intersecta entre los dos sólidos. Seleccionamos de Details View dicha opción. Se activará una celda que dice Tool Bodies (figura 2.81), seleccionamos los dos sólidos y luego de generar, tendremos el resultado de la figura 2.82

Figura 2.81Selección de los dos sólidos para obtener su intersección.

Figura 2.83 Material intersecado entre los dos sólidos

Capítulo 3. Modelado de una biela de un motor CI Una vez que se tiene todo el conocimiento para modelar con algún grado de detalle, aplicaremos lo aprendido modelando una biela, su diseño es bastante simple, pero abarca la mayoría de herramientas aprendidas en el capítulo anterior. Esta misma pieza va a ser muy útil para el análisis que se hará en capítulos posteriores. Tenemos el plano con las dimensiones y vistas de la biela en la figura 3.1, primero identificamos que es una pieza que tiene simetría desde dos vistas, por lo que el trabajo se reduce a menos de la mitad.

Figura 3.1 Plano de dimensiones de la biela a modelar

Abrimos el Workbench y arrastramos el componente Desisgn Modeler ubicado en Component Systems de los Toolbox.

Figura 3.2 Ubicación de DM en el Project Schematic de Workbench y Asignación del nombre.

Nombramos Biela al componente y abrimos el DM, en el cuadro de las unidades seleccionamos milímetros y damos clik en OK. Para la vista frontal, trabajaremos sobre el plano XY, lo vamos a nombrar “Vista frontal”.

Figura 3.3 Inicio de DM y cambio de nombre al plano XY por “Vistafrontal”

Hacemos RMB y seleccionamos look at para tener la vista sobre el plano en que vamos a trabajar. Cambiamos a Sketching en el Tree Outline, y activamos el Grid y Snap, para facilitar el trabajo, asignamos el valor de 1 a los Snap per Minor para agustarnos a la grilla

Figura 3.4ª Activación de Grid y Snap

Figura 3.4b valor del Snap

Luego desplagamos el Toolbox de Draw para empezar con el boceto. Podemos iniciar trazando los dos círculos, se recomienda trabajar sobre los ejes, y luego les damos las dimensiones específicas. Luego de trazar el primer círculo sobre el eje Y, no daremos cuenta que se muestra una “P“, si trazamos sobre el punto en que se asigna, estaremos poniendo automáticamente una restricción, en este caso será Coincidet y Concentric.

Figura 3.5 Trazado de los círculos de la biela cobre el plano de trabajo.

Daremos ahora algunas dimensiones, por ejemplo la distancia entre los círculos, y la distancia del origen al círculo inferior. Para esto desplegamos el Toolbox de Dimensions y seleccionamos vertical, seleccionamos los centros de las circunferencias y luego la distancia desde el eje X al círculo inferior. Si observamos el Details View, veremos que existe una celda llamda Dimensions y debajo de esta V1 y V2, que son las dos cotas verticales que indicamos en el boceto, estas se ordenan en el mismo orden que hayamos ubicado las cotas.

La distancia entre círculos es 82mm, y los 20mm de las circunferencia de abajo se las va a ponder respecto del eje X. Podemos editar esto en el Detail Views, poniendo los datos correctos

Figura 3.5 Acotación o dimensionamiento entre circunferencias y respecto del eje X

Para crear el cuerpo de la biela, trazamos una línea inclinada desde el eje X (nuestra referencia) hasta cerca de la cabeza de la biela. Luego lo acotamos con las medidas del plano. Es hora de acotar la cabeza y pie de biela, que son las circunferencias que trazamos al inicio. Conforme el boceto se va restringiendo más las líneas se vuelven azules. Desde los extremos de la línea inclinada que se creó para el cuerpo de la biela trazamos dos líneas que pasen hacia adentro de las circunferencias, no tratemos de darle una dirección especial ni que coincida con las circunferencias.

Figura 3.6 Trazado de la línea inclinada para el cuerpo de la biela, acotación de las circunferencias de la cabeza y pie de biela y líneas de extendión del cuerpo de la biela

Las extensiones de las líneas nos servirá para luego trazar las curvas tangentes que unen el cuerpo con la cabeza y el pie de la biela. Estas líneas debe seguir la misma dirección de la línea inclinada, por lo que debemos asignarle la restricción de paralelismo.

Figura 3.7 Restricción de paralelismo de las líneas de prolongación para construir el cuerpo de biela

Desplegamos Draw y ubicamos Arc by Tangent, es esta curva la que necesitamos para trazar las uniones con el cuerpo, pero si bien debe cumplir tangencia con la circunferencia y la línea inclinada, debe tener un radio de 10mm, que lo podemos acotar luego de trazar el arco. Cuando hayamos activado la herramienta, seleccionamos la circunferencia y con al click presionado nos dirigimos a la línea, finalmente dimensionamos el radio del arco para obtener el resultado de la figura 3.8

Figura 3.8 Trazado del arco tangente a la circunferencia y la línea y con un radio de 10mm

Con el mismo método, trazamos el arco para la circunferencia superior. Por último debemos cortar todo excedente de líneas, de lo contrario no se podrá generar el sólido. Para recortar, buscamos Trim en el Toolbox Modify, dejaremos solo el contorno cerrado, no puede haber líneas cruzadas. Se debe cerrar completamente el contorno a extruir, de manera que se deben trazar líneas para la cabeza y pie de biela y el cuerpo. El contorno a extruir debe tener el aspecto que se muestra en la figura 3.9, y se deben contruir líneas en las partes que se muestran con líneas trazadas para ilustración. Se debe ampliar lo suficiente la vista a fin de no cometer errores, iniciar y finalizar la línea en los puntos que se activa la P que garantiza el trazado en el punto.

Figura 3.9 Boceto listo para extruir.

Ahora seleccionamos la herramienta para extruir y debemos darle una extrucción de 2,5mm. Finalmente el resultado de la primera parte de la biela se observa en la figura 3.10

Figura 3.10 Extrucción de la primera parte de la biela

La segunda parte de esta práctica, es darle la forma tubular a la cabeza y pie de biela, podemos partir desde el sólido que ya se ha creado creando un plano de trabajo sobre este para continuar trabajando.

Figura 3.11 Creación de plano de trabajo sobre la biela

Previo a generar el plano, ubicamos el triad en la posición señalada por la flecha rija según indica la figura 3.12. Nuevamente vamos a Sketching para crear círculos que se van a ubicar sobre la cabeza y pie de válvula. En el plano se crean automáticamente un boceto auxiliar del boceto que se realizó al principio, ese boceto auxiliar se creará siempre que se genere un plano sobre una cara. Para crear las circunferencias necesitamos un centro que debe ser concéntrico a los círculos ya creados. La recomendación es crear un punto dentro del círculo del boceto auxiliar un poco desplazado de un centro aparente (figura 3.13), que luego le asignaremos la Figura 3.12 Creación de plano de trabajo sobre la cara de la biela, restricción de ser concéntrico a las se ubica el Triad sobre la esquina circunferencias (figura 3.14), para apuntada por la flecha roja efectuarlo desplegamos Constraints y seleccionamos COncentric, terminamos seleccionando el punto y luego la circunferencia con la que va a ser concéntrico.

Figura 3.13 Creación de un punto que servirá de centro para las nuevas circunferencias.

Figura 3.14 Punto Concéntrico a la circunferencia de la cabeza de biela.

Es necesario realizar esto de igual manera para las circunferencias inferiores, y una vez que se tenga el centro, se deben crear arcos por el centro, estos se encuentra en Drawing – Arc by Center. Tomamos el centro (el punto que se creó) e iniciamos el arco en una arista, con la intención de iniciar desde P como se indica en la figura 3.15ª, y para la circunferencia externa, que por un lado no tiene arista, se lo hace coincidir con el eje vertical, cuya restricción está disponible automáticamente (figura 3.15b). Finalizamos las operaciones cerrando los contornos recién creados (figura 3.15c) para poderlos mandar a extruir.

Figura 3.15ª) Creación del arco por el centro, luego en una arista se ubica la restricción P, para tener el mismo diámetro que la circunferencia exterior

Figura 3.15b), para finalizar el arco, se hace coincidir el otro extremo con la vertical, la restricción se identifica con C.

Figura 3.15c), se deben cerrar los contornos, las líneas que se tracen debe ir de P a P, es decir desde punto a punto para garantizar que se cierra el contorno.

Figura 3.16. Cabeza y pie de biela extruidos a partir de los bocetos creados

La sección transversal del cuerpo de la biela no es rectangular como lo tenemos hasta ahora en el modelo, tenemos que retirar el material para darle la forma más aproximada de acuerdo a las dimensiones que nos muestra el plano de medidas. Al tratar con retiros de material, se requiere la operación boolena de Subtract, y previo a realizar cualquiera de estas operaciones neceseitamos congelar lo creado hasta ahora.

ç Figura 3.17 biela congelada para realizar operaciones boolenas

Nuevamente creamos un plano de trabajo sobre el cuerpo de biela, y en base al plano de medidas trazamos la forma del material que debemos retirar. En la figura 3.18 se muestra que se han creado tres puntos auxiliares, el primero desde abajo es concéntrico al pie de biela, los siguientes hacia arriba se ubican sobre la vertical y se les ha dado las cotas de acuerdo al plano de medidas. Con lo puntos auxiliares se puede crear la forma del centro, podemos crear una línea que sea paralela (restricción) distante 3mm de la arista inclinada, finalmente, con centro en los dos puntos auxiliares creados trazamos dos arcos que cumpla tangencia con la línea que se dibujó inicialmente, finalmente cortamos el excedente de las líneas, cerramos el contorno y extruimos. Las siguientes figuras muestran lo arriba descrito.

Figura 3.18 Creación de tres puntos auxiliares

Figura 3.20 Creación de línea para iniciar boceto para retirar material

Figura 3.21 Asignación de restricción de paralelismos respecto de la arista exterior y acotación de 3mm respecto de la misma

Figura 3.22 a) Creación de arco con centro en primer punto auxiliar, unicia desde el eje vertical, no se pone atención en su rádio

Figura 3.23 b) Arco creado, la longitud de la línea y del arco no son de atención en este momento

Figura 3.24 Asignación de restricción de tangencia entre el arco y la línea paralela a la arista

Figura 3.25 Recorte excedente de las líneas.

de

Figura 3.26 b) Boceto listo para ser extruido

Figura 3.26 a) Boceto terminado, se debe cerrar el contorno, del boceto, poner atención en unir todos los puntos necesarios

Figura 3.27 Proceso de extracción del boceto, la dirección de extracción en invertida respecto del plano de trabajo

Figura 3.28 Boceto extruido, este será el cuerpo herramienta, observe el Tree Outline que muestra dos cuerpos

Al tener el cuerpo que va a servir para quitar el material, tenemos que aplicar la operación booleana de Subtract.

Figura 3.29 Aplicación de operación booleana, el tipo de operación es Subtract, y selección del cuerpo base

Figura 3.30 Selección del cuerpo herramienta

Figura 3.31 Sólido listo para generar la operación booleana

Figura 3.32 Operación booleana aplicada

Para finalizar el modelado de la biela, tenemos que aplicar simetría del objeto con los planos YZ y XY respectivamente como se tiene en las siguientes figuras.

Figura 3.33 Aplicación de Body Operation de tipo Mirror, se ha seleccionado ya el cuerpo, se indica por su color amarillo

Figura 3.34 Selección del plano de simetría en el Tree Outline, el plano es YZ

Figura 3.35 Generación de Simetria o Mirror respecto del plano YZ

Figura 3.36 Nueva aplicación de simetría respecto del eje XY o como se lo nombró al inicio “Vistafrontal”

Figura 3.37 Biela sólida terminada, generada en Design Modeler Con este ejercicio, el usuario ha utilizado varias herramientas en un solo modelo, se han dado detalles adiionales como Chanfer o Blend, que son muy fáciles de aplicar como se vio en el capítulo anterior.

Capítulo 4. Cinemática de cuerpos múltiples Con el estudio de la cinemática de cuerpos múltiples, es posible estudiar el movimiento de un mecanismo completo obteniendo datos de posición, velocidades y aceleraciones tanto lineales como angulares. Se pueden realizar más estudios pero el estudio se limitará únicamente al estudio de esta información que puede proporcionar ANSYS. El módulo utilizado por ANSYS para el análisis netamente cinemático es: Transient Structural (MBD), se encuentra en análisis de sistemas, si se hace referencia al módulo Transient Structural (ANSYS), permite un análisis dinámico de un mecanismo, es decir, no solo velocidades sino permite también ubicar cargas a los elementos del mecanismo, por ende la configuración de la cinemática es muy similar. Antes de iniciar el estudio del módulo mismo, es necesario conocer las conexiones que se pueden hacer entre los cuerpos para que funcionen de manera como si fuera en la realidad. 4.1 Tipos de juntas Las juntas sirven para restringir los movimientos al mecanismo, permitiendo movimiento de traslación o rotación en unas direcciones e impidiéndola en otras. Las juntas que se disponen en Transient Structural (MBD) son: -

Revolute: revolución con respecto a un eje, como se tiene en la figura 4.1ª, según la orientación del mecanismo, tiene grados de libertad de rotación respecto a un solo eje, y las demás son restricciones, en la figura 4.1b, se tiene cómo se presenta en la ventana de Transient Structural (MBD):

Restringidas

Figura 4.1ª Junta Revolute o de revolución. DOFs permitidos: Rotación en Z DOFs restringidos: UX, UY, UX, ROTX, ROTY

-

Permitido

Figura 4.1b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

Cylindrical: Permite giro y rotación en una sola dirección, es decir dos DOFs.

Restringidas Permitido Restringidas Figura 4.2ª Junta Cylindical.

Permitido

DOFs permitidos: Rotación en Z y traslación en Z DOFs restringidos: X,Y, RX y RY

Figura 4.2b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

-

Translational: Permite traslación únicamente en una dirección

Permitido

Restringido

Figura 4.3ª Junta Traslational. DOFs permitidos: Traslación en X DOFs restringidos: Y, Z, RX, RY y RZ Figura 4.3b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

-

Slot: Permite traslación en un solo eje y rotación en los tres ejes

Permitida

Restringido

Permitida Figura 4.4ª Junta Slot o deslizante. DOFs permitidos: Rotación RX, RY, RZ y traslación en X DOFs restringidos: Traslación Y y Z Figura 4.4b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

-

Spherical: junta esférica permite únicamente rotación en los tres ejes

Restringido

Permitido Figura 4.5ª Junta Slot o deslizante. DOFs permitidos: Rotación RX, RY, RZ DOFs restringidos: Traslación X Y y Z

Figura 4.5b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

-

Junta universal: conocida también como junta cardánica, solo permite giro respecto de dos ejes.

Restringido

Permitido Restringido Permitido

Figura 4.6ª Junta Universal o junta cardánica. DOFs permitidos: Rotación RX, y RZ DOFs restringidos: Traslación X ,Y ,Z y RY

-

Figura 4.6b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

Planar: junta permite deslizamiento y giro sobre un plano.

Permitido

Restringido

Permitido Figura 4.7ª Junta Universal o junta cardánica. DOFs permitidos: Traslación X, Y y rotación RZ DOFs restringidos: Traslación Z, rotación RX y RY.

-

Fixed: restringe todos los DOFs.

Figura 4.7b Presentación de los DOFs (grados de libertad) en la pantalla gráfica

4.2 Análisis de cinemática de un mecanismo biela – manivela corredera en Transient Structural (MBD)

Los objetivos de esta práctica son: -

Ensamblar un mecanismo de cuatro barras utilizando las juntas disponibles en Transient Structural (MBD) Obtener resultados de posición, velocidad y aceleración, de manera gráfica, tabular y explicita. Asignación de juntas

Conocidas las juntas disponibles para crear sistemas de cuerpos múltiples, es posible darle los grados de libertad necesarios a cada cuerpo para lograr el movimiento completo del mecanismo. Se tiene el mecanismo mostrado en la figura 4.8, en el Outline (en DM ocupado por el Tree Outlines), se puede notar todo los cuerpos que está formando el mecanismo, sobre el pistón se ha ubicado un anillo que va a ser auxiliar para el movimiento cilíndrico, al pie del mecanismo se ha ubicado un casquillo, que hará las veces de la bancada de un motor. Estos dos elementos serán los elementos fijos, apoyarán o servirán de base a todo el sistema.

Figura 4.8 Mecanismo biela – manivela – corredera en Transient Structural (MBD)

Del Outline, se obtiene también información adicional como son las Connections, que efectivamente como indica su nombre, al activarlo se mostrarán las conexiones existentes y en donde se ubicarán las conexiones nuevas. Inicialmente las únicas conexiónes que se generan automáticamente son los contactos entre cuerpos, no es recomendable usarlos cuando se trabaja con cuerpos rígidos, como es el caso Figura 4.8 Elementos que que vamos a trabajar en componen el mecanismo cinemática, de hecho es necesario configurar todos los cuerpos como cuerpos rígidos, en el cuadro Datais como se observa en la figura 4.10.

Figura 4.9 Conexiones de contacto

Figura 4.10 Configuración de los cuerpo a comportamiento rígido

Al seleccionar Connections del Outline se activan las conexiones posibles (figura 4.11), existen dos clases de conexiones, Body – Ground y Body – Body, que serían Cuerpo a tierra y Cuerpo a Cuerpo respectivamente. Al inicio se explicó qué cuerpo van a ir fijos a tierra y que servirán de puntos de referencia o base para todo el mecanismo.

Figura 4.11 Activación de las conexiones

Vamos a iniciar a hacer las conexiones fijas, y para trabajar en orden se pondrán los DOFs desde el cilindro hasta terminar en la bancada. Desplegando Body – Ground, seleccionamos Fixed (Figura 4.12), y luego la cara superior del cilindro (figura 4.13ª), es decir que el cilindro va fijo por su parte superior. En el Details nos pide aceptar la selección si está correcta (figura 4.13b). Una vez que se la haya realizado correctamente, en el Outline aparece el tipo, la clase y el cuerpo al cual pertenece la restricción (figura 4.14), y en la pantalla de gráficos, se pueden ver resaltadas las superficies involucradas e indica también que no tiene DOFs.

Figura 4.13 a) Selección de la cara del cilindro a ser fijada

Figura 4.12 Acceso a juntas

Figura 4.13 b) Detalles de la unión.

Figura 4.14 Unión realizada correctamente, a la derecha, bajo de Connections, se describe el tipo de junta, la clase y el elemento al cuál se ha aplicado. A la izquierda la superficie fijada resaltada junto a la restricción total de los DOFs.

A continuación se puede crear la restricción del pistón con el cilindro, esta es de la clase Body – Body, al desprenderlo seleccionamos Cylindrical (figura 4.15), ahora es necesario seleccionar dos superficies, que serán la interna del cilindro y la exterior del pistón como se muestra en las figura 4.16 y 4.17.

Figura 4.15 Selección de junta cilindrica

Figura 4.16ª Selección de la superficie interna del cilindro

Figura 4.16b Selección correcta del cuerpo “Cilindro” y su referencia

Figura 4.17 a) Selección de la superficie exterior del pistón

Figura 4.18 Restricción Cilíndrica entre el pistón y el cilíndro

Las siguientes uniones son de revolución o de bisagra, por ejemplo la biela tiene movimiento en plano general, pues no pivota respecto de un punto fijo, pero gira sobre el bulón y el muñón del cigüeñal, y este último elemento también giro o revoluciona cobre la bancada. Quedan de esta manera definidos los DOFs que va a tener cada cuerpo, y se va a indicar como realizarlo.

Figura 4.19 Selección de junta Revolute

Figura 4.20 Cigüeñal, se ha ocultado la bancada

Se iniciará dando la junta al cigüeñal o manivela del mecanismo, más adelante se utilizará esta junta como entrada de movimiento para poder observar el movimiento del mecanismo. En la figura 4.21 se observa la bancada, debemos seleccionar la superficie del cigüeñal que entra en contacto con la misma, no se encuentra a la vista, pero podemos intercambiar las superficies de contacto al ir seleccionando los planos que aparecen al lado inferior izquierdo de la figura 4.21, hasta encontrar la superficie que es de interés.

Figura 4.21 Selección de la superficie de contacto de la manivela o cigüeñal.

Figura 4.22ª Superficie de la manivela seleccionada

Figura 4.22b Superficie de la bancada seleccionada

La selección de la superficie de la bancada es muy simple pues se tiene acceso de forma directa a esta. (figura 4.22b)

Figura 2.23 Junta de revolución etre la bancada y la manivela

La siguiente junta, es fijar el pasador a la manivela, que vendría a ser el muñón del cigüeñal. La unicón es cuerpo a cuerpo, y el procedimiento se indica en las siguientes figuras.

Figura 4.24 Acceso a junta fija de clase cuerpo a cuerpo

Figura 4.25ª Selección de la superficie de la manivela

Figura 4.25b Selección de la superficie de pasador

Figura 4.26 Junta fija asignada entre la manivela y el pasador.

Las demás juntas son de revolución, el procedimiento de este tipo de junta ya se lo ha hecho por lo que únicamente se mostrarán los resultados.

Figura 4.27 Junta de revolución entre el pasador de la manivela y la biela

Figura 4.28 Junta de revolución entre el pasador de la manivela y la biela

Figura 4.29 Junta de revolución entre el pasador o bulón y el pistón o corredera.

Mallado El mallado sirve para realizar en análisis de elementos finitos, en la parte de estructuras los cuerpos que se unen en realidad no son rígidos, pues esto implica ningún cambio de forma aun que esté sometido a esfuerzos que lo tiendan a deformar, visto de esta manera no es necesario ni siquiera tener una malla si se trata de análisis cinemática. Al no ser posible desactivar o eliminar la malla, se va a permitir que el programa reconozca automáticamente una “malla” para los cuerpos rígidos. Al hacer click sobre Mesh en el Outline, en Details se activan las opciones de la malla, en Geometry ya estarán seleccionados los cuerpos, pero en Method seleccionamos Quadrilateral Dominant, con esto dejamos al programa que estime una supuesta malla para el mecanismo. En el siguiente capítulo, al trabajar con cuerpos deformables, se definirá una malla adecuada tanto en forma como en enfoque local.

Figura 4.30 Configuración del mallado

Luego de configurar la malla de esta manera, damos RMB sobre Mesh y

seleccionamos Update.

Movimiento del mecanismo Por último, nos queda darle movimiento al mecanismo, al realizar la conexión de la manivela a la bancada, se comentó que este se iba a utilizar como entrada de movimiento, de modo que el resto del mecanismo seguirá las trayectorias permitidas por los DOFs. En función de la velocidad angular de ingreso, el programa calcula las velocidades y aceleraciones de los demás elementos, en esta sección se verá cómo realizarlo para obtener resultados gráficos, tabulares y animados.

Para que la junta de la manivela sirva de entrada de movimiento la arrastramos a Transient que es el procesador de Transient Structural. Al adjuntar dicha junta al análisis y al seleccionarla se activará en Details – Definition, el único grado de libertad que tiene, en las casillas debajo del DOF, se puede elegir el típo de entrada y su Magnitud, que a suvez puede ser definida por un valor constante, una función o en base a datos tabulados.

Figura 4.31 Configuración para crear entrada de movimiento por la junta de la manivela a la bancada.

Figura 4.32 Details de la junta Manivela – Bancada

Para realizar una análisis más controlado, se puede configurar los grados de rotación para un tiempo determinado, esto se logra seleccionando Magnitude – Tabular, según la figura 4.33.

Figura 4.33 Configuración de la junta a Type –Rotacition y Magnitude – Tabular (time)

Para controlar los grados de rotación con el tiempo, se deben generar pasos, tantos pasos como sean necesarios, para está practica se van a generar 10 pasos, con un tiempo total de 10 segundos, es decir que se puede controlar la rotación cierta cantidad de grados por segundo. Para acceder a esta configuración, hacemos click en Analysis Settings, bajo de Transients. De los valores mostrados en la figura de la izquierda, previamente se debe configurar los pasos de Initial time, Minimum Time y Maximum Tipe step que son las celdas desde la quinta a octava, y las tres primeras celdas se deben llamar con los siguientes valores. Number of steps = 10 Current Step Number = 1 Step End Time = 10 Figura 4.34 Configuración de los tiempos y pasos de animación.

Una vez configurados los pasos, se podrá observar la tabla para ingresar los datos mostrados en la figura 3.35

Figura 4.35 Edición de los grados de rotación con el tiempo y los pasos.

Figura 4.36 Indicación gráfica de la rotación con los pasos

Por último para conocer posición, velocidad y aceleración del pistón, adjuntamos probetas las cuales van a adquirir los datos necesarios. Para crear las probetas se sigue RMB – Insert – Porbe – Velocity.

Figura 4.37 Inserción de una probeta para medir la velocidad

Para asignar la probeta de velocidad al pistón, en Details se selecciona la celda de Geometry – seleccionar la geometría del Pistón – Apply

Figura 4.38 Asignación de la probeta al pistón

Realizamos los mismos procedimientos para crear y asignar las probetas de posición y aceleración. Podemos asignar más probetas si así lo deseamos. Por último se recomienda crear una probeta para medir la energía del pistón.

Figura 4.39 Creación de una probeta para medir la energía del pistón

Para resolver presionamos el boto como se muestra a continuación, lo podemos localizar en la parte superior del entorno de trabajo o al hacer RMB sobre una parte vacia de la pantalla de Graphics.

Solución Los resultados se los puede ver de manera gráfica, así tenemos de acuerdo a las probetas creadas las siguientes:

Figura 4.40 Posición del Pistón sin configuración personalizada de Frames y tiempo de exposición

Figura 4.41 Posición del Pistón sin configuración controlando los Frames y el tiempo de exposición

Figura 4.42 Velocidad del Pistón

Figura 4.43 Aceleración del Pistón

Figura 4.44 Energía del Pistón

Figura 4.45 Posición del pistón en tiempo 6.5066 segundos observado en la gráfica y la animación

Figura 4.46 Energía del pistón en tiempo 7.3737 segundos observado en la animación y en la gráfica.

Con esto se finaliza el análisis de la cinemática de mecanismos, a partir de esta práctica se pueden realizar más combinación de mecanismos no solo de cuatro barras sino las que sean necesarias.

Capítulo 5. Análisis de esfuerzos en una hoja de ballesta En el capítulo anterior solo se analizó la cinemática de un mecanismo, en el presente capítulo se analizarán los esfuerzos a los que está sometido un mecanismo de suspensión de ballesta, se lo ha simplificado en manera de lo posible para que sea entendible pero se puedan apreciar los resultados. Se tiene el mecanismo de suspensión de ballesta de la figura 5.1, se le han dado las juntas respectivas entre la hoja de la ballesta y los balancines, estos a su vez están conectados al chasis pero se ha puesto unos puntos en los cuales pueden pivotar que estarán fijos. Se va a aplicar una fuerza fluctuante controlada por tablas al centro de la hoja que vendría a ser la acción de los soportes de las ruedas.

Figura 5.1 Sistema de suspensión a por ballesta que será usado para análisis de esfuerzos

Al analizar esfuerzos, se debe tener materiales con características propias, ANSYS tiene una librería con algunos materiales y sus características, previo a la realización del análisis revisaremos como se pueden asignar materiales a los elementos que componen el sistema de análisis.

5.1 Engineering Data Las librerías de materiales se encuentran en el Engineering Data, se encuentra al inicio de cada módulo que se analice, para ubicarlo se puede revisar la figura 5.2. Es el elemento que encuentra en la segunda fila de la figura 2, para acceder a los materiales, se puede hacer doble click o RMB y seleccionar Edit. Al abrirlo, nos encontraresmos con las librerías de materiales, como se observa en la figura 5.3

Figura 5.2 Módulo de análisis estructura estático.

Figura 5.3 Opciones y datos del Engineering Data

En la parte superior izquierda se tiene el Data Source, que es una descripción general de los materiales disponibles, en esta curso solo revisaremos los materiales generales. Haciendo doble click sobre General Materials se tienen materiales de uso común en la ingeniería, algunos de estos se ven en la figura 5.4. Para asignarlo al proyecto se hace click en el símbolo + que aparece a su derecha.

Figura 5.4 Materiales de la librería general

Para el proyecto asignaremos Stainless Steel que luego será el material de la hoja de la ballesta, aunque no es el material verdadero, lo usaremos solo para realizar el análisis. Los demás componentes serán de Structural Steel (Acero estructural), no es necesario asignarlo al proyecto porque es el material por defecto en el Engineering Data. Además de estas librerías se pueden agregar más, y los materiales que se le incrementen tendrán que ir con las propiedades de cada uno. Las propiedades de los materiales también se pueden revisar, y hasta editar en las mismas ventanas. Algunas propiedades del Stainlees Steel se puden ver en la figura 5.5.

Figura 5.5 Propiedades del Stainless Steel

Para volver a la pantalla superior, se presiona el botón Return to project, ubicado en la barra superior del entorno de Workbench.

5.2 Análisis de esfuerzos con Static Structural (ANSYS) Una vez que tenga los materiales a utilizar en el proyecto, y el mecanismo con todas las juntas necesarias, el siguiente paso es ubicar la fuerza o fuerzas necesarias que provocará en el mecanismo esfuerzos y deformaciones y analizar su comportamiento ante las condiciones de trabajo que está sometido. Aun que el módulo a seguir es para cargas estáticas, la fuerza que se aplique va a ser variable con el tiempo, con esto logramos acercarnos aun más a las condiciones de trabajo reales. En la figura 5.6, se tiene el entorno de trabajo, y es muy similar a los módulos utilizados en los capítulos anteriores. Similar al módulo utilizado en el capítulo cuatro, tenemos las conexiones que están ya realizadas, pero además ahora también se van a considerar los contactos. Ahora tendremos cuerpos flexibles y por ende deformables, esto implica mallar a todos los elementos, pero se optimizará el mallado únicamente en el elemento que nos interesa que es la hoja de la ballesta.

Figura 5.6 Entorno de Static Structural, en el Outline se tienen las juntas ya aplicadas. Nótese que no han eliminado las conexiones de contacto.

La razón de no haber eliminado las conexiones de contacto entre la hoja y los balancines, es porque se quiere considerar su influencia sobre la ballesta, de no ser así la hoja no se deformaría, mas sí los balancines siendo este caso no muy real. 5.2.1 Asignación de materiales Se agregaron ya previamente los materiales al proyecto, y es el momento de asignarlos. Inicialmente todos los materiales serán del material por defecto, es decir Acero estructural, únicamente debemos cambiar el material de la ballesta por Stainles Steel, el procedimiento se muestra en las siguientes figura.

Figura 5.7 Asignación del material a la ballesta

Los demás materiales, quedarán con el material por defecto. 5.2.2 Mallado Al hacer un análisis con cuerpos deformables el mallado adecuado es muy importante para que los resultados sean más confiables y se pueda observar de mejor manera el comportamiento del cuerpo. Siempre se presenta la opción de mallado que el mismo procesador asigna, pero vamos a agregar un control del mallado de ballesta y de inflación, estos son Sizing y Method respectivamente Para insertar estas dos condiciones adicionales de mallado, hacemos RMB sobre Mesh – Insert – Inflation que controla el mallado sobre las caras, también se deberá insertar Method siguiendo el mismo método. Su proceso se muestra en las figuras 5.8 a y b.

Figura 5.8 a) Mallado independiente de la ballesta

Figura 5.8 b) inserta el incremento de volumen de la malla

Primero se debe configurar el mallado independiente que el procesador asigna auntomáticamente. En Geometry se habrán ya seleccionado automáticamente los 5 cuerpos pero se debe deseleccnionar la ballesta, en Méthod se seleccionará Terahedrons, en Max Element Size, se dará un valor de 3mm y a Min Size Limit 2mm. Estos es: el mallado se hará con elementos finitos tetrahédricos, la máxima dimesión de los mismos será de Figura 5.9 Configuración del mallado 3mm y la mínima de 2mm. independiente.

Ahora se controlará en mallado de la ballesta, primero se selecciona la geometría de la ballesta, usamos el mismo método de método tetrahédrico, pero la máxima simensión será 2mm y la mínima 1mm. Inflation se usa en mecánica de sólidos cuando se tiene concentradores de esfuerzos, de hecho en la ballesta modelada se ha realizado un agujero justo en la mitad, por lo que tenemos un concentrador de esfuerzos. Como se ve la configuración en la figura 5.10, existen varios valores editables, conservaremos los valores asignados, pero los dejaremos con los valores por defecto, en Geometry seleccionamos la ballesta en boundary se va a seleccionar la cara interna del agujero (figuras 5.10 a y b).

Figura 5.10 a) Configuración de Inflation

Figura 5.10 b) selección de la cara interna del agujero.

Se han configurado los complementos adicionales de la malla, esto asegurá que los resultados a obtener sean bastante cercanos a la realidad. 5.2.3 Aplicación de Fuerza. La fuerza se aplicará exactamente donde se encuentra la perforación de la ballesta, para mejor referencia necesitamos crear un sistema de coordenadas exactamente en el centro del agujero, y crearla es muy simple. RMB en Coordinate Systems en Outline, e insertar Sistema de Coordenadas (figura 5.11), seleccionamos la cara interna del agujero y aceptamos en Details. Este nuevo sistema de coordenadas tendrá el nombre de “referencia_ballesta”

Figura 5.11 a) Inserción de un nuevo sistema de coordenadas

Figura 5.11 b) Selección de la ubicación del nuevo sistema de coordenadas

Una vez se tenga el sistema de coordenadas creado, RMB en Static Structural – Insert – Force, aparecerá debajo de este un ícono que indica que se aplica una fuerza (figura 5.12b).

Figura 5.12 a) Inserción de una fuerza

Para que esta fuerza sea variable con el tiempo, debemos configurar Analysis Settings que se ubica justo debajo de Static Structural (Figura 5.12). Figura 5.12 b) Analysis Settings y Force

Configuramos el Analysis Settings con los datos de la figura 5.13, la simulación va a ser tener un tiempo de 5 segundos y 5 pasos para poder aplicar 5 cargas de distintos valores, de esa manera se podrán apreciar de mejor manera la deformación y esfuerzos de la ballesta.

Figura 5.13 Configuración del Analysis Settings

La magnitud de la fuerza será de manera tabular, tal como se aplicó la rotación para la cinemática en el capítulo anterior. Pero la aplicación de la carga se hará de forma vectorial es por esto la importancia del sistema de coordenadas creado (figura 5.14a).

Figura 5.14 a) La fuerza se ubica en la cara interna del agujero, se define por sus componentes y su referencia es el sistema de coordenadas “referencia_ballesta”

Figura 5.14 b) Configuración de la fuerza aplicada

Figura 5.14 c) Datos tabulados de las fuerzas aplicadas para cada paso

Figura 5.14 d) Gráfica de las fuerzas aplicadas.

Previo a iniciar el cálculo, se debe generar la malla, simplemente se hace RMB sobre Mesh y seleccionamos Update. La malla generada se ve en la figura 5.15

Figura 5.15 a) Malla generada. Es posible diferenciar que la malla sobre la ballesta es más fina que la generada en los balancines

Figura 5.15 b) Inflation generada alrededor del agujero de la ballesta.

Al igual que sucedió con el análisis cinemático, necesitamos conocer algún resultado específico, y lo que perseguimos es que el programa calcule la deformación y los esfuerzos principales que se producen tanto por la fuerza como la deformación. En las siguientes figuras se indican que soluciones o post proceso queremos ver al finalizar el cálculo.

Figura 5.16 a) Calcular la deformación total

5.16 b) calcular la tensión máxima de deformación

5.16 c) Calcular es esfuerzo principal máximo.

Figura 5.17 Configuración completa de la etapa de precálculo

5.2.4 Resultados Los resultados obtenidos se presentan en las siguientes imágenes, de forma gráfica y animada.

Figura 5.18 Deformación total de la ballesta

Figura 5.18 Esfuerzos tensoriales por deformación máximos, se puede ver cómo se desarrollan en el concentrador de esfuerzos

Figura 5.18 Esfuerzo principal máximo, de igual manera se desarrolla en mayor magnitud en el concentrador de esfuerzos

Se ha conseguido llegar a la etapa completa del cálculo, los resultados se han presentado de forma bastante clara y se confirma la influencia del concentrador de esfuerzos sobre un elemento. La carga aplicada variable con el tiempo permite observar de mejor manera las variaciones de comportamiento del material.

Conclusión -

Se han visto las principales herramientas para el modelado, y además se realizó una aplicación al modelar una biela, en la cual se ocuparon gran parte de las mismas.

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En el análisis cinemático, se logró utilizar porbetas para cuantificar las velocidades y aceleraciones con una entrada de movimiento controlada en tiempo y giro

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Con el análisis de esfuerzos se logró no únicamente someter a la ballesta a una carga estática sino que fueron cargas variables en el tiempo, sometiéndola a condiciones más reales de trabajo

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Es necesario un sustento teórico para poder interpretar los resultados de cualquier análisis, ANSYS es una herramienta muy poderosa pero si se maneja burdamente los datos de entrada y los resultados quedarán solo como imágenes con un entorno gráfico que permite realizar muchas cosas.

José Bermeo Vallejo