Tutorial Final

23-9-2015

Tutorial Análisis de un marco mediante el

software ANSYS

Profesor:

Dr. Christian García

Alumnos:

Angeles Angeles Aldaid

Bonilla Carbajal Ian Carlo

Cano Díaz Brando Alexis

Cárdenas Montiel Ronaldo

Gómez Gómez Ignacio Yael

Obregón García Jesús

Pérez Centurión Cesar Alejandro

Romo Romo Saúl

San Juan Anaya Christian Roberto

Valdez Rodríguez Rodrigo

Vera Bautista Jonathan Alejandro

Tutorial

Ingeniería en Aeronáutica Metodo de Elemento Finito Pág. 1

ANSYS desarrolla, comercializa y presta soporte a la ingeniería a través de software de simulación para

predecir como funcionara y reaccionara determinado producto bajo un entorno real. ANSYS

continuamente desarrolla tecnología enfocada en la simulación y a través del tiempo ha adquirido otro

software para ofrecer un paquete de aplicaciones que puedan ser unificadas para los problemas más

complejos. Además presta soporte a la industria.

El siguiente documento tiene como objetivo mostrar los pasos a seguir para realizar el análisis y

simulación de un elemento o elementos (vigas, marcos, armaduras, columnas, etc.) expuesto a distintos

factores y sometidos a algunas fuerzas, en este caso analizaremos un marco (Ilustración 1) de forma

unidimensional.

Ilustración 1

2kN

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En primera instancia comenzaremos por abrir el programa de Workbench 16.2 de ANSYS (los diferentes números de versión

no diferencia mucho la forma de análisis).

Ilustración 2

Después de cargar se abrirá una ventana como se muestra en la Ilustración 3.

Ilustración 3

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Una vez cargado el programa se selecciona la pestaña Static Structural de la sección de Analysis System en Toolbox., se le

puede dar doble clic o simplemente arrastrar la ventanilla de Project Schematic. A continuación se abrirá una ventanilla sobre

la cual comenzaremos a trabajar.

Ilustración 4

Primero se le modifica el nombre de proyecto, si así lo desea, en la parte inferior de la ventanilla sobre la que estamos

trabajando.

Ilustración 5

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En este caso le pondremos Frame_1D, una vez hecho esto damos Enter y procedemos a seleccionar la opción de Engineering

Data, nuevamente dando doble clic.

Ilustración 6

A continuación nos abrirá otra ventanilla en la cual nosotros procederemos a establecer las propiedades del material con el

cual nosotros trabajaremos para analizar nuestro marco. Damos clic en la zona donde dice click here to add a new meterial y

escribimos el nombre de nuestro material, en este caso lo llamaremos Metropolitanio.

Ilustración 7

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Posteriormente en la Toolbox>Linear Elastic seleccionamos la opción Isotropic Elasticity para modificar estas propiedades.

Ilustración 8

Es necesario poner las propiedades del material el cual fue denominado Metropolitanio y esto con el fin de que ANSYS pueda

analizar la estructura que posteriormente será analizada por que como bien sabemos en el método teórico para el análisis de

este tipo de estructuras se ocupa lo que es el módulo de elasticidad entre otras propiedades del material y es por eso que en

esta sección se asigna el módulo de Young.

Ilustración 9

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Ahora bien el siguiente paso es asignar el coeficiente Poisson el cual es una constante elástica es una constante elástica que

proporciona una medida del estrechamiento de sección de un prisma de material elástico lineal e isótropo cuando se estira

longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de estiramiento.

Ilustración 10

Ahora bien guardamos los datos ingenieriles del material con el mismo nombre que le asignamos al proyecto al principio con

el fin de no perder un orden.

Ilustración 11

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Como siguiente paso una vez que se guardaron las propiedades designadas del material cambiamos de pestaña a donde se

encuentra el proyecto y esto con el fin de diseñar el bosquejo de la estructura que posteriormente se analizara y accedemos a

la opción de geometría.

Ilustración 12

Una vez dentro de la sección de geometría nos aparecerá un eje de referencias coordenado en X, Y, Z el cual lucirá como se

muestra en la imagen, En la esquina inferior derecha se muestra el eje coordenado en el cual daremos clic en el eje Z y esto

con el fin de que nuestro plano de trabajo sean los eje X, Y.

Ilustración 13

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Ahora bien el siguiente paso es crear el modelo y como se trata de una estructura en 1 dimensión, esta será modelada a base

de líneas entonces una vez que seleccionamos el eje de trabajo X, Y aparecerá en la parte izquierda un cuadro de trabajo en

el cual daremos clic en la sección de sketching para empezar a dibujar la estructura y para esto ocuparemos la opción de línea.

Ilustración 14

Una vez que se seleccionó la línea en la parte de sketching recurrimos al eje coordenado X, Y, como podemos notar cuando

la línea empieza en el origen se puede mostrar una letra P y es aquí donde damos clic para empezar el dibujo.

Ilustración 15

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Por medio de líneas vamos construyendo el marco conforme a la posición de cada elemento.

Ilustración 16

Ilustración 17

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Por ultimo trazamos la segunda linea horizontal eligiendo la herramienta de ¨line¨ que se encuantra en la seccion de ´draw´´en

la pestaña de sketching, una vez eleguida la herramienta nos dirigimos a nuestro espacio de trabajo y trazamos la linea

horizontal para finalizar nuestro marco, y una vez terminada la geometria verificamos que sea la correcta a la deseada de

nuestro marco Ilustracion 18

Ilustración 18

Una vez dibujado el marco deseado. Continuamos con las dimenciones del mismo, para esto, vamos a seleccionar la pestaña de ´´scetching´´

en la seccion de ´´dimensions´´ la cual nos mostrara las opciones de acotamiento que podemos ralizar como se muestra en la Ilustracion 19

Ilustración 19

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Una vez seleccionada la sección de dimensions, elegimos la opción de acotado horizontal como se muestra en la figura y nos

dirigimos a nuestro espacio de trabajo y hay seleccionamos la cota horizontal, posteriormente nos dirigimos a nuestro espacio

de trabajo y seleccionamos una de las dos secciones horizontales de nuestro marco, primeramente seleccionando un nodo el

cual está en el origen y posteriormente el nodo que está a la derecha, como se indica en la Ilustracion 20

Ilustración 20

Una vez seleccionada la sección a acotar, el siguiente paso es indicarle la dimensión que deseamos y para esto, se abre una

pestaña la cual se indica en la Ilustracion 21, en la que indicaremos la medida de nuestra sección horizontal.

Ilustración 21

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En esta Ilustracion 22 podemos ver que se ha seleccionado la medida que elegimos y la figura cambia.

Ilustración 22

Posteriormente seleccionamos la sección vertical que deseamos acotar como se indica en la Ilustracion 23, lo que se hace es

seleccionar los nodos de los extremos de la sección y nos genera una línea de cota a la cual le damos la medida que deseamos.

Ilustración 23

Al igual que el paso anterior seleccionamos la siguiente sección vertical y repitiendo los pasos le damos la medida que

deseamos para esa sección como se muestra en la Ilustracion 24.

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Ilustración 24

Posteriormente vamos a las pestañas superiores de nuestra ventana y seleccionamos la opción de ¨concept¨ y nos mostrara

distintas opciones, seleccionamos ¨lines from sketches¨, Ya que para el programa es necesario tener una especificación de la

figura como la geometría de la figura que realizaremos como se muestra en la Ilustracion 25.

Ilustración 25

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Seleccionamos la opción de Apply.

Ilustración 26

Posteriormente como se observa en la parte izquierda, aun no se han seleccionado ningún cuerpo de la geometría, es por eso

que se debe hacer un solo cuerpo.

Ilustración 27

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Al ser secciones rectangulares las que se deben unificar, se selecciona "concept" que es una pestaña en la parte superior

izquierda, después "cross section" y se selecciona "rectangular".

Al ser secciones rectangulares las que se deben unificar, se selecciona "concept" que es una pestaña en la parte superior

izquierda, después "cross section" y se selecciona "rectangular".

Ilustración 28

Se procede a asignar los datos de la sección transversal que son de .346 de altura y base.

Ilustración 29

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En la siguiente imagen se muestra la "Cross sección" y sus medias en la parte izquierda seleccionada.

Ilustración 30

Ahora se selecciona la sección transversal para ese cuerpo.

Ilustración 31

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Después en la parte inferior izquierda se selecciona en "cross section" la opción "Rect 2".

Ilustración 32

Ilustración 33

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Para poder ver la operación que realizamos, que en este caso fue seleccionar la recta a la cual queríamos aplicar la sección

transversal nosotros podemos visualizar esa sección transversal en la pestaña de vista y seleccionar cross section solid para

poder observar la operación.

Ilustración 34

Para poder ver la operación de cross section solid simplemente se presiona enter y la vista de cómo es la sección transversal del marco es

mostrada, la podemos ver en la imagen de abajo, concluyendo con esto la parte del diseño de la geometría del marco. El siguiente paso sería

el modelado del mismo para eso se debe minimizar la ventana de design modeler que es la parte de la construcción de la geometría.

Ilustración 35

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La siguiente sección para el análisis del marco es el modelado por lo que para nosotros poder hacer esta operación del análisis es necesario

seleccionar la pestaña de modelado y abrir esa plataforma dando doble clic sobre la pestaña. Las operaciones que se hacen en el modelado

es considerar el mallado de la estructura fuerzas y soportes por mencionar alguna operación realizada en esta etapa de modelado.

Ilustración 36

Nosotros abriendo la plataforma de modelado el mismo ANSYS nos exporta nuestra geometría echa anteriormente como se

puede mostrar en la imagen de abajo. La imagen de abajo nos muestra la plataforma de modelado junto con el marco que se

hizo en la geometría.

Ilustración 37

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Cuando abrimos la plataforma de model es exportada la geometría, pero solo la recta de ella por lo que para nosotros poder visualizar la

sección transversal del marco simplemente debemos seleccionar cross section solid (geometry) que es la sección transversal de la geometría,

esta opción se encuentra en la ventana de vista (view).

Ilustración 38

Lo siguiente que se va a hacer es seleccionar el material, para eso vamos a la opción de geometry y desplegamos el menú y nos aparecerá

otra opción que dice “Line Body” le damos un clic (Fig. 1.1) y en la parte de abajo nos aparecerán más opciones, después seleccionaremos

la opción de “Material” y se desplegaran más opciones seleccionamos “Assignment” y le damos clic en la flecha que aparecerá del lado

derecho y seleccionamos nuestro material previamente creado “Metropolitanio” Ilustracion 39.

Ilustración 39

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Ilustración 40

Ya una vez seleccionado el material el siguiente paso a realizar es crear el mallado (Mesh) que va a tener nuestra pieza, para

eso vamos a seleccionar la opción de “Mesh” como se muestra en la Ilustracion 41. Una vez seleccionado “Mesh” vamos a

darle clic con el botón derecho del ratón y se nos desplegaran varias opciones, vamos a “Insert” que es la primera opción y

seleccionamos la opción de “Sizing” como se muestra en la ilustración.

Ilustración 41

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Cuando se crea la opción de “Sizing” la seleccionamos y nos aparecerán varias opciones en la parte de abajo, le damos clic

en donde dice “Geometry” y nos pedirá que seleccionemos la geometría a la cual queremos darle el mayado Ilustracion 42,

cuando se selecciona la geometría se podrá notar como cambia de color la pieza de color verde eso quiere decir que se

seleccionó correctamente Ilustracion 42 y después le dan clic en “Apply”

Ilustración 42

Después seleccionaremos la opción de “Type” y damos clic en la flecha que aparecerá del lado derecho y seleccionaremos

“Number of Divisions” como se muestra en la Ilustracion 43

Ilustración 43

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Ilustración 44

El siguiente paso consiste en seleccionar la opción “Fixed Support”. Para encontrar esta opción seleccionamos con clic

derecho en Static Estructural, posteriormente en Insert y buscamos la opción de Fixed Support. Esto para hacer que nuestra

armadura se mantenga fija al momento de su análisis.

Ilustración 45

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Una vez seleccionada la opción de Fixed Support el siguiente paso es seleccionar las caras las cuales son las que estarán fijas,

pero como nuestra armadura está compuesta por elementos tipo viga, se tiene que seleccionar la opción que se encuentra

debajo de Tools, esta para seleccionar los puntos iníciales o finales de cada viga.

Ilustración 46

Como queremos que las dos bases estén fijas se selecciona también el otro lado para hacer que también sea fijo siguiendo los

pasos anteriores.

Ilustración 47

Tutorial


Para conocer si los pasos anteriores se hicieron correctamente debe de aparecer una etiqueta de color azul en cada lado donde

se colocaron los soportes fijos.

Ilustración 48

Ahora se colocaran las fuerzas que son sometidas sobre la armadura. Para encontrar esta opción de igual forma seleccionamos

con clic derecho sobre Static Estructural, posteriormente en Insert y buscamos la opción de Force.

Ilustración 49

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El siguiente paso es seleccionar la geometría en la que es aplicada la fuerza, para esto de igual forma, se tiene que seleccionar

la opción que se encuentra debajo de Tools, esta para seleccionar los puntos iníciales o finales de cada viga. Una vez

seleccionada la geometría se le da clic en Apply.

Ilustración 50

Una vez seleccionada la geometría, en la parte de “Details of Force” en Definition, se tiene que cambiar a components, ya

que en esa opción de podrá dar dirección a la fuerza puede ser en X, Y o Z, dependiendo de cómo este aplicada.

Ilustración 51

Tutorial


Ya teniendo seleccionada la opción de components, se le da el valor de la magnitud de la fuerza, en el eje correspondiente que

esta aplicada, y también en qué dirección si es positiva o negativa.

Ilustración 52

Se repite el mismo proceso para la segunda carga aplicada.

Ilustración 53

Tutorial


Ilustración 54

En este paso se aplicaran las restricciones para el marco, la primera es los soportes que seran colocados en la parte inferior de

este como muestra la parte azul de la imagen Ilustracion 55 los soportes son de tipo empotre, para poder colocar estos soportes

se debe dar click derecho en la carpeta nombrada static structural, se busca la opcion de insert, dar clik, finalmente seleccionar

la opcion fixed supporty elegir el punto donde se colocara el soporte. Por otra parte se le asignara una segunda carga de igual

magnitud al paso anterior pero ahora en la parte superior del marco en el eje de las x como lo muestra la parte en rojo de la

Ilustracion 55.

Ilustración 55

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El siguiente paso es colocar otra restricción que será la carga distribuida, para esto se debe dar clic derecho en la opción de

static structural, elegir la opción insert, seleccionar la opción de Line Pressure, Ilustracion 56.

Ilustración 56

Después de seleccionar la opción line pressure se debe elegir la línea donde será aplicada la fuerza distribuida para después

asignar el valor de la carga, en este caso será negativa en el eje de las Y. Ilustracion 57.

Ilustración 57

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Para poder asignar la magnitud de la carga se debe modificar la opción define by en components, se asigna la carga negativa

en el eje de las Y. Ilustracion 58

Ilustración 58

Finalmente se selecciona la opción apply. Ilustracion 59.

Ilustración 59

Tutorial


En la Ilustracion 60 parte roja se muestra como es aplicada la carga distribuida en la parte superior del marco.

Ilustración 60

Proseguimos aplicando la misma restricción que en el paso anterior pero ahora será en la parte media del marco, los pasos

son de forma similar a los pasos anteriores solo que se asignara otra línea en donde será colocada la carga de igual magnitud

a la anterior. En la Ilustracion 61 se puede observar donde es colocada la carga.

Ilustración 61

Tutorial


Si queremos visualizar como quedo nuestro marco con las cargas ya aplicadas solo tenemos que darle clic en “Static Structural

(AS)” y se verán las cargas tal y como se muestra en la Ilustracion 62.

Ilustración 62

Ya puestas todas las cargas se procederá a resolver el marco, para eso necesitaremos ir a la opción de “Solution (A6)” le

damos clic derecho en la opción de “Insert” después a “Beam Tool” y por ultimo seleccionamos la carpeta de “Beam tool”

para poder agregarla como se muestra en la Ilustracion 63.

Ilustración 63

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Después de creada la carpeta la seleccionamos y le damos clic derecho “Insert>Beam Tool>Stress>Maximum Bending

Stress” como se muestra en la Ilustracion 64.

Ilustración 64

Ahora agregaremos la fuerza de reacción en la misma opción de “insert” pero ahora en “Probe” seleccionamos “Force

Reaction” y después “Moment Reaction” Ilustracion 15 y 66 ya una vez insertadas las seleccionamos a cada una

respectivamente y nos aparecerán diferentes opciones en la parte de abajo como se muestra en la Ilustracion 65 y en la opción

de “Boundary Condition” seleccionamos el fixed support tanto para el momento como para la fuerza.

Ilustración 65

Tutorial


Ilustración 66

Después de haber insertado a las soluciones el momento de reacción de la carpeta de Beam Tool al hacerle clic como en la

imagen anterior procedemos a definir el punto en donde se analizara esta reacción para este primer momento de reacción

seleccionaremos Fixed Support como en la imagen siguiente como hemos dicho las casillas amarillas son las que estaremos

editando para encontrar la solución. El siguiente paso es repetir el paso anterior insertando otra solución para el momento de

reacción pero esta vez seleccionando en el recuadro amarillo Fixed Support 2 como muestra la siguiente figura y así

acabaremos de seleccionar todas las reacciones a encontrar.

Ilustración 67

Tutorial


Ilustración 68

Para el Momento de reacción.

Ilustración 69

Tutorial


Ilustración 70

Continuando con el apartado de soluciones procederemos a insertar también dando clic derecho sobre soluciones desplegando

nuevas opciones buscando la que dice deformation y después Total seleccionándola dando clic izquierdo se creara la solución

y se mostrara junto con las otras soluciones buscadas como lo muestran las siguientes dos imágenes y Finalmente apretaremos

el botón de Solve (Parte superior) para generar los resultados.

Ilustración 71

Tutorial


Ilustración 72

Ya que procedemos a la solución de la armadura y el programa no marca ningún error esto se visualiza ya que en el árbol de

procesos tenemos todos estos con una paloma verde, capturaremos los valores máximos del máximum bending stress, para

su tabulación para su próxima comparación a mayor número de elementos

Ilustración 73

Tutorial


Ahora capturaremos los valores máximos del máximum Combined stress, para su tabulación para su próxima comparación a

mayor número de elementos

Ilustración 74

En este paso ahora se capturara los valores de los componentes de la fuerza de reacción en el primer Fixed Support, para su

tabulación para su próxima comparación a mayor número de elementos.

Ilustración 75

Tutorial


Para obtener la solución del Momento de Reacción, dentro de la carpeta Beam Tool se debe visualizar la opción <Moment

Reaction>, una vez verificado que se encuentra activa, en la barra de herramientas se elige la opción <Solve>, ANSYS muestra

un recuadro el cual indica que se está resolviendo el problema, al haber concluido el recuadro se cierra automáticamente, para

visualizar la solución se da clic en la opción <Moment Reaction>.

Ilustración 76

Asimismo se pueden visualizar los datos para el soporte número 2.

Ilustración 77

Tutorial


Ilustración 78

Solución para la Deformación Total

Una técnica para aproximarse a la solución exacta es incrementar el número de divisiones que previamente se realizó en el

proceso de mallado del marco. El procedimiento consiste en dirigirse a la opción <Mesh>, después se selecciona la opción

<Edge Sizing> donde el siguiente paso es dirigirse a <Details of “Edge Sizing”> posteriormente en la opción <Definition>

se localiza <Number of Divisions> donde se irán modificando el número de divisiones que se quieran tener en el marco.

Ilustración 79

Tutorial


Ilustración 80

Modificación de mallado para el marco

En la siguiente imagen se muestra el proceso de mallado para cuatro elementos.

Ilustración 81

Tutorial


Mallado para cuatro elementos

De igual manera a continuación se muestra el mallado para 4, 8, 16, 32 y 64.

Ilustración 82

Mallado para ocho elementos

Ilustración 83

Tutorial


Mallado para dieciséis elementos

Ilustración 84

Mallado para treinta y dos elementos

Ilustración 85

Tutorial


Mallado para sesenta y cuatro elementos

Ilustración 86

La soluciones para el Momento Combinado y Deformación Total se obtienen de la misma forma como se explicó en los pasos

anteriores del tutorial.

Ilustración 87

Tutorial


Ilustración 88

Ilustración 89

Tutorial Final

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