Simulación de fenómenos termomecánicos en la industria

El curso se basa en la simulación numérica de diversas aplicaciones industriales a través de las cuales se pretende que los asistentes se familiaricen con el manejo de los paquetes de software elegidos por la empresa.

Para cada una de las aplicaciones se analizará el problema físico completo, el modelo matemático asociado, los fenómenos físicos más relevantes y se discutirán las simplificaciones admitidas por el modelo. Para su simulación numérica se realizará o se importará un CAD de su geometría, su correspondiente mallado; se incorporarán las cargas aplicadas y las características del material y se realizará su simulación numérica. Finalmente, se visualizarán los resultados y se realizarán cálculos de postproceso de interés en ingeniería.

  • Coordinadora: Peregrina Quintela Estévez
  • Sectores: Metalurgia, Ingeniería Civil y Automoción
  • Equipo de desarrollo: José Manuel Díaz Moreno, Ana Mª Ferreiro Ferreiro, José Antonio García Rodríguez, Francisco Ortegón Gallego, Peregrina Quintela Estévez, Diana Rivas Cruz, Rafael Rodríguez Galván, Mª Teresa Sánchez Rúa
  • Software: Software comercial: Comsol, Patran, Nastran, MARC, FEMAP. Software libre: Salome-Code Aster y Freefem++
 

 

MÓDULOS DE NIVEL BÁSICO

Módulo B1. Simulación de un recipiente esférico

Conocimientos previos: Nivel básico en CAD y CAE

Número de horas: 3 horas prácticas

Dirigido: Sectores metalurgia, ingeniería civil y automoción.

Contenidos:

Se simula la deformación de una estructura esférica de acero sometida a una presión y para la cual se conoce la expresión analítica del desplazamiento y de la tensión. Se trata de un ejemplo práctico sencillo con solución conocida que permite introducir el modelo físico asociado a partir de los conceptos más elementales de las ecuaciones de la elasticidad lineal, los materiales de Hooke y el vector de esfuerzos. Se considerará tanto una hipótesis de pequeños desplazamientos como de grandes desplazamientos. El CAD se realizará íntegramente y se exportará a distintos formatos. En el preproceso se impondrán cargas de presión y bloqueo y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica, se valorará la precisión de los resultados obtenidos y se visualizarán los cálculos postproceso.

Módulo B2.  Simulación de un pórtico 

Conocimientos Previos: Nivel básico en CAD y medio en CAE

Número de horas: 3 horas prácticas

Dirigido: Sector ingeniería civil.

Contenidos:

Se considera una geometría simplificada como unión de vigas y barras, a la que se le analizarán los modos de vibración. El CAD se realizará integramente. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo. Por último se llevará a cabo la simulación numérica y se visualizarán los cálculos postproceso.

Módulo B3. Simulación de un voladizo con forma angular

Conocimientos previos: Nivel básico en CAD y CAE

Número de horas: 3 horas prácticas

Dirigido: Sectores metalurgia e ingeniería civil.

Contenidos:

Deformación de una pieza angular sujeta por uno de sus extremos, y libre por el otro.

Se introduce el modelo físico asociado a partir de los conceptos más elementales de las ecuaciones de la elasticidad lineal, los materiales de Hooke y el vector de esfuerzos.  El CAD se realizará íntegramente y se exportará a distintos formatos. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo, y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica y se visualizarán los cálculos postproceso.

MÓDULOS DE NIVEL MEDIO

Módulo M1. Pinza de sujeción o abrazadera sometida a campo electromagnético

Conocimientos previos: Nivel avanzado en CAD y nivel en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sectores metalurgia, ingeniería civil y automoción

Contenidos:

El objetivo es evaluar numéricamente si una abrazadera está bien dimensionada para sujetar un cable de alta frecuencia. Se impone como carga la fuerza ejercida por la corriente transportada por el cable. Al mismo tiempo se evalúa el efecto de un anclaje deficiente a la pared. Se realiza la simulación del dispositivo 3D con comportamiento estático, suponiendo que el material que conforma la abrazadera es un acero.

Se realizará detalladamente el CAD de la pieza.

Se visualizará además de la geometría deformada, los puntos de máxima tensión, y se realizarán cálculos postproceso que permitan contrastar datos y resultados.

Este caso práctico es propuesto en la biblioteca del paquete de software COMSOL.

Módulo M2. Simulación de un tanque de acero lleno de líquido que debe resistir un impacto equivalente a 10g

Conocimientos previos: Nivel avanzado en CAD y medio en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sectores metalurgia e ingeniería civil.

Contenidos:

Simulación numérica del comportamiento mecánico de un intercambiador de calor combinando estructuras 1D, 2D y 3D. El intercambiador se supone lleno de agua y sometido a la presión de la misma, además de a su propio peso. Se diferenciarán varios casos según la forma de fijación del intercambiador que recibirá un impacto de 10g en la dirección paralela al suelo. El CAD se hará íntegramente. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo, las cargas de presión del agua que dependerán de la colocación del intercambiador (sobre pared o suelo), y las cargas equivalentes a un impacto de 10g (donde la dirección del impacto puede ser paralela a la pared o perpendicular a ella); además se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica y se visualizarán las tensiones máximas obtenidas.

Módulo M3. Simulación termomecánica de un electrodo metalúrgico

Conocimientos previos: Nivel básico en CAD y avanzado en CAE

Número de horas: 3 horas prácticas

Dirigido: Sector metalurgia.

Contenidos:

En este ejemplo se considera un electrodo compuesto de dos materiales, grafito y pasta cocida, que se encuentra sometido a una fuente de calor que proviene del efecto Joule generado por el  paso de la corriente eléctrica. Se trata de un problema termomecánico axisimétrico con dos materiales elásticos lineales, uno isótropo y el otro anisótropo. El CAD se realizará íntegramente. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo, el efecto Joule y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica y se visualizarán los resultados tanto para la temperatura como para las tensiones.

Este caso práctico es propuesto en la tesis de Francisco J. Pena Brage presentada en la Universidade de Santiago de Compostela.

Módulo M4. Colapso de una nave industrial sometida a una carga por nieve y a vientos muy fuertes

Conocimientos previos: Nivel medio en CAD y en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector ingeniería civil.

Contenidos:

En este ejemplo se estudia el comportamiento de la estructura de una nave industrial sometida a una carga por nieve y a vientos muy fuertes. En este caso práctico, el CAD se realizará completamente combinando estructuras 1D y 2D. Se realizarán dos simulaciones; en la primera, las cargas aplicadas serán las derivadas de la presión ejercida por el peso de una capa de nieve sobre el techo de la nave. En la segunda se considerará el efecto de las cargas por viento. En el preproceso se verá cómo definir las matrices de rigidez y masa específicas para la resolución de este problema y también como definir los campos específicos para estudiar la reacción de la estructura. En el postproceso se analizarán críticamente los resultados.

Módulo M5. Simulación de un cigüeñal de automóvil, evaluación de la evolución del daño.

Conocimientos previos: Nivel medio en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector automoción.

Contenidos:

Este ejemplo simula los modos de vibración de un cigüeñal. La simulación que se realiza en 3D permite calcular los primeros veinte modos propios de vibración. El material es un acero por lo que se supone elástico lineal. Las condiciones de contorno son lineales: el movimiento de las superficies principales de rodamiento está limitado en la dirección de la normal, es decir, sólo se permite al cigüeñal girar y deslizarse en las superficies del rodamiento; el movimiento axial está limitado en la superficie  trasera  del último rodamiento; además, el cigüeñal se fija en la superficie donde se monta el volante. Se llevará a cabo una visualización detallada de las características de los distintos modos de vibración.

El CAD  es un dato que se incorpora a partir de un fichero con formato de Nastran.

Este caso práctico es propuesto en la biblioteca del paquete de software COMSOL.

Módulo M6. Introducción a la simulación termomecánica con elementos finitos.

Número de horas: 4 horas teóricas

Dirigido: Sectores metalurgia, ingeniería civil y automoción.

Contenidos:

Se formula a partir de un modelo termomecánico general, su correspondiente formulación variacional, aplicándose a la misma una aproximación tipo Galerkin, y deduciendo el sistema lineal asociado. Se discutirá el sistema lineal para distintos tipos de elementos finitos; en particular, el cálculo de la matriz de rigidez y del vector de esfuerzos. Para problemas con efectos de inercia se construirá la matriz de masa. También se analizará la incorporación de distintas condiciones de contorno.

Se verán algunas formulaciones para estructuras 1D correspondientes a modelos reducidos.

 

MÓDULOS DE NIVEL AVANZADO

Módulo A1. Simulación termomecánica de la solidificación de piezas

Conocimientos previos: Nivel básico en CAD y nivel avanzado en CAE

Número de horas: 6 horas prácticas

Dirigido: Sector metalurgia.

Contenidos:

En esta práctica se estudia el proceso de solidificación de una pieza tridimensional de aleación de aluminio. Se trata de un problema termo-mecánico, en el que las deformaciones térmicas y plásticas están acopladas. Se realizará la simulación térmica considerando el cambio de fase que se produce durante el proceso. El campo de temperaturas calculadas se incorporará al problema mecánico tanto para incluir las tensiones derivadas de los fuertes gradientes térmicos como para considerar su influencia en los parámetros mecánicos del material. Además, se incorporarán al modelo mecánico los efectos viscoplásticos a través de una ley de Norton Hoff. Para completar el ejemplo, también se tendrá en cuenta el contacto de la pieza con el suelo, que se supondrá rígido, imponiendo una condición de frontera no lineal como es el contacto. El objetivo de este caso práctico es, por tanto, llevar a cabo una simulación numérica completa de un problema termomecánico con contacto para un material no lineal. El CAD del problema se realizará íntegramente. En el preproceso se impondrán las distintas cargas térmicas y mecánicas así como las condiciones de contorno necesarias, como por ejemplo, el contacto. También en el preproceso se impondrá la ley de comportamiento no lineal del material. Se llevará a cabo la simulación termomecánica y se analizarán críticamente los resultados.

Módulo A2. Simulación de dos piezas ensambladas

Conocimientos previos: Nivel avanzado en CAD y en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sectores metalurgia, ingeniería civil y automoción.

Contenidos:

Simulación 3D de dos piezas ensambladas, y considerando o no una condición de contacto entre ambas.

Se introduce el modelo físico asociado a partir de los conceptos más elementales de las ecuaciones de la elasticidad lineal, los materiales de Hooke, el vector de esfuerzos y las condiciones de contorno para la descripción del contacto sin rozamiento.

 El CAD se realizará íntegramente y se exportará a distintos formatos. En el preproceso se impondrán cargas de tracción y bloqueo, y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica, se discutirán los resultados obtenidos y se visualizarán los cálculos postproceso, que incluyen la configuración deformada y la representación de las tensiones de Von Mises.

Módulo A3. Simulación de los esfuerzos de una pasarela sometida a una prueba de carga y simulación de su vibración

Conocimientos previos: Nivel avanzado en CAD y CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector ingeniería civil.

Contenidos:

Se trata de una estructura compuesta de elementos viga y placa que está sometida a su propio peso y a una sobrecarga uniformemente distribuida sobre las traviesas de paso para verificar la normativa de prueba de carga. Es un ejemplo de elasticidad lineal con materiales de Hooke. El CAD se realizará íntegramente. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo, las derivadas del propio peso y la sobrecarga máxima que debe soportar, y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevarán a cabo las simulaciones numéricas correspondientes a la prueba de carga y a sus modos de vibración. Se visualizarán los cálculos postproceso comprobando que no se superan las tensiones máximas permitidas.

Módulo A4. Nave industrial sometida a movimiento sísmico.

Conocimientos previos: Nivel medio en CAD y nivel avanzado en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector ingeniería civil.

Contenidos:

En este ejemplo se estudia el comportamiento de la estructura de una nave industrial ante la imposición de cargas sísmicas, para lo que se simulan las vibraciones que se producen en la estructura cuando se imponen este tipo de cargas. En este caso práctico, el CAD se realizará completamente combinando estructuras 1D y 2D. En el preproceso se verá cómo definir las matrices de rigidez y masa específicas para la resolución de este problema y también como definir los campos específicos para estudiar la reacción de la estructura. En el postproceso se analizarán críticamente los resultados.

Módulo A5. Simulación de una llanta de automóvil

Conocimientos previos: Nivel medio en CAD y nivel avanzado en CAE

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector automoción.

Contenidos:

El objetivo es simular las deformaciones plásticas que sufre una llanta de automóvil durante el proceso de rodadura. Se realizará la simulación mecánica del problema cuasiestático que modela su comportamiento mecánico cuando la llanta es sometida a una presión creciente en toda su superficie de rodadura de hasta 8000N. Las deformaciones plásticas se supone que siguen una ley de von Mises con endurecimiento isótropo. Se considerarán grandes deformaciones. Se trata, por tanto, de un modelo estático no lineal.

Módulo A6. Tensiones en el suelo derivadas de la apertura de un túnel

 Conocimientos previos: Nivel básico en CAD y nivel avanzado en CAE

Número de horas: 6 horas prácticas

Dirigido: Sector ingeniería civil.

Contenidos:

En este ejemplo se pretende el cálculo de la deformación y las tensiones que se producen en el suelo que rodea a un túnel abierto para el tráfico en una ciudad.

La simulación se lleva a cabo en tres etapas para incorporar la configuración deformada y los esfuerzos que aparecen en cada una de ellas, como configuración de referencia y tensiones iniciales para la simulación de la siguiente fase.

En la primera, de excavación del suelo, se consideran las cargas de volumen derivadas de la gravedad. Estas cargas provocan las tensiones iniciales correspondientes a la siguiente fase.  El suelo se considerará que es un material elástico perfectamente plástico que sigue una ley de Mohr-Coulomb.

En la segunda fase, se incorpora la estructura del túnel sobre el suelo. Se realizará una simulación paramétrica para simular la respuesta del suelo debido al peso adicional y a la rigidez del túnel.  La estructura correspondiente al túnel se considerará de hormigón, siguiendo un comportamiento elástico. Sobre el túnel se impondrán cargas de presión.

El CAD se realizará íntegramente. En el postproceso se visualizarán las tensiones plásticas debidas a la excavación, y las tensiones en las superficies de máxima tensión.

Módulo A7. Simulación de un impacto sobre un parachoques

Conocimientos previos: El CAD es un dato el CAE es avanzado

Número de horas: 4 horas prácticas

Dirigido: Sector automoción.

Contenidos:

En este ejemplo se calcularán las deformaciones sufridas sobre un parachoques al recibir un impacto en su frontal. Se trata de un problema dinámico no lineal de grandes deformaciones y material elastoplástico. El CAD será importado de un fichero en formato .step. En el preproceso se impondrán cargas de bloqueo y se preverán los cálculos postproceso necesarios. Por último se llevará a cabo la simulación numérica y se visualizarán los cálculos postproceso.

Módulo A8. Tratamiento térmico de la cremallera de dirección de un automóvil

Conocimientos previos: Nivel avanzado en CAD y en CAE

Número de horas: 6 horas prácticas

Dirigido: Sector automoción.

Contenidos:

Se trata de una estructura 3D correspondiente a la cremallera de dirección de un automóvil para la que se calculará la deformación producida por dilatación del material por efecto de la temperatura. Se considera la cremallera de acero hipoeutectoide durante la fase de calentamiento, previa a la austenización, por lo que se considerará un modelo termomecánico cuasiestático  acoplado  con la ecuación del calor.

Se introduce el modelo físico asociado a partir de los conceptos más elementales de las ecuaciones de la elasticidad lineal, los materiales de Hooke, las tensiones térmicas, los términos de disipación mecánica y el vector de esfuerzos. El CAD se realiza íntegramente y se exporta a distintos formatos. En el preproceso se imponen cargas de bloqueo sobre el problema mecánico, y para el modelo térmico se impone una temperatura dada en la zona dentada y aislamiento en el resto; además, se prevén los cálculos postproceso necesarios. Por último se lleva a cabo la simulación numérica, se discuten los resultados obtenidos y se visualizan los cálculos postproceso, que incluyen la configuración deformada.

 

INSCRIPCIÓN

Este curso se realiza bajo demanda. Para solicitar información rellene el siguiente formulario.