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Conceptos Básicos de SOLIDWORKS Simulation
SOLIDWORKS® Simulation es un sistema de análisis de diseño que está completamente integrado con SOLIDWORKS.
SOLIDWORKS Simulation ofrece soluciones de simulación para análisis estáticos lineales y no lineales, de frecuencia, de pandeo, térmicos, de fatiga, de recipiente a presión, de caída, dinámicos lineales y no lineales, y de optimización.
Alimentado por programas de resolución de problemas rápidos y precisos (solvers), SOLIDWORKS Simulation le permite resolver grandes problemas de forma intuitiva mientras diseña. SOLIDWORKS Simulation viene en dos paquetes: SOLIDWORKS Simulation Professional y SOLIDWORKS Simulation Premium para satisfacer sus necesidades de análisis.
SOLIDWORKS Simulation reduce el tiempo de salida al mercado ahorrando tiempo y esfuerzo en la búsqueda de resultados de diseño óptimos.
Ventajas del análisis
Luego de construir su modelo, deberá asegurarse del eficaz funcionamiento de éste en el campo. Sin herramientas de análisis, esta tarea sólo se puede afrontar realizando ciclos de desarrollo de productos costosos y que insumen una gran cantidad de tiempo. Un ciclo de desarrollo de producto normalmente incluye los siguientes pasos:
- 1. Construir el modelo
- 2. Construcción de un prototipo del diseño.
- 3. Prueba del prototipo en el campo.
- 4. Evaluación de los resultados de las pruebas de campo.
- 5. Modificación del diseño basándose en los resultados de la prueba de campo.
Este proceso continúa hasta que se haya alcanzado una solución satisfactoria. El análisis le puede ayudar a realizar las siguientes tareas:
- – Reducir el costo simulando la prueba de su modelo en la computadora en lugar de realizar pruebas de campo costosas.
- – Adelantar la comercialización del producto reduciendo el número de ciclos de desarrollo del mismo.
- – Mejorar productos probando rápidamente múltiples conceptos y situaciones antes de tomar una decisión final, lo cual le proporciona más tiempo para idear nuevos diseños.
Conceptos básicos del análisis
El software utiliza el Método de elemento finito (FEM). El FEM es una técnica numérica para analizar diseños de ingeniería. El FEM está aceptado como el método de análisis estándar debido a su generalidad y compatibilidad para ser implementado en computadoras. El FEM divide el modelo en numerosas piezas pequeñas de formas simples llamadas «elementos», que reemplazan eficazmente un problema complejo por muchos problemas simples que deben ser resueltos de manera simultánea.
Modelo CAD de una pieza Modelo subdividido en piezas pequeñas (elementos) Los elementos comparten puntos comunes denominados «nodos». El proceso de división del modelo en pequeñas piezas se denomina mallado.
El comportamiento de cada elemento es bien conocido bajo todas las situaciones de soporte y carga posibles. El método de elemento finito utiliza elementos con formas diferentes.
La respuesta en un elemento, en cualquier momento, se interpola desde la respuesta en los nodos del elemento. Cada nodo está descrito en detalle por un cierto número de parámetros, según el tipo de análisis o del elemento utilizado. Por ejemplo, la temperatura de un nodo describe por completo su respuesta en el análisis térmico. Para el análisis estructural, la respuesta de un nodo está descrita, por lo general, por tres traslaciones y tres rotaciones. Se denominan grados de libertad (GDL). El análisis que utiliza FEM se denomina Análisis de elementos finitos (FEA).
Un elemento tetraédrico. Los puntos rojos representan nodos. Las aristas de un elemento pueden ser curvadas o rectas.
El software formula las ecuaciones que rigen el comportamiento de cada elemento teniendo en cuenta su conectividad con los demás elementos. Estas ecuaciones hacen referencia a la respuesta de cargas, restricciones y propiedades del material conocidas.
A continuación, el programa organiza las ecuaciones en un conjunto mayor de ecuaciones algebraicas simultáneas y resuelve las desconocidas.
En el análisis de tensión, por ejemplo, el solver encuentra los desplazamientos en cada nodo y, posteriormente, el programa calcula las deformaciones unitarias y finalmente las tensiones.
El software ofrece los siguientes tipos de estudios:
Tipo de estudio Icono del estudio Estático Gráfico de historia-tiempo Frecuencia Armónico Pandeo Vibración aleatoria Térmico Espectro de respuesta Estudio de diseño Caída Estático no lineal Fatiga Dinámico no lineal Diseño de recipiente a presión
Gestor de Simulation
El gestor de Simulation organiza un estudio de análisis. Su función es similar al gestor del FeatureManager. Se puede utilizar el sistema de menús o el gestor de Simulation para administrar los estudios de análisis. Debido a que posee menús contextuales de representación intuitiva, el uso del gestor de Simulation es preferible al sistema de menús.
El software crea una pestaña en la parte inferior de la zona de gráficos para cada estudio.
Para ver un estudio, haga clic en su pestaña del gestor de Simulation.
Las subcarpetas definen los parámetros del estudio. Por ejemplo, cada estudio estructural tiene una subcarpeta Sujeciones, Cargas externas y Conexiones. Las definiciones de carga aparecen en la carpeta Cargas externas
, las definiciones de las restricciones aparecen en la carpeta Sujeciones
y las definiciones de contacto aparecen en la carpeta Conexiones
. Puede organizar sujeciones, cargas y conectores en carpetas.
Los menús contextuales proporcionan opciones de sensibilidad al contexto. Arrastrar y colocar (o copiar y pegar) y duplicar ayudan a definir rápidamente los estudios posteriores.
El gestor de Simulation proporciona una visión práctica de la información más importante de los estudios de análisis en un documento.
Cada pestaña del gestor de Simulation representa un estudio. Cada estudio contiene una carpeta y subcarpetas en su gestor. Las subcarpetas dependen del tipo de estudio. El software asigna un icono único a cada tipo de estudio para una fácil identificación del tipo de estudio.
Tipo de estudio Icono del estudio Estático Gráfico de historia-tiempo Frecuencia Armónico Pandeo Vibración aleatoria Térmico Caída Estudio de diseño Fatiga Estático no lineal Diseño de recipiente a presión Dinámico no lineal El icono Parámetrosmuestra si hay un parámetro definido en el estudio.
Tras la ejecución correcta de un estudio, el software crea los trazados de resultados en la carpeta Resultados
, según lo especificado en las opciones de resultados, o bien actualiza los trazados de resultados existentes.
Estudios de Simulation
Por lo general, un modelo está sujeto a diferentes entornos de servicios y condiciones de funcionamiento durante su ciclo de vida. Por lo tanto, es importante considerar todos los escenarios de cargas y condiciones de contorno posibles y probar diferentes propiedades de material en el análisis de un modelo.
Un estudio de simulación se define por los siguientes factores:
- – Cotas del modelo
- – Tipo de estudio y opciones relacionadas para definir la intención del análisis
- – Propiedades de material
- – Condiciones de cargas y contorno
Para crear un estudio, haga clic en Nuevo estudio
(Administrador de comandos de Simulation). Defina un estudio por nombre, tipo de análisis y propiedades. Las propiedades del estudio establecen opciones relacionadas con un tipo de análisis específico.
Los estudios de diseño y fatiga utilizan la malla de los estudios asociados. Los estudios de caída utilizan únicamente una malla sólida. Los estudios de diseño de recipientes a presión combinan resultados y no requieren una malla.Tipo de malla basado en las características geométricas
El programa asigna automáticamente el tipo de malla apropiado a los sólidos basándose en sus operaciones de geometría.
Malla sólida Todos los modelos de sólidos se mallan con elementos sólidos (tetraédricos). Malla de vaciado Las geometrías de la superficie y las planchas metálicas con espesor uniforme se mallan con elementos de vaciado triangulares.
Sólo en los estudios de caída, los sólidos de chapa metálica se convierten en sólidos y se mallan con elementos sólidos.Malla de viga Los miembros estructurales y las soldaduras se mallan con elementos en viga. Puede tratar una extrusión (mallas con elementos sólidos de forma predeterminada) como una viga haciendo clic con el botón derecho en el icono del sólido y seleccionando Tratar como viga. Malla mixta Cuando hay varias geometrías en el mismo modelo, se genera una malla mixta. Uso de los estudios de simulaciónPuede usar los estudios de simulación para comprobar la seguridad de productos existentes en condiciones de trabajo o diseñar nuevos productos.
La línea de productos de SOLIDWORKS Simulation ofrece otros tipos de estudios como, por ejemplo, estudios no lineales, de respuesta dinámica, de flujo de fluidos y electromagnéticos.
- Comprobar un diseño existente. Cuando se comprueba un producto existente, la geometría ya está determinada. El objetivo es controlar el rendimiento del producto en diferentes condiciones de trabajo e investigar la posibilidad de mejorar el rendimiento o de ahorrar material.
- Realizar un nuevo diseño. Cuando se utiliza el análisis de diseño para realizar un diseño nuevo, se pueden probar diferentes configuraciones geométricas y materiales para probar la respuesta del modelo en diversas condiciones de trabajo.
Asesor de simulacionesEl Asesor de simulaciones ayuda a elegir el tipo de estudio, definir cargas, sujeciones y conexiones, e interpretar los resultados.
Pasos del análisis
Los pasos necesarios para llevar a cabo un análisis dependen del tipo de estudio. Un estudio se completa llevando a cabo los siguientes pasos:
- – Cree un estudio definiendo el tipo de análisis y las opciones.
- – Si es necesario, defina parámetros del estudio. Un parámetro puede ser una cota del modelo, propiedad del material, valor de fuerza o cualquiera otro dato.
- – Defina propiedades de material. Este paso no es necesario si se han definido las propiedades de material en el sistema CAD. Los estudios de fatiga y optimización utilizan estudios de referencia para las definiciones de materiales.
- – Especifique restricciones y cargas. Los estudios de fatiga y optimización utilizan estudios mencionados para restricciones y cargas. Los estudios de caída no le permiten definir restricciones y cargas distintas de las que se especificaron en la configuración.
- – El programa crea automáticamente una malla de vaciado para superficies y chapas metálicas con un espesor uniforme. Para chapas metálicas, haga clic con el botón derecho del ratón en el icono de vaciado y seleccione Tratar como sólido para mallar con elementos sólidos.
- En los estudios de caída, las chapas metálicas se mallan con elementos sólidos.
- – El programa malla automáticamente los miembros estructurales con elementos de viga.
- – El programa crea una malla mixta automáticamente cuando hay diferentes geometrías ( sólido, vaciado, miembros estructurales, etc.) en el modelo.
- – Defina un contacto entre componentes y conjuntos de contactos.
- – Cree el mallado del modelo para dividirlo en muchas piezas pequeñas denominadas elementos. Los estudios de fatiga y optimización utilizan las mallas en estudios mencionados.
– Ejecute el estudio.
– Ver resultados.
- Se pueden definir las propiedades del material, las cargas y restricciones, y crear la malla en cualquier orden. Sin embargo, deberá definir todos los datos necesarios antes de ejecutar el estudio.
Asesor de simulaciones
Asesor de simulaciones es un conjunto de herramientas que le guían a través del proceso de análisis. Al responder a una serie de preguntas, estas herramientas recopilan los datos necesarios para ayudarle a realizar el análisis. El Asesor de simulaciones incluye:
| Asesor de simulaciones | Recomienda los tipos de estudio y las salidas previstas. Ayuda a definir sensores y crea estudios automáticamente. |
| Asesor de sólidos y materiales | Permite especifica cómo se quiere tratar los sólidos dentro de una pieza o un ensamblaje, así como aplicar materiales a los componentes. |
| Asesor de interacciones | Define interacciones internas entre sólidos en el modelo, al igual que interacciones externas entre el modelo y el entorno. Las interacciones incluyen cargas, sujeciones, conectores y contactos. |
| Asesor de Crear malla y ejecutar | Ayuda a definir la malla y ejecutar el estudio. |
| Asesor de resultados | Proporciona consejos para interpretar y ver la salida de la simulación. Además, ayuda a determinar si la frecuencia o el pandeo pueden plantear problemas. |
El Asesor de simulaciones funciona con la interfaz de SOLIDWORKS Simulation iniciando los PropertyManagers adecuados y enlazando con los temas de la ayuda en línea para obtener información adicional.El Asesor de simulaciones le guía a través del flujo de trabajo de análisis desde la selección del tipo de estudio hasta el análisis del resultado de la simulación. A través del flujo de trabajo, y según los requisitos que haya que satisfacer, se utiliza cada uno de los asesores individuales.
Iniciar el Asesor de simulaciones
Para iniciar el Asesor de simulaciones:
Haga clic en Asesor de simulaciones (en el CommandManager de Simulation).
Acceder a cada asesor
Para abrir cada asesor:
Haga clic en una de las siguientes operaciones en el CommandManager de Simulation:
| Opción | Descripción |
|---|---|
| Estudio | Para acceder al Asesor de simulaciones |
| Sujeciones | Acceder a la sección Sujeciones del Asesor de interacciones |
| Cargas externas | Acceder a la sección Cargas del Asesor de interacciones |
| Conexiones | Acceder a la sección Conexiones del Asesor de interacciones |
| Resultados | Acceder al Asesor de resultados |
Materiales
Antes de ejecutar un estudio, se deben definir todas las propiedades de material requeridas por el tipo de análisis relacionado y el modelo de material especificado. Un modelo de material describe el comportamiento del material y determina las propiedades de material requeridas. Los modelos de material isotrópicos y ortotrópicos lineales están disponibles para todos los estudios estructurales y térmicos. También hay otros modelos de material disponibles para estudios de tensión no lineales. El modelo von Mises de plasticidad está disponible para estudios de caída. Las propiedades de material se pueden especificar como función de temperatura.
- – Para los ensamblajes sólidos, cada componente puede tener un material diferente.
- – Para los modelos de vaciado, cada vaciado puede tener un material y un espesor diferentes.
- – Para los modelos de vaciado, el material de la pieza se usa para todos los vaciados.
- – Para los modelos de viga, cada viga puede tener un material diferente.
- – Para modelos de malla mixta, deberá definir las propiedades de material necesarias para los sólidos y los vaciados por separado.
Existen tres maneras de definir las propiedades de material:
- 1. Utilizar materiales asignados a piezas en el sistema CAD.
- 2. Seleccionar un material de una de las bibliotecas de materiales predeterminados o de una biblioteca de materiales definidos por el usuario.
- 3. Especificar los valores de las propiedades necesarias de forma manual.
De forma predeterminada, el software utiliza el material asignado a piezas en el sistema CAD. La asignación de un material a una pieza en el software de análisis no actualiza el material utilizado en el sistema CAD.
Sujeciones y cargas
Las sujeciones y las cargas definen el entorno del modelo. Cada condición de restricción o de carga está representada por un icono en el gestor de Simulation. El software brinda opciones sensibles al contexto para definir las restricciones. Por ejemplo, si todas las caras seleccionadas son cilíndricas o si se selecciona un eje de referencia, el programa espera que defina las restricciones radiales, circunferenciales y axiales.
En el caso de los estudios no lineales y los estudios térmicos transitorios, las cargas y las sujeciones se definen como función de tiempo.
Las cargas y las sujeciones son completamente asociativas y se ajustan automáticamente a los cambios en la geometría. La función de arrastrar y colocar del gestor de Simulation permite copiar estudios, carpetas y elementos.
El software puede importar cargas directamente desde SOLIDWORKS Motion y SOLIDWORKS Flow Simulation.
Conectores
Un conector simula el comportamiento de un mecanismo sin la necesidad de crear una geometría detallada. El software permite definir conectores rígidos, de muelle, espiga, perno, soporte elástico, articulación, soldadura por puntos y conectores de apoyo. Dichos conectores se encuentran en muchos diseños del mundo real.
Puede organizar sujeciones, cargas y conectores en carpetas. En el gestor de Simulation, haga clic con el botón derecho en Conexiones, Sujeciones o Cargas externas y seleccione Crear nueva carpeta. Arrastre las conexiones, sujeciones o cargas externas correspondientes a la carpeta o haga clic con el botón derecho en el nombre de la carpeta y seleccione un elemento para crear en ella.
Especificar direcciones
La especificación de direcciones es necesaria a veces durante la definición del modelo y la visualización de resultados. En la definición del modelo, se utilizan las direcciones para definir las cargas, las restricciones y las propiedades del material ortotrópico. En la visualización de resultados, se solicitan direcciones para la visualización de resultados direccionales tales como los desplazamientos, las tensiones, las deformaciones unitarias y el flujo de calor en ciertas direcciones.
Mallado
El análisis de elementos finitos (FEA) proporciona una técnica numérica fiable para analizar los diseños de ingeniería. El proceso empieza con la creación de un modelo geométrico. Luego, el programa subdivide el modelo en partes pequeñas de formas sencillas llamadas elementos, que están conectadas en puntos comunes llamados nodos. El proceso de subdividir el modelo en pequeñas partes se llama mallado. Los programas de análisis de elementos finitos consideran al modelo como una red de elementos interconectados.
El mallado es un paso crucial en el análisis de diseño. El software crea automáticamente una malla combinada de elementos sólidos, de vaciado y de viga. La malla sólida es adecuada para los modelos voluminosos o complejos en 3D. Los elementos de vaciado son adecuados para las piezas delgadas (como las chapas metálicas). Los elementos de viga son adecuados para miembros estructurales.
La precisión de la solución depende de la calidad de la malla. En general, cuanto más delgada es la malla mayor es la precisión. La malla generada depende de los siguientes factores:
- – Geometría creada
- – Opciones de malla activas
- – Control de malla
- – Condiciones de contacto
- – Tamaño global del elemento y tolerancia de malla.
- El software recomienda un tamaño de elemento y una tolerancia globales. El tamaño global del elemento se refiere a una longitud promedio de una arista del elemento. La cantidad de elementos aumenta rápidamente al utilizar un tamaño global del elemento más pequeño.
Tipo de malla basado en las características geométricas
El programa asigna automáticamente el tipo de malla apropiado a los sólidos basándose en sus operaciones de geometría.
| Malla sólida | Todos los modelos de sólidos se mallan con elementos sólidos (tetraédricos). |
| Malla de vaciado | Las geometrías de la superficie y las planchas metálicas con espesor uniforme se mallan con elementos de vaciado triangulares. Las chapas metálicas definidas en un estudio de caída se mallan con elementos sólidos. |
| Malla de viga | Los miembros estructurales y las soldaduras se mallan con elementos en viga. Puede tratar una extrusión (mallas con elementos sólidos de forma predeterminada) como una viga haciendo clic con el botón derecho en el icono del sólido y seleccionando Tratar como viga. |
| Malla mixta | Cuando hay varias geometrías en el mismo modelo, se genera una malla mixta. |
Métodos adaptativos para estudios estáticos
Los métodos adaptativos ayudan a obtener una solución apropiada para los estudios estáticos. Hay dos tipos de métodos adaptativos: método-h y método-p. El concepto del método-h es utilizar elementos más pequeños en regiones con errores relativos altos. El método-p aumenta el orden polinomial de los elementos con errores relativos altos.
Ejecutar estudios
Después de asignar los materiales, definir las cargas y restricciones y mallar el modelo, ejecute el estudio para calcular los resultados. Si ejecuta un estudio antes de generar el mallado, el software malla el modelo y ejecuta el estudio.
Para ejecutar un estudio, haga clic con el botón derecho del ratón en el gestor de Simulation y seleccione Ejecutar, o bien haga clic en Ejecutar en la barra de herramientas de Simulation.
Ver los resultados
Tras ejecutar el análisis, el software genera trazados de resultados predeterminados personalizables. Puede ver un trazado haciendo doble clic en su icono en el gestor de Simulation.
¿Qué errores hay?
Visualice errores y advertencias en el estado actual de un estudio de Simulation.
Para visualizar errores o advertencias con ¿Qué errores hay?:
- En el gestor de Simulation, haga clic con el botón derecho del ratón en el icono del estudio que tiene un icono de error y seleccione ¿Qué errores hay?
Cuando hay un error en el estudio, debe corregir el error para ejecutar el estudio. Cuando existe una advertencia en una operación, todavía es posible ejecutar el estudio o visualizar los resultados existentes.
Los errores o advertencias pueden identificarse por los iconos del gestor de Simulation:
| Icono | Descripción |
|---|---|
| Indica un error con el estudio. Este icono aparece junto a un nombre de estudio en la parte superior del gestor de Simulation. | |
| Indica un error con una operación de un estudio. Un error indica que la operación de Simulation no es válida. | |
| Indica una advertencia con una operación. Un icono de advertencia junto a las carpetas Resultados o Malla, indica que los resultados no son actuales o recientes. |
El cuadro de diálogo incluye columnas que muestran:
| Tipo | Error |
| Operación | El nombre de la operación del estudio y su icono en el gestor de Simulation. |
| Descripción | Una explicación del error o de la advertencia. |
El cuadro de diálogo incluye estas casillas de verificación:
| Mostrar errores | Visualiza los mensajes de error. |
| Mostrar advertencias | Visualiza los mensajes de advertencia. |
Parámetros
Utilice parámetros en los Estudios de diseño y vincúlelos a variables que se pueden cambiar con cada iteración de un escenario de diseño de evaluación u optimización. Puede crear parámetros para cotas de modelo, variables globales y a operaciones de estudios de Simulation o Motion.
Vincules los parámetros a los campos de entrada para permitir que los parámetros conduzcan el valor numérico de la operación asociada. Por ejemplo, si usted define Fuerza1 (Force1) como un parámetro de fuerza, puede vincularlo al campo de entrada de fuerza en lugar de introducir un valor numérico. Si se cambia el valor del parámetro Fuerza1, se cambia automáticamente la entrada fuerza vinculada.
Sistemas de coordenadas
La entrada direccional hace referencia en forma predeterminada al sistema de coordenadas global (X, Y y Z), que está basado en el Plano1 (Plane1) con su origen ubicado en el Origen de la pieza o ensamblaje. El Plano1 es el primer plano que aparece en el gestor de diseño del FeatureManager y puede tener un nombre diferente. El sistema de referencia muestra las direcciones globales X, Y y Z.
La figura que sigue a continuación muestra la relación entre el sistema de coordenadas global y Plano1, Plano2 (Plane2) y Plano3 (Plane3).
Importar cargas dinámicas
El cuadro de diálogo Importar cargas dinámicas permite leer cargas dinámicas calculadas por SOLIDWORKS Motion e importarlas a SOLIDWORKS Simulation. Puede importar cargas en un sólo instante de tiempo o en múltiples instantes.
Importar cargas dinámicas desde SOLIDWORKS Motion
SOLIDWORKS Simulation lee las cargas dinámicas directamente desde una base de datos de SOLIDWORKS Motion. Puede importar cargas en un sólo instante de tiempo o en múltiples instantes.
Al solicitar varios instantes, SOLIDWORKS Simulation crea un estudio de diseño con las cargas de gravedad a lo largo de las direcciones X, Y y Z, además de las cargas producidas por la velocidad y aceleración angular como variables. A continuación, puede introducir los valores necesarios para esas variables. De forma predeterminada, el programa crea restricciones de acuerdo con los sensores definidos y selecciona la opción Sólo controlar.
Componentes de la interfaz de usuario
En esta sección se describen los siguientes componentes de la interfaz del software:
Problemas de contacto
El software admite condiciones de contacto para estudios estáticos, no lineales, dinámicos, de caída y térmicos de ensamblajes y piezas multicuerpo. Para estudios estáticos y no lineales, se puede considerar el efecto producido por la fricción entre las caras en contacto.
Bases de datos de resultados
El software guarda los resultados de cada estudio en un archivo de la base de datos con extensión CWR. El nombre de la base de datos para un estudio se construye automáticamente uniendo el nombre del estudio al nombre de la pieza o del ensamblaje separados por “-”.
Por ejemplo, si el nombre del documento es Ensamblaje-de-manivela (Crank-assembly) y el nombre del estudio es Estudio-inicial (Initial-Study), el nombre de archivo del estudio será Estudio-inicial-Ensamblaje-de-manivela.CWR (Crank-assembly-Initial-Study.CWR).
Búsqueda de documentos de análisis
Puede buscar palabras clave del análisis dentro de:
- Piezas y ensamblajes de biblioteca de análisis (*.sldalprt y *.sldalasm)
- Piezas y ensamblajes (*.sldprt y *.sldasm)
Debe guardar los documentos en SOLIDWORKS Simulation 2008 o posterior para buscar las palabras clave del análisis.
Acerca de las unidades
El software le permite elegir las unidades para definir las operaciones de análisis y visualizar los resultados. Cada PropertyManager o Cuadro de diálogo que requiera introducir datos con unidades, permite utilizar las unidades predeterminadas u otras diferentes.