Anl i i y d ic f to d e p iezo c o n C A T I A V 5 29 edicin

Jo&c Antonio Vqyez Angulo

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Uo / / O

Anlisis y diseo

de piezas de mquinas con

CATIA V5

2a edicin

U N I V E R S I D A D d * V A L L A O O U D ESCUELA P t I W C I W I M t A S INPUSTMA1ES

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Jose Antonio Vsquez Angulo

Anlisis y diseo de piezas de mquinas con

CATIA V5 2a edicin

marcombo e d i c i o n e s t c n i c a s

Anlisis y diseo de piezas de mquinas con CATIA V5

Segunda edicin, 2012

2012 Jos Antonio Vsquez Angulo

2012 MARCOMBO, S.A. Gran Via de les Corts Catalanes 594 08007 Barcelona (Espaa) www.marcombo.com

Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorizacin escrita de los titulares del copy-right, bajo las sanciones establecidas en las leves, la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, incluidos la reprografa y el trata-miento informtico, as como la distribucin de ejemplares mediante alquiler o prs-tamo pblicos.

ISBN: ISBN: 978-84-267-1748-1

Depsito legal: BI 2699 2011 Printed in Spain

mis padres

ndice general

Introduccin xv

Captulo 1 - Inicio con CATIA 1

1.1 Ventana de bienvenida 2 1.1 Entorno de CATIA 3

1.2.1 Barra de mens 4 1.2.2 rbol 4 1.2.3 Barra de herramientas 4 1.2.4 Planos 4 1.2.5 Comps 4

Captulo 2 - Elementos finitos 7

2.1 Introduccin 7 2.2 Aplicacin del mtodo de elementos finitos (MEF) 8

Captulo 3 - Escoger material 9

3.1 Nuevos materiales en la biblioteca de materiales 9 3.2 Crear nuevos grupos de materiales 15

3.2.1 Pestaa Feature Properties 16 3.2.2 Pestaa Analysis 16 3.2.3 Pestaa Draioing 18 3.2.4 Pestaa Rendering 19 3.2.5 Pestaa Inheritance 20

Captulo 4 - El mdulo GPS 21

4.1 Definiendo el anlisis con el MEF 22 4.2 Ejemplo representativo empleando el mdulo GPS 23

v

CATIA V 5

4.3 Anlisis por el MEF 24 4.3.1 Primeros pasos 24 4.3.2 Definiendo cargas y condiciones 25 4.3.3 Anlisis de resultados 27 4.3.4 Representacin de resultados 28 4.3.5 Nueva representacin de resultados 30

4.4 Configuracin de del mdulo GPS 33 4.4.1 Pestaa External Storage 33 4.4.2 Pestaa General 34 4.4.3 Pestaa Quality 34 4.4.4 Pestaa Graphics 35 4.4.5 Pestaa Post Processing 35 4.4.6 Pestaa Reporting 35

4.5 Cambio de unidades 35

Captulo 5 - Condiciones de frontera 37

5.1 Sistema de coordenadas 39 5.1.1 Sistema de coordenadas global 39 5.1.2 Sistema de coordenadas implcito 39

5.1.2.1 El Sistema implcito de coordenadas cartesianas . 39 5.1.2.2 Sistema implcito de coordenadas cilindricas . . . . 40

5.1.3 Sistema de coordenadas definidos por el usuario 40

5.2 Barra de herramientas Restraints 40 5.2.1 Herramienta Clampps (Empotramiento fijo) 41 5.2.2 Herramienta Surface Sliders (Superficies deslizables) 41 5.2.3 Herramienta User-ddefined Restraints (Restricciones

definidas por el usuario) 43

5.3 Barra de herramientas Advanced Restrains 46 5.3.1 Herramienta Iso-static Restraints (Restricciones

y condiciones Isostticas) 46

5.4 Barra de herramientas Mechanical Restraints 47 5.4.1 Herramienta Slider (Cojinete con apoyo libre) 47 5.4.2 Herramienta Sliding Pivots (Cojinete radial

con apoyo libre) 48 5.4.3 Herramienta Ball joins (Articulacin esfrica) 49 5.4.4 Herramienta Pivots (Pivote) 50

5.5 Elementos virtuales 51 5.5.1 Rigid Virtual Parts (Elemento virtual rgido) 52 5.5.2 Smooth Virtual Parts (Elemento virtual mvil

o desplazable) 53

vi i i

ndice general

5.5.3 Contact Virtual Parts (Elemento virtual de contacto) 54 5.5.4 Rigid Spring Virtual Parts (Elemento virtual

de resorte fijo) 56 5.5.5 Spring Smooth Virtual Parts (Elemento virtual

de resorte mvil) 58 5.5.6 Herramienta Periodicity Conditions 58

Captulo 6 - Definicin de la aplicacin de cargas 61

6.1 Barra de herramientas LOADS 63 6.1.1 Herramienta Pressure (Presin) 63 6.1.2 Herramienta Enforced Displacement

(Desplazamiento forzado) 64

6.2 Sub-barra de herramientas FORCES 66 6.2.1 Herramienta Distribuited Force (Carga distribuida) 66 6.2.2 Herramienta Moment (Momento) 68 6.2.3 Herramienta Bearing Load (Carga de soporte en cojinetes) . 69 6.2.4 Herramienta Importing Force (Carga importada) 70 6.2.5 Herramienta Importing Moments

(Importacin de Momentos) 72

6.3 Sub-barra de herramientas BODY MOTION 72 6.3.1 Herramienta Acceleration (Fuerza de gravedad) 73 6.3.2 Herramienta Rotation Force (Fuerza producida

en la Rotacin) 74

6.4 Sub-barra de herramientas FORCE DENSITIES 75 6.4.1 Herramienta Line Force Density (Carga aplicada

en una lnea de accin) 75 6.4.2 Herramienta Surface Force Density (Carga aplicada

en la superficie) 77 6.4.3 Herramienta Volume Force Density (Carga en Slidos) 75 6.4.4 Herramienta Force Density (Densidad de carga) 79

6.5 Sub-barra de herramientas TEMPERATURE 80 6.5.1 Herramienta Temperature Field (Campo de Temperatura) . . 80 6.5.2 Herramienta Temperature Field from Thermal Solution 82

6.6 Sub-barra de herramientas ADVANCED LOADS 83 6.6.1 Herramienta Assembled Loads (Cargas de montaje) 84 6.6.2 Herramienta Combined Loads (Cargas combinadas) 85

6.7 Generacin de cargas adicionales de masa 86 6.7.1 Distributed Mass (Simulacin de distribucin de masas) . . . 86 6.7.2 Line Mass Ditributed (Masa distribuida en una lnea) 87

x

CATIA V 5

6.7.3 Surface Mass Distributed (Masa distribuida en una superficie) 88

6.7.4 Distributed Mass and Inertia (Distribucin de masas e inercia) 88

6.7.5 Combined Masses (Simulacin de carga de masas combinadas) 90

6.7.6 Assembled Masses (Simulacin de carga de masas ensambladas) 90

Captulo 7 - Realizando los clculos 93

7.1 Primeros pasos 93 7.2 Cmo y dnde guardar los CATAnalysis 95

7.3 Haciendo una malla ms fina y nuevos clculos 96 7.4 Refinando la malla 100 7.5 Mtodos de clculo 106

7.5.1 Proceso Static Case (Anlisis esttico) 107 7.5.2 Proceso Frequency Case (Anlisis de frecuencia) 108 7.5.3 Proceso Buckling Case (Ondulacin superficial) 110 7.5.4 Proceso Combined Case (Anlisis combinados) 111 7.5.5 Proceso Static Constrained Modes (Mtodos

estticamente limitados) 112 7.5.6 Proceso Preprocessing Case (Pretratamiento) 113 7.5.7 Proceso Solution Case (Solucin) 114 7.5.8 Proceso Envelop Case (Envolvente) 115 7.5.9 Proceso Harmonic Dynamic Response Case 116 7.5.10 Proceso Transient Dynamic Response Case 121

Captulo 8 - Evaluacin grfica de los resultados . 127

8.1 Herramienta Deformation (Deformacin) 128 8.2 Herramienta Von Mises Stress (Concentracin de esfuerzos) 129 8.3 Herramienta Displacement (Evaluacin grfica

de la deformacin) 133 8.4 Herramienta Principal stress (Mxima concentracin

de esfuerzos) 135 8.5 Herramienta Precision (Estimacin de error) 139 8.6 Barra de herramientas ANALYSIS TOOLS

(instrumentos para el anlisis) 141 8.6.1 Herramienta Cut Plane Analysis (Anlisis de corte) 141 8.6.2 Herramienta Animate (Animacin) 142

x

ndice general

8.6.3 Herramienta Amplification Magnitude (Factor de deformacin) 142

8.6.4 Herramienta Image Extrema (Visualizar los valores mximos y mnimos) 143

8.6.5 Herramienta Information 144 8.6.6 Herramienta Images Layout 145 8.6.7 Herramienta Simplified Representation 145

8.7 Barra de herramientas ANALYSIS RESULTS 146 8.7.1 Herramienta Generate Report

(Informe bsico del anlisis) 147 8.7.2 Herramienta Generate Advanced Report 147 8.7.3 Herramienta Historie of Computations 149 8.7.4 Herramienta Elfini Solver Log (Listado del informe) 149

8.8 SENSORS (Sensores) 149 8.8.1 Global Sensor 150 8.8.2 Local Sensor 151 8.8.3 Load Sensor (sensor de cargas) 153 8.8.4 Reaction Sensor (Sensor de reaccin) 154

Captulo 9 - Cmputo de elementos de mquina ensamblados (GAS) 155

9.1 Condiciones en un ensamble 155 9.1.1 Herramienta General Analysis Connection

(Conexin general sin contacto de superficie) 157 9.1.2 Herramienta Point Analysis Connection 158 9.1.3 Herramienta Point Analysis Connection within one part 159 9.1.4 Herramienta Line Analysis Connection 160 9.1.5 Herramienta Line Aiialysis Connection within one part 160 9.1.6 Herramienta Surface Analysis Connection 161 9.1.7 Herramientas Points to Points Analysis Connection 161 9.1.8 Herramienta Point Analysis Interface 162

9.2 Conexin entre dos piezas 163 9.2.1 Slider Connection Property (Caractersticas

de fijacin entre piezas) 165 9.2.2 Contact Connection Property 169 9.2.3 Fastened Connection Property 167 9.2.4 Fastened spring connection Property 169 9.2.5 Herramienta Pressure Fitting Connection Property 170 9.2.6 Herramienta Bolt Tightening Connection Property 171 9.2.7 Herramienta Riding Connection Property 172 9.2.8 Herramienta Smooth Connection Property 174

xi

CATIA V5

9.29 Herramienta Virtual Bolt Tightening Connection Property 175

9.2.10 Herramienta Virtual Spring Bolt Tightening Connection Property 177

9.2.11 Herramienta User-defined Distant Connection Property 178

9.3 Uniones soldadas 179 9.3.1 Herramienta Sport Welding Connection Property 179 9.3.2 Herramienta Seam Welding Connection Property 181 9.3.3 Herramienta Surface Welding Connection Property 183 9.3.4 Herramienta Nodes to Nodes Connection Property 184 9.3.5 Herramienta Node Interface Property 184

Captulo 10 - Tipos de elementos . 187

10.1 Elementos de una dimensin (ID) 187 10.2 Elementos de dos dimensiones (2D) 187 10.3 Elementos finitos 188

10.3.1 Herramienta Octree Tetrahedron Mesher 189 10.3.2 Herramienta Beam Mesher 189 10.3.3 Herramienta Octree Triangle Mesher 190

10.4 Definiendo los elementos en ID, 2D y 3D 191 10.4.1 Herramienta 3D Property 191 10.4.2 Herramienta 2D Property 192 10.4.3 Herramienta ID Property 193

10.4.3.1 User-defined-beam 195 10.4.3.2 Beam from surface 197 10.4.3.3 Bar 197 10.4.3.4 Variable beam 197

10.5 Superficies con elementos cuadrados (QUADELEMET QD4 y QD8) 198 10.5.1 Show Statistics Curves 203 10.5.2 Show Quality Report 203 10.5.3 Analize an Element 204 10.5.4 Worst Elements Browser 204

10.6 Elementos de tres dimensiones (3D) 206

Captulo 11 - Ejercicios 209

11.1 Diseo de una biela de bicicleta 209 11.1.1 Anlisis de resultados 218

xii

ndice general

11.2 Sistema de transmisin 221 11.2.1 Anlisis del engranaje recto (pin) 221

11.2.1.1 Anlisis de resultados 228 11.2.2 Anlisis del engranaje cnico recto 228 11.2.2.1 Anlisis de resultados 232

11.2.3 Anlisis del eje escalonado 233 11.2.3.1 Anlisis de resultados 237

11.2.4 Anlisis del sistema completo (GAS) 237 11.2.4.1 Anlisis de resultados 247

11.3 Sistema de abrazadora para sostn de tuberas 248

Bibliografa 265

xiii

Introduccin

El mtodo de elementos finitos MEF o FEM, como se le conoce en ingls, se ha con-vertido en el mtodo estndar ms usado actualmente para la simulacin numrica. Este procedimiento no se emplea slo en las grandes empresas, como en la industria automovilstica y la aeronutica, sino que, cada vez ms, tambin se utiliza este pro-grama en las pequeas y medianas empresas. Este mtodo numrico es utilizado para resolver mediante ecuaciones matriciales las diversas ecuaciones diferenciales que se plantean en las distintas estructuras.

Uno de los principales problemas en la aplicacin del MEF es la considerable comple-jidad de los programas de clculo. Estas aplicaciones son muy extensas e incluyen sofisticados y complejos clculos que solo con una computadora central podran lle-varse a cabo. El programa CATIA V5 hace posible que hoy en da se puedan realizar estos cmputos con un ordenador equipado con la tecnologa capaz de soportar el software, sin necesidad de invertir en otro tipo de equipos para poder ejecutarlo. La versin 16 de CATIA V5 posee la tecnologa que hace posible el cmputo con este mtodo numrico y que, a su vez, sea posible instalarse y ejecutarse en un ordenador con la tecnologa estndar del mercado de la industria del PC. Esto se reduce, prcti-camente, al ordenador ms barato que tenemos hoy en da.

CATIA V5 es uno de los mejores programas de diseo grfico en 3D y uno de los prin-cipales en el anlisis en CAX-System. Este programa proporciona al diseador de mquinas un ambiente de trabajo y una serie de tareas prcticas de clculo, de mane-ra rpida y eficiente de solucionar, que le permite incursionar en las diversas platafor-mas de diseo.

El objetivo de este libro es proporcionar a todos los diseadores que trabajan con CATIA V5 la posibilidad de analizar, simular y calcular piezas de maquinaria en gene-ral GPS (Generative Part Structural Analysis) y grupos de piezas (montajes) GAS ('Generative Assembly Structural Analysis), por el mtodo de elementos finitos MEF.

El libro lleva al lector a la aplicacin del mtodo de elementos finitos con CATIA V5, sin conocimientos previos en el mbito del mismo. Sin embargo, son indispensables los conocimientos bsicos del diseo de mquinas para comprender los criterios empleados y suministrados por el programa y, de esta manera, sacar el mejor prove-

xv

CATIA V5

cho y una correcta aplicacin de las herramientas empleadas en el ambiente de traba-jo del programa, que aclararemos en el transcurso del libro. Dichos conocimientos son impartidos en las universidades y escuelas tcnicas en las asignaturas: Esttica, Dinmica, Mecnica de fluidos, Mecnica de slidos, Transmisin de calor, Electro-magnetismo y otros.

Adems de aclarar el empleo de las diferentes herramientas del entorno de CATIA V5, tambin realizaremos en el libro diversos ejemplos de diferentes grados de compleji-dad. Con los que podremos trabajar tambin, directamente en nuestro ordenador, bajando los archivos de Internet.

Website del libro

Los archivos .CATParts y .CATProducts podemos encontrarlos y bajarlos de la pgi-na de Internet: www.marcombo.com

xvi

Captulo 1

Inicio con CATIA Este captulo hace una breve descripcin del entorno del programa CATIA V5 R16, ya que el programa carece de una versin en espaol. Se pretende con ello, definir algu-nos trminos que se emplearn en el transcurso del libro.

Para iniciar CATIA se hace doble clic en CATIA V5R16 y, al cabo de unos segundos, se inicia el programa. El programa se sita por defecto en el mdulo Product.

El programa consta de distintos mdulos que podemos elegir haciendo clic en el me-n Start. Este nos muestra un listado de todos los mdulos disponibles, dependiendo de la licencia de CATIA que tengamos instalada. Para poder elegir el mdulo en que queremos comenzar a trabajar, hacemos clic sobre el smbolo deseado. En la opcin Start/Mechanical Design, encontramos los mdulos empleados para modelar en 3D.

Para el anlisis por el mtodo de elementos finitos, seleccionamos la opcin Start/ Analysis & Simulation. Aqu encontramos los mdulos; Tolerance Analysis ofDeformable Assembly, Advanced Meshing Tools y Generative Structural Analysis. Estos son los mdu-los con los que trabajaremos y que sern utilizados a lo largo del libro.

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1 % % 8 5 < j -

1

CATIA V5

a CATIA V5 - [P roduc t l ] n W W EMPV1AVS Ffe Edt Sei-i Insert loote Window rfeip

s l r i r astrurtute ^ 4 * l M Q s ^ M P W I P P W B H B B B i J ^ 1 Part Design L 0 5 0 Shape Assembly Design

Analysis & Simulation sketch '

AE Riant ' w : Product Functional Toterancing & Annotation

Machining ^ > W e k J Design

^ ^ D i g i t a i Mockup Tooing Design

Egutpment & Systems , ,-"') Structure Design

Digital Process for M a u i acturng m Layout for 3D Design

Machrartg Simulation ^ Drafting

Ergonomics Design & Analysis * Core & Cavity Design

| Knowledgeware j H e a f i n g Assistant

1.1 Ventana de bienvenida CATIA V5 ofrece la posibilidad de utilizar un cuadro de bienvenida, donde se pueden encontrar de forma rpida los mdulos ms comunes, o los ms utilizados por el usuario.

Welcome to CATIA V5

Assembly Design > m

Generative Structural Analysis Advanced Meshing Tools

- Do not show this dialog at startup Close j

Este cuadro de bienvenida se puede personalizar haciendo clic en la Barra de mens; Tools \ Customize.

Start Menu | User Workbenches | Toolbars j Commands j Options |

Available Favorites

2D Layout for 3D Design Advanced Machining Advanced Meshing Tools Aerospace Sheet Metal Design Assembly Design Automotive BiW Fastening Automotive Class A Business Process Knowledge Tempi Catalog Editor CATAmtBaacSurfaceWks

Assembly Design Sketches Part Design Material Library Generative Structural Analysis Advanced Meshing Tools

? U s e this page to make up a Sst of your favorite workbenches. These workbenches are shown at the top of the S t a t Menu. Drag and drop workbenches between the Avaiable Sst and the Favorites Sst.

2

Inicio con CATIA

Una vez abierta la ventana Customize, nos situamos en la pestaa Start Menu. En ella, observamos dos casillas, una a la izquierda (Available) y otra a la derecha (Favorites).

De la casilla Available podemos seleccionar los mdulos que queremos visualizar en la ventana de bienvenida. Estos mdulos se transportan uno a uno a la casilla Favorites con la ayuda de la flecha superior que aparece en medio de las dos casillas (indica hacia la derecha). Del mismo modo, los mdulos pueden ser eliminados de Favorites, utilizando para ello la flecha inferior que aparece en medio de las dos casillas (indica hacia la izquierda). Ejemplo: queremos aadir el mdulo Generative Structural Analysis a nuestra ventana de bienvenida: seleccionamos Generative Structural Analysis en la lista de la casilla Available; hacemos clic en la flecha superior y dicho mdulo se situa-r automticamente en Favorites; luego, hacemos clic en Close para que se apliquen los cambios a nuestra ventana de bienvenida. Dicha ventana aparecer siempre que ini-ciemos el programa CATIA. Tambin, de forma directa, los mdulos que selecciona-mos para nuestra ventana de bienvenida aparecern haciendo clic en Start de la Barra de mens y en la esquina superior derecha de la Barra de herra-mientas derecha (pg. 4). El smbolo que encontraremos es el que tenemos aqu en la figura de la derecha.,

Dejamos como inquietud para el usuario terminar de personalizar el cuadro de bien-venida con los mdulos que crea conveniente y teniendo en cuenta que siempre pode-mos personalizar esta ventana cuantas veces queramos.

1.2 Entorno de CATIA

3

CATIA V5

Ahora definiremos brevemente el entorno de CATIA V5R16. Este entorno est consti-tuido por los siguientes elementos:

1.2.1 Barra de mens Esta barra contiene el acceso a todos los comandos del programa.

Start ENOVIAV5 File Edit View Inser t Tools Analyze Window Help

1.2.2 rbol Este nos muestra la geometra de los elementos geomtricos, elementos de referencia, operaciones, etc. contenidos en el documento.

r Lrt.5 Maria 1 ^ 1 Pote Bernent Wr-M. 1

- a Nodes and Efemente -J|fr Properties. 1

Materials. 1

1.2.3 Barra de herramientas En ella se agrupan los comandos del programa en forma de barras grficas. Todas las barras de herramientas se pueden activar o desactivar haciendo clic en el Men View \Toolbars.

I Standard mtm l i i j a C l

Barra S tandard: Con t i ene las herramientas bsicas ms comunes .

1.2.4 Planos Son los que permiten la orientacin de los elementos que modelemos. Representan las 3 dimensiones: XY, YZ y ZX.

1.2.5 Comps Permite encuadrar y rotar el punto de vista de los elementos. Aparece por defecto, pero se puede desactivar o activar haciendo clic en View / Compass.

4

Inicio con CATIA

1.3 Visualizacin de elementos En CATIA V5, los elementos dibujados se pueden visualizar de diversas formas: como vistas principales, desde diferentes ngulos, con cortes, con diferentes matices y som-breados. Tambin se pueden agrandar, disminuir, ocultar, etc.

Ansicht ^ E ^ ^ ^ ^ ^ F F L 0 1 G

Hay varias formas de visualizar los elementos dibujados. Una de ellas es gracias al men View de la barra de mens. Tambin se puede hacer directamente desde la barra de herramientas en View / Toolbars / View.

Otra posibilidad es visualizar el elemento mediante la herramienta Render Style, una vez que estemos escogiendo el material para nuestro diseo. Esta opcin la encontra-mos en el men View / Render Style o en la barra View.

I View mode 0 i i i 1 8 i

Como ejemplo de la aplicacin veremos en una pieza visualizada con la opcin Render Style.

Shading Shading with Edges Shading with Edges

without Smooth Edges

Shading with MateriaI Shading with Edges Wireframe

and Hidden Edges

S

Captulo 2

Elementos finitos

2.1 Introduccin Cuando queremos encontrar una descripcin cuantitativa de un fenmeno fsico, comenzamos nuestra bsqueda por plantearnos un conjunto de ecuaciones que carac-terizaran el comportamiento fsico de dicho problema. Estas ecuaciones, por lo gene-ral, consisten en un sistema de ecuaciones diferenciales o derivadas parciales, en una determinada regin o dominio (medio continuo) y las ecuaciones de contorno o inicia-les.

Dentro de cada elemento, se distinguen una serie de puntos llamados nodos. Se defi-ne al conjunto de nodos (considerando sus relaciones de adyacencia) como malla. Los clculos son realizados sobre una malla o discretizacin (particin del dominio) creada a partir del dominio con programas especiales llamados generidades de mallas.

Para entrar a resolver este sistema de ecuaciones para un conjunto dado de datos, solo es posible resolverlas (analticamente) si estas ecuaciones son muy simples y si estn definidas en un dominio de simple geometra. La matriz de dicho sistema de ecuacio-nes se conoce con el nombre de matriz de rigidez del sistema o Hipermatriz.

De lo antes mencionado, podemos anotar entonces que el nmero de ecuaciones del sistema es proporcional al nmero de nodos.

a,Xj + bxx2 + = d

"I"

Zj^ CJ J j X 0 I ^-jX^ /

Sistema de ecuacin lineal

fa b c i f^ i e f g X h

J 3 k) \xl) u Hipermatriz Solucin Resultado

7

CATIA V5

2.2 Aplicacin del mtodo de elementos finitos (MEF) Con el uso del ordenador, replantearemos el problema de una manera puramente algebraica. Ahora, el conjunto de nmeros que representa a dicha funcin (o varias funciones) sera de solucin desconocida y sera remplazado por un nmero finito de parmetros desconocidos. En este caso, el proceso requiere el empleo de una forma de aproximacin. Una de las formas ms simples de discretizacin posibles, es el proceso de diferencias finitas.

El mtodo de elementos finitos (MEF o FEM, como es ms conocido por sus siglas en ingls), es muy usado debido a su generalidad y a la facilidad de introduccin de dominios de clculos complejos en 2 y 3 dimensiones. Consiste en aproximaciones por funciones de prueba (mtodo aproximado desde mltiples perspectivas: interpola-cin, discrecin, utilizacin de mtodos numricos). A pesar de la denominacin de aproximado, el mtodo de elementos finitos es una herramienta que nos permite rea-lizar una gran cantidad de anlisis en estructuras y componentes complejos, que dif-cilmente se obtienen por los mtodos analticos clsicos.

La introduccin del mtodo de elementos finitos a los ordenadores y, por ende, tam-bin al CAD (Computer Aided Desig), representa en la actualidad un gran avance y un aporte muy provechoso en la etapa de diseo. Gracias a este mtodo es posible gene-rar slidos de aspecto casi real mediante la simulacin numrica. Esto hace ms fcil el trabajo del ingeniero, ya que nos permite un conocimiento ms profundo del pro-ducto que se est diseando, incluso antes de que este exista realmente. De esta forma es posible detectar fallos previos que, de otro modo, solo se hubieran detectado sobre su uso.

Con todo lo anterior, podemos anotar que los ingenieros podemos disear ms rpi-damente y mejor, casi desde el primer intento, con lo que tenemos un producto de alta calidad, rpido, ms competitivo y, posiblemente, ofreciendo mejores costos.

CATIA V5R16 tambin hace parte de los programas que utilizan el mtodo de elemen-tos finitos, como aplicacin directa de soluciones a la hora de disear elementos me-cnicos.

8

Captulo

Escoger material CATIA V5R16 ofrece una gran variedad de materiales que podemos escoger y, a su vez, aplicarlos a la pieza que se est modelando.

Para aplicar el material que escojamos para nuestra pieza, debemos recurrir a la herra-mienta Apply Material o, directamente, a View \ Toolbars \ Apply Material en la Barra de herramientas. Con la aplicacin de dicho material a nuestro diseo, le esta-mos aplicando no solo la textura visual, sino tambin las propiedades fsicas ^ y mecnicas del material que hemos escogido.

Haciendo uso de esta herramienta, aparecer la siguiente ventana, la cual nos propor-ciona una Biblioteca de Materiales que el programa posee.

La Biblioteca de materiales est organizada en diferentes pestaas, que ordena los diferentes materiales de la misma naturaleza, en diferentes grupos: Construction, Fa-brics, Metal, Other, Painting, Shape Review, Stone y Wood.

Library (Readonly)

j Default Material Catalog

Construction j Fabrics Metal | Other | Painting j S i a p e Review j S tone | Wood

9

CATIA V5

Podemos encontrar la Biblioteca de materiales del programa haciendo uso del botn con el smbolo de carpeta, que vemos en la grfica anterior. Con el uso de este botn tam-bin podemos trabajar con los diferentes Catlogos de materiales de los diferentes pa-ses1 a los que el programa tenga acceso2.

A esta Biblioteca de materiales se le pueden incluir nuevos materiales o grupos de mate-riales (ver ms adelante en la pgina 12) que vayamos necesitando, segn nuestras necesidades de diseo. La Biblioteca de materiales de CATIA V5R16 no posee toda la gama de materiales que existe en el mercado, por lo tanto, nos veremos en la necesi-dad de introducir algunos manualmente.

Para visualizar los materiales como una lista (Display list) o en forma de ^ S g ^ l iconos (Display icons), utilizaremos los botones localizados en la esquina __ . superior derecha de la ventana que contiene la Biblioteca de materiales. pa byi]

Ocfau mcU Cstfcg Coostruction | Fsbrics | Met | Other | Pantiig ShpeReview [ Stone | Wood |

EawTina

B ttroomfie*

Grate

- Drtv Wci

Gfsvel 3

< a

s js^p

-- ~ " - s f i l i

J g i

Vista como iconos [Display icons) Vista como una lista [Display list]

Antes de aplicar el material a nuestro diseo, podremos ver las propiedades de dicho material, seleccionndolo y luego Alt + Enter, o haciendo clic con el botn derecho del ratn, escogiendo la opcin Properties en el men contextual que se despliega. Una vez en esta ventana, logramos observar las propiedades del material que elegimos.

Una vez conseguida toda la informacin necesaria del material que preferimos para nuestro diseo, procederemos a aplicarlo a nuestra pieza. Seleccionamos nuestro material arrastrndolo hasta la pieza sobre la que queremos que dicho material sea aplicado, para luego soltarlo sobre ella. Luego, continuaremos pulsando el botn Apply Material y luego el botn ok.

Para ver el efecto visual del material en la pieza de forma sencilla, seleccionamos la herramienta Shading with Material (ver pgina 5). Si pretendemos ver el material de

1. Esto depende de la versin del programa (CATIA V5) que tengamos instalada y del tipo de licencia. 2. CATIA V5 posee versiones en ingls, francs, alemn, italiano y japons.

Q

10

Escoger material

Lighting | Texture j

mm [ 0,20 m. i i 0,40 a . . -i

i i 0,90 tei, . -i

i i i m 0,05 tei i f 0,00 tei. . I B ijOO t

10,30 tel,

gj^Dffuse ^ / S p e c i J a r

A ^^ oughness - T r a n s p a r e n c y

-Refraction(*)

.^^ Reflectivity ( * ) These parameters are used for software rendering only

Pestaa Rendering

^JOlJ

Current selection :

Rendering | Inheritance j Feature Properties ! Analysis ijDrs

Material ^ isotropic Material j - j

Structural Properties

Young Modulus; 2e+011W_m2

Poisson Ratio 0 ,266

Density! 7860kg_m3

Thermal Expansion l,17e-Q0S_Kdeg

Yield Strength] 2 J 5e+008N_m2

Pestaa Analysis

forma menos convencional, hacemos uso de Customize View. Aqu llegamos desde el men View\Render style\ Cus-tomize View.

Custom View Modes ?

jM Parti

- y xy plane

yz plane

zx plane

-#Pa r f f odv

r ^ Aluminium

j H p P a d . l

Sketch. 1

En el rbol de geometra po-dremos ver ahora nuestro material escogido, formando parte de los elementos de referencia de nuestra pieza. En la figura de la izquierda podemos apreciar a modo de ejemplo, el material Aluminio (Aluminium) en el rbol de geometra.

Animamos al lector a que dibuje una pieza, entre en las propiedades del material y realice diversas formas de visualizacin de la pieza que previamente dibuj, haciendo uso de las pestaas iluminacin y textura (Lighting y Tex-tur), contenidas en la pestaa Rending.

J Lines and points

- Edges and points

& All edges

O Half visible smooth edges

O No smooth edges

All points

O No vertices

CU Colored edges from faces

Outlines

Line-on-line

Mesh

- Shading

^ Gouraud

O Material

O Triangles

O Transparent

0 Hidden edges and points

Dynamic hidden line removal

Options

1 I Rendering style per object

M . . : M : j 1 Cancel j

1 1

CATIA V5

3.1 Nuevos materiales en la Biblioteca de materiales Si nuestra necesidad de diseo requiere una abundante gama de materiales, el progra-ma ofrece en la Biblioteca de materiales una base para que el usuario de CATIA V5 pueda comenzar a seleccionar materiales para sus diseos. El programa toma como base los materiales que tiene contenidos en la Biblioteca de materiales en forma de cat-logos.

A pesar de todo, CATIA V5 no puede satisfacer las necesidades de todos sus usuarios. Nos gustara tener todos los materiales existentes en el mercado compilados en esta Biblioteca de materiales, pero esto hara una Biblioteca de materiales demasiado extensa y compleja a la hora de buscar un determinado material. Este problema radica en que, de una u otra manera, los materiales utilizan diferentes denominaciones en cada pas y los usuarios a nivel mundial utilizan los materiales normalizados por las entidades correspondientes de cada pas3. Por esta razn, y como habamos dicho anteriormen-te, cuando necesitemos materiales diferentes de los que encontramos en la Biblioteca de materiales de CATIA V5R16, existe la posibilidad de que el usuario los integre manualmente. De esta forma, es capaz de originar una Biblioteca de materiales a su gusto, con los materiales que ms utilice o le interesen, agrupados junto con los que el programa ya trae en los diferentes Catalog (catlogos). Adems, siempre tendr la posibilidad de seguir incorporando nuevos materiales o nuevos grupos de materiales.

Si nuestra necesidad de incluir materiales es bastante reiterada y repetitiva, podra-mos, incluso, incorporar la posibilidad de asignar nuevos materiales de una forma directa, aadiendo Material Library a la ventana de bienvenida (ver pgina 2).

Welcome to CATIA V5 m

Assembly Design Sketcher

D Part Design

Materia! Library Generative Structural Analysis Advanced Meshing Tools

L j Do not show this dialog at startup Clcjse j

En la Biblioteca de materiales de CATIA V5, encontramos una gran variedad de materia-les. Entre ellos, por ejemplo, el acero, como material disponible para ser asignado a nuestra pieza, dentro del grupo de metales de la Biblioteca de materiales.

Sabemos que el acero se presenta de diversas series, grupos y tipos. Esto implicara que cada vez que necesitramos incluir un tipo determinado de acero, tendramos que

3. La UNE es en Espaa la entidad que normaliza y clasifica tanto el hierro como el acero, al igual que sus homologas en Italia, Francia, Alemania, (AISI) Estados Unidos, etc.

12

Escoger material

cambiar las propiedades mecnicas del acero que tiene asignado por defecto en la Biblioteca de materiales del programa, como anotamos anteriormente. Esto sera, por supuesto, una tarea ardua y muy engorrosa a la hora de disear, ya que estos constan-tes cambios nos robaran mucho tiempo. Podramos, sencillamente, incluir el material que se necesite para el diseo, en ese determinado momento, como un nuevo material para la Biblioteca de materiales de CATIA V5, de la Biblioteca de materiales que tengamos en uso.

Dependiendo de la licencia que tengamos de CATIA V5, de la organizacin del grupo de trabajo, y de cuntas personas trabajan en ordenadores individuales, sugerimos estas dos posibilidades:

Primera posibilidad: consiste en incluir directamente materiales en la Biblioteca de Materiales que CATIA V5 trae por defecto. Esta opcin es recomendada para usuarios que posean una licencia del programa que permita a cada usuario tra-bajar individualmente en su ordenador. Se obtiene as una Biblioteca de materiales organizada, amoldada a las necesidades de cada usuario.

La segunda posibilidad sera la simplificacin de la primera. Incluye a varios usuarios con acceso a un nico ordenador, o con acceso al programa, vinculado a una red de usuarios. Esto sugiere hacer la Biblioteca de materiales personalizada por cada usuario y que este las pueda localizar en el momento que las necesite.

Con lo anterior, localizamos la ruta de la Biblioteca de materiales, situada en: C: \ Archi-vos de programa^XDassault Systemes\B165\intel_a\startup\materials\Catalog6 para ha-cer una copia a este Catalog y ubicarla en una nueva carpeta. El nombre que demos a dicha carpeta debe ser elegido por el usuario. Por ejemplo; "Biblioteca de materiales A. Ocn (Polmeros)" o "Biblioteca de materiales (Aceros)" o, sencillamente, "Biblioteca de materiales Ocn". Para nuestro ejemplo, asignaremos el nombre de "Biblioteca de ma-teriales Ocn".

Algo muy importante a tener en cuenta es recordar la ubicacin de la nueva carpeta que contiene nuestra nueva Biblioteca de materiales y que a dicha Biblioteca de materiales no se le debe cambiar el nombre. Esto se debe a que el programa slo reconoce como Biblioteca de Materiales, al archivo que contiene el nombre Catalog y cuya extensin es .CATMaterial. El siguiente paso es tambin muy importante. Con l asignaremos al programa cual ser de ahora en adelante la Biblioteca de materiales que deber recono-cer, en el momento que escojamos la herramienta Apply Material.

Para esta versin, en la Barra de mens, en el men Tools\Options (ver figura en la pgina siguiente) nos sale la ventana Options7. Una vez all, nos situamos en la parte

4. Configuracin para Windows XP Professional. 5. Versin de CATIA que se tenga instalada. En este caso versin numero 16 (CATIA V5R16). 6. Suponiendo que hemos instalado a CATIA V5R16 con la versin en ingls. Por ejemplo; si tenemos la

instalacin en alemn, el final de la ruta sera: materials\German\Catalog. 7. CATIA V5R16 abre la ventana de opciones, por defecto, en la opcin que utilizamos la ltima vez.

13

CATIA V5

^'Options

ty Generai

" t Display

- g Compatibly

Parameters and Measure

- ^Dev ices and Virtual Reaftv

Jlnfrastruchie

Product Snjcture

' 0 Catalog Editor

Photo Stucio

-QpReal Time Rendering

& Part Infrastructure

DELMIA Infrastructure

V.T.3D Annotations Infrastruc

-^ColaboraOon Infrastructc

Mechanical Design

3 " M

Options

j Display a warning when adtlng properties to a material

D Use Link mode by default when applyig a material

H Use Force mode as the default inheritance mode

O Desynchronize visuafeation when modifying material attributes

O Open the catalog in read-write mode when applying a material

Materia! Parameters

| = Create a material parameter when creating a pa t , a body or a surface

- Create a ink to the catalog when modfyrig a material parameter

Default Material Catalog Path

C:\Archivos de programa\Dassadt 5ystemes\B 16\ritei_a\startup\rnaterial<

(this path is used to retrieve the default catalog for applying materials and supersedes the path defined h CATStartxpPath envronment variable)

Environment Image F3e

jlHi ,C:\Afch(vos de programa\Dassault 5ystemes\B16\intel_a\startup\mate j f j |

j OK V Caned

izquierda del rbol de opciones Infrastructure\Material Library, y luego, en Default Material Catalog Path.

Haciendo clic sobre el botn que vemos ampliado a nuestra derecha (que verdaderamente se encuentra localizado en la ventana Options, sobre la parte derecha), aparece la ventana File Selection8. En ella, buscaremos la ruta donde tengamos dispuesta la nueva carpeta que contiene a la Biblioteca de materiales. Al mismo tiempo que emerge la ventana File Selection, nos apa-rece tambin una pequea ventana llamada Broivse. Esta desaparece cuando seleccio-namos nuestra nueva Biblioteca de materiales y hacemos clic en el botn Abrir, de la ven-tana File Selection.

Para poder ver qu nos ofrece el programa con esta ventana, hacemos clic en Cancelar, en la ventana File Selection, para que luego esta nos quede activa.

La ventana Browse contiene las herramientas:

File: esta herramienta nos lleva nuevamente a la ventana File Selection.

Loaded document: se seleccionan los documentos con la exten-sin .CATMaterial. Estos suelen ser los Catlogos de materiales.

Tras la ubicacin de nuestro Catlogos de Materiales en la Biblioteca de materiales, procedemos a hacer clic en el botn OK, para que los nue-vos cambios sean aplicados al programa.

S-l

Browse [ ? ] B

le

jp Loaded document

1: Cancel |

8. Ventana estndar de Windows.

14

Escoger material

3.2 Crear nuevos grupos de materiales Creada nuestra Biblioteca de materiales personal, procederemos a incluirle nuevos gru-pos de materiales. Para ello tenemos varias rutas, de las cuales podemos tomar la que mejor o ms fcil nos parezca. La primera ruta es hacer doble clic sobre el Cata-log.CATMaterial de la carpeta que tenemos asignada con el nombre de "Biblioteca de materiales Ocn", sin que sea necesario que CATIA V5 est en marcha. Surge la siguiente ventana:

S CATIA V - [Catalog.CATMatenal] CT E Start ENOWAVS Fie Ed* fiew Insert Tools Wndow Hefc - 5 X

; H ; ? a y ? ^ E H

Construct 1 Fabrics Metel 1 Other | Parting ShapeReview | St i Wood 1 H

19 19 * fe, 3 I35U B S W T i r g Bathroom Ftoor Concrete Concrete 2 Dirty Wal Floor a

a

* j Grass Grate Gravel 1 Grave12 Gravel 3 Hexagonal Tin-

K , 9

J

K ,

Marble Pavng No Skid Old Tie Pavement Pavement 2 Pebble

PVC Road Roof Roughcast Shiny Wood Tie Storne Wal

i J : " = 1 3 31 s ? J s . i J

1 ConstrucbonflixfY preselected

Una vez abierta la ventana, aparece al lado derecho una Barra de herramientas, que nos ayudar a crear los nuevos grupos de material y dichos materiales que formarn parte de estos grupos.

Mater ia l Library

L i l

Material Library: Esta barra de Herramientas contiene las herramientas en su orden de aparicin de izq. a der.: Select, New Family, Rename Family, Remove Family,

New Material, Rename Material, Remove Material, Edit Properties,

Para crear un nuevo grupo de materiales, se hace clic en New Family. Aparece autom-ticamente una nueva pestaa llamada New Family.

Podemos cambiar el nombre de este nuevo grupo, con la ayuda de Rename Family. De esto sale una nueva ventana llamada New Name.

New Name

New Familyl

t OK I Cancel

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CATIA V5

A la ventana New ame, le escribimos sobre la casilla New Family el nombre de "Aceros Inoxidables" (o, si se quiere, Stainless Steel). Ahora, con nuestro nuevo grupo "Acero Inoxidable" ya creado, le introduciremos los nuevos materiales que formarn parte de l. Para ello, hacemos uso de la herramienta New Material.

Una vez creado nuestro nuevo material, procedemos a seleccionarlo y a darle un nom-bre con la herramienta Rename Material. Aparece al cabo de unos segundos la ventana New ame. En esta, seguimos el mismo procedimiento anteriormente descrito. Escri-bimos sobre la casilla New Material el nombre que tomaremos de ejemplo: "Acero Inoxidable F3505" (Stainless Steel AISI304).

Ahora procederemos a definir nuestro nuevo material, introducindole sus propieda-des fsicas y mecnicas, en el grupo Aceros de la Biblioteca de materiales. Para ello, selec-cionamos el Acero Inoxidable F3505 (UNE 36-016), X5CrNi 18-10 (Stainless Steel AISI 304) y luego, con la ayuda de la herramienta Edit Properties, o haciendo clic con el botn derecho del ratn y eligiendo Properties, o tecleando Alt + Intro, nos aparece la ventana Properties, con las pestaas: Rendering, Feature Properties, Anlisis, Drawing, y Composites.

En la ventana Properties, introduciremos toda la informacin que CATIA V5 necesita a la hora de hacer los clculos. Es muy importante conocer qu tipo de informacin se incluye en cada pestaa. Entraremos a definirlas una a una, teniendo en cuenta la importancia que cada una de ellas tenga a la hora de hacer los clculos por el MEF con CATIA V5.

3.2.1 Pestaa Feature Properties Esta pestaa ofrece la posibilidad de introducir en la casilla Feature ame, el nombre del nuevo material. En nuestro caso, aparece el nombre del Acero Inoxidable F3505.

r _____ Properties mm

I Curent selection :

Rendering Feature Properties | Analyst- | Drawing j Composites j

Feature Name : Acero Inondatile F3505

Creation User :

Creation Date: 27/01/2007 15:57

Last Modfication: 27/01/2007 16:06

3.2.2 Pestaa Anaiysis Esta pestaa es de gran importancia, ya que la informacin que introducimos en ella ser de total relevancia en los datos que obtendremos en el clculo, por el MEF con CATIA V5.

16

Escoger material

Properties

Current selection :

Rendering I Feature Properties Analysis Drawing Composites

M a t e r i a l Isotropic Material Structural Properties

Young Modulus 190000MPa|

Poisson Ratio: 0,305

Density 7860kg_m3

Yield Strength: 276MPa

Thermal Expansion l,17e-005_Kdeg

La pestaa incluye las propiedades mecnicas propiamente dichas del material que enunciaremos a continuacin:

En la casilla Material, podemos seleccionar el tipo de material al que este pertenezca, ya sea Istropico, Ortotrpico 2D o 3D, Fibroso o Anistropo.

La isotropa: es la caracterstica de poseer propiedades iguales en cualquier direccin. Cuando la propiedad elasticidad se manifiesta en igual medida, cualquiera sea la direccin en la que se ha producido la deformacin o la direccin en la que se deforma, el material se denomina is-tropo.

Para nuestro ejemplo, seleccionamos Isotropic Material.

En el cuadro Structural Properties encontramos las casillas:

Mdulo de elasticidad E (Young9 Modulus): Este mdulo de elasticidad es muy importante a la hora de hacer los clculos con el mtodo ELFINI con CATIA V5.

Las unidades del E que el programa toma por defecto son N/m2 (Pa). En la mayo-ra de las tablas con caractersticas de aceros, el E contiene la informacin en MPa, por eso es importante introducir el nmero en esta casilla en Pa y no en Mpa.

Segn las necesidades de trabajar con otras unidades, CATIA V5R16 ofrece tam-bin la opcin de poder cambiar las unidades, a las unidades con que usualmen-te trabajemos (vase la pg. 35).

El mdulo de elasticidad o mdulo de Young: es un parmetro que caracteriza el compor-tamiento de un material elstico, segn la direccin en la que se aplica una fuerza. El valor de E es una caracterstica de cada material.

Las unidades del mdulo de Young son las mismas que las del esfuerzo, es decir, Newton por riitimetro cuadrado (N/m2), ms conocido como pascal (Pa) o en libras por pulgada

9. Thomas Young: Inglaterra (1773-1829), Cientfico.

17

CATIA V5

cuadrada (Lib/in2). Esto es consecuencia de que la deformacin longitudinal es una can-tidad sin unidades (adimensional).

Factor de Poisson v (Poisson10 Ratio): Insertamos este factor en la celda Poisson Ratio. Este valor carece de unidades.

Factor de Poisson: esta constante se expresa como la deformacin unitaria lateral sobre la deformacin unitaria axial de un cuerpo que se encuentra sometido a tensin. Poisson demostr que estas dos deformaciones son proporcionales entre si, dentro de los lmites de la ley de Hooke11.

Densidad p (Density): Este valor es muy importante a la hora de hacer los clcu-los con el mtodo ELFINI con CATIA V5.

Las unidades para la p que el programa toma por defecto son Kg/m3. Por ello, es importante introducir el nmero en esta casilla Density en Kg/m3.

Densidad: es una propiedad intensiva de la materia definida como la relacin de la masa de un objeto dividida por su volumen.

Lmite de elasticidad ELim (Yield Strength): Esta propiedad mecnica del material es irrelevante para los clculos en CATIA V5, porque el programa no lo toma en cuenta para el cmputo. Este valor es considerado para el anlisis de resultados (por ejemplo, vase la pgina 221). Se trata del lmite de elasticidad del material. Si se quiere, y se tiene la informacin, se puede colocar, para as completar las propiedades de nuestro material y tenerlo como referencia para posteriores con-clusiones.

Coeficiente de dilatacin trmica (Thermal Expansin): Este valor es muy im-portante a la hora de hacer los clculos con el mtodo ELFINI con CATIA V5.

Las unidades para el coeficiente de dilatacin trmica que el programa toma por defecto son mm/mmK, por ello es importante introducir el nmero en esta casi-lla Thermal Expansin en mm/mmK.

Dilatacin trmica: cuando se calienta un cuerpo slido, la energa cintica de sus tomos aumenta de tal modo que las distancias entre las molcidas crece, expandindose as el cuerpo, o contrayndose si es enfriado. Estas expansiones y contracciones son causadas por variacin de temperatura en el medio que le rodea.

3.2.3 Pestaa Drawing Esta pestaa no interviene en los clculos con el MEF, pero ayuda a definir las lneas que conforman el achurado cuando se est trabajando con CATIA V5 en el modo Drawing (2D). Este se hace visible en el momento que hagamos un corte a determna-

10. Simen Poisson: Francia (1781-1840), fsico y matemtico. 11.Robert Hooke: Inglaterra (1635-1703), cientfico.

18

Escoger material

Current selection :

Jj - 3

Rendering | Feature Properties | Analysis ! Drawing Composites

~ Type:jHatching . . . j Name:

Number of hatchings: i

Hatching 11 I

Angle: 4 5 d e g

Pitch: ! 4 mm

Offset : 0 mm

Color:

Linetype:

Thickness:

fl OK j Apply j Close

do sector de nuestro diseo, en donde se involucre el material que estamos en este momento definiendo.

3.2.4 Pestaa Rendering Con la ayuda de esta pestaa podremos trabajar sobre las propiedades fsicas (visua-les) del material. No representa importancia a la hora de hacer los clculos por el MEF. Esta pestaa posee dos subpestaas, Lighting y Textura. Estas son utilizadas para tra-

a Current selection :

Rendering | Feature Properties | Analysis | Drawing | Composites

*- [/'Reflectivity I 0 ' 2 7

( * ) These parameters are used for software rendering only

More...

a OK } * Apply j d o s e

19

CATIA V5

bajar con la luz y la textura que tendr la pieza una vez ubicada en nuestra Biblioteca de Materiales. Con ella podremos jugar, usando la creatividad para crear nuevas textu-ras con el programa.

3.2.5 Pestaa Inheritance Se utiliza cuando necesitamos incluir diferentes materiales en una pieza. La pestaa Inheritance nos ayuda a situar cada material en la parte que corresponde de dicha pieza.

En la parte inferior derecha de la ventana Properties, encima de los botones OK, Apply y Cise, se ubica el botn More. Presionando este botn surgen nuevas pestaas en la ventana Properties, de las cuales destacamos a la pestaa Inheritance; que se utiliza para cuando necesitamos incluir diferentes materiales en una pieza. Con ella pode-mos situar cada material en la parte que corresponde de dicha pieza. Hemos nombra-do las importantes para nuestro estudio y algunas otras, que son irrelevantes en el momento de hacer los clculos con el MEF, pero que forman parte de la ficha tcnica de cada material.

Una vez incluido un nuevo grupo de materiales y habiendo definido tambin las propiedades del nuevo material incluido en la Biblioteca de Materiales Acero Inoxidable UNExlOCrni-S18-09, hacemos clic en OK para confirmar que todos los cam-bios que hemos introducido se incluyan, ahora s, en la nueva Biblioteca de Materiales.

Con el procedimiento anterior hemos aprendido cmo incluir nuevos grupos y mate-riales que forman parte de estos grupos, a la Biblioteca de Materiales de CATIA V5. Invi-tamos al lector a introducir los datos del Acero Inoxidable UNExl0CrniS18-09 y a seguir introduciendo ms tipos de acero en el nuevo grupo de materiales Aceros, as como la introduccin de nuevos grupos y sus componentes.

* Acero Inoxidable F3505

20

Captulo 4

El mdulo GPS La resistencia es una propiedad del material o de un elemento mecnico. La resisten-cia de un elemento depende de la eleccin, el tratamiento y el procesado del material. Por esta y otras razones, la resistencia es considerada un factor primordial de diseo, ya que determina la configuracin geomtrica y las dimensiones de dicho elemento. Todo tipo de consideraciones que se tengan previas al diseo (consideraciones de diseo) son referidas a las caractersticas que influyen directamente en el diseo de un elemento, o quiz, a todo un sistema. En un caso de diseo determinado se deberan tener en cuenta varios factores tales como el ruido, la confiabilidad, el tamao, la corrosin, el desgaste, los costos, la utilidad, el peso, la duracin, las propiedades tr-micas, la flexibilidad, la friccin, el mantenimiento, etc.

Alguno de estos factores se refiere directamente a las dimensiones, al material, al pro-ceso de fabricacin, o bien al ensamblaje de los elementos del sistema. Muchos otros se relacionan tambin con la configuracin total del sistema. CATIA V5 ofrece 3 nive-les diferentes de diseo, los cuales son clasificados en Pl, P2 y P3. Dichos niveles son denominados plataformas (P) y se clasifican segn la necesidad y la funcionalidad del diseo.

En la plataforma nmero uno (Pl) se trabaja el modelado de piezas utilizando las fun-ciones bsicas del programa. Esta plataforma incluye a las pequeas y medianas em-presas.

La plataforma nmero tres (P3) trabaja el diseo de piezas con anlisis estructurales ms complejos y con mayores niveles de investigacin. En esta plataforma se caracte-rizan las empresas del sector automotriz y el aeronutico.

El mdulo GPS (Generative Part Structural Analysis) apoya la creatividad del ingeniero ofrecindole la posibilidad de hacer clculos estructurales, como los esfuerzos (trac-cin, compresin, torsin, cortadura, flexin) y los tipos de deformaciones a los que estara sometido el elemento de modo individual o bien, al ensamblaje de dichos ele-mentos del sistema GAS (Generative Assembly Structural Analysis). Estos mdulos se encuentran enmarcados en la plataforma nmero dos (P2). Dicha plataforma es deno-minada como la plataforma estndar, donde el anlisis y la simulacin son parte inte-gral e indispensable en el diseo de elementos de mquinas.

21

CATIA V5

4.1 Definiendo el anlisis con el MEF Una vez conocidos varios conceptos sobre el GPS, comenzaremos a aprender su utili-zacin y su entorno en CATIA V5.

Antes de escoger el tipo de anlisis que haremos a nuestro elemento de mquina hay que tener en cuenta que, para hacer uso del GPS, debemos haber modelado previa-mente nuestra pieza, adicionndole a su vez el material del que estara compuesto. Hacemos nfasis en que no es tema de este libro el diseo grfico de elementos de mquina; partimos de la base de que el lector sabe utilizar los mdulos correspon-dientes al grupo Mechanical Desing (Part Desing, Sketcher, Assembly Desing, Drafting, Wireframe and Surface Desing, etc.).

Iniciamos haciendo uso del mdulo Part Desing con la pieza va modelada activando al mdulo GPS en el men Start\Analysis & Simulation\Generative Structural Anlisis (o tambin, si este mdulo forma parte de la ventana de bienvenida del programa). Al cabo de unos segundos, surge una nueva ventana: New Analysis Case, en la que debe-mos escoger qu tipo de anlisis queremos utilizar (Static Analysis, Frequency Analysis y Free Frequency Analysis).

New Analysis Case

j Frequency Analysis Free Frequency Analysis

. Keep as default starting analysis case

feroQl Cancel

En esta ventana tenemos la opcin de asignar de forma directa el tipo de anlisis que utilicemos generalmente. Para ello, seleccionamos Keep as default starting analysis case.

Static Analysis

El anlisis esttico, incluido en CATIA V5, permite el estudio de esfuerzos y deformaciones, como resultado de la aplicacin de cargas estticas. Este tipo de anlisis es adecuado cuando las cargas se encuentran plenamente identificadas. Al ejecutar un anlisis lineal aplicamos cargas estticas, as como cargas de pre-sin, diversos tipos de desplazamientos que son "impuestos" a la estructura y temperaturas que generarn tensiones trmicas.

En un tpico Anlisis Esttico Lineal de Tensiones, el usuario debe determinar los tipos de desplazamientos, tensiones y reacciones, para el posterior anlisis con el mtodo de elementos finitos.

Frequency Analysis

Uno de los agentes importantes que hay que tener en cuenta en el anlisis previo de un elemento de mquina es la vibracin. Sabemos que la vibracin de un obje-

22

El mdulo GPS

to es causada por una fuerza de excitacin. Esta fuerza se puede aplicar externa-mente al objeto o puede tener su origen dentro del objeto. La proporcin (frecuen-cia) y la magnitud de la vibracin de un objeto dado, estn completamente deter-minados por la fuerza de excitacin, su direccin y frecuencia. Esa es la razn del porqu es necesario un anlisis.

Si una estructura mecnica resonante est puesta en movimiento y despus se deja, seguir oscilando a una frecuencia particular, conocida como frecuencia natu-ral o frecuencia natural amortiguada.

Con este tipo de anlisis investigaremos al elemento de diseo sometido a vibra-cin, con lo que podremos determinar las fuerzas de excitacin actuando en una mquina. Esas fuerzas dependen del estado de la mquina. El conocimiento de sus caractersticas e interacciones permite diagnosticar algn problema que en ella se presente.

Free Frequency Analysis

Este tipo de anlisis se raliza de igual manera que el anterior (Frequency Analysis), con la diferencia de que se estudiar al elemento de mquina, considerndole como libre e independiente de acoples o uniones. Es decir, se le tratara como pieza nica.

A continuacin, haremos un pequeo ejemplo representativo, solo para que tengamos una idea general acerca del mdulo GPS, y de cmo se analizan algunos resultados. Se harn algunas aclaraciones, aunque se dejarn abiertos algunos conceptos que irn siendo aclarados ms adelante, a medida que avance el libro.

4.2 Ejemplo representativo empleando el mdulo GPS

Detal le Escalo: 2:1 Corte A-A

Escala: 1:1

23

CATIA V5

Tomaremos como ejemplo un Buln de alojamiento, esco-giendo como material el Acero F-1120 (UNE 36011), em-pleado en una impresora industrial y al que denominare-mos bulon.CATpart. Este Buln va unido por 4 pernos a una base de la impresora que lo mantiene fijo. En la cabe-za de dicho buln se encuentra acoplada una palanca den-tada de acero, la cual le ejerce una fuerza lateral de 300 N. Al mismo tiempo, se le ejerce tambin una fuerza de 250 N de forma axial en la cabeza del Buln, producida por un disco de presin acoplado a una articulacin, que impide a la palanca dentada salirse de dicha cabeza. Al otro extremo del buln se encuentra acoplado un rodamiento, que no le ejerce ninguna fuerza considerable para este ejem-plo. No tendremos en cuenta los 4 pernos para nuestro ejemplo, ya que la unin con tornillos ser explicada ms adelante.

4.3 Anlisis por el M E F

4.3.1 Primeros pasos Para el modelado del buln de alojamiento, hacemos uso del mdulo Part Desing.

Una vez dibujada nuestra pieza y asignado el material Acero F-1120 (UNE 36011), procedemos a hacer el Static Analysis utilizando el mdulo GPS como describimos anteriormente.

Con la aparicin Static Analysis del mdulo GPS en pantalla, observamos en la figu-ra anterior al Buln de alojamiento al lado del rbol de geometra.

El rbol, cuyo producto ser denominado Analysis Manager, se encuentra divido en dos partes. La primera parte contiene los parmetros, frmulas y geometra de la

24

El mdulo GPS

pieza, as como su ubicacin en el ordenador. La segunda parte contiene el entorno del MEF con toda la documentacin necesaria para el Static Analysis.

4.3.2 Definiendo cargas y condiciones Una vez definido el entorno del Static Analysis con el MEF, determinaremos la ubica-cin de las cargas aplicadas al elemento y las condiciones a las que --A static case este se encuentra sometido, a fin de seleccionar el material y dimen- " - ^ Res t ra in t s . i siones ptimas, para que las partes crticas de la pieza no lleguen a Loads. i fallar estando en servicio.

Para definir las condiciones de frontera a las que se encuentra some-tido el elemento, haremos uso de la barra de herramientas Restraints que encontramos en View\Toolbars\Restraints. [ #

Como primera medida, consideraremos al Buln de alojamiento empotrado y fuertemente fijado a una base de la impresora industrial por 4 pernos. Para w " ello utilizamos la herramienta Clamp.

Haciendo clic en la herramienta Clamp, surge la ventana Clamp. En ella aparece un cuadro de texto en el que pone ame, donde introducimos el nombre "Empotramiento del Buln", con el que identificaremos el empotramiento. Luego hacemos uso del cua-dro de texto Supports (toma por defecto un color azul oscuro) para seleccionar la superficie o superficies (en nuestro caso) del Buln de alojamiento que se encuentran empotradas.

Ahora analizaremos las condiciones de la cabeza del Billn de alojamiento:

En la cabeza del buln se encuentra acoplada una palanca dentada que se desliza unos 60 de forma axial. Esta condicin la denominamos cojinete de contacto deslizante (o chumacera), considerndose la cabeza del buln como el eje (o mun) del ^ que gira u oscila dicha cabeza (casquillo) de la palanca dentada. Para ello haremos uso de la herramienta Surface Slider. "*

Al cabo de unos segundos, surge la ventana Surface Slider. En esta ventana aparece un cuadro de texto ame, en el que introducimos el nombre "Cojinete en cabeza de

25

CATIA V5

Buln", con el que identificaremos al cojinete de contacto deslizante. Luego hacemos uso del cuadro de texto Supports (toma por defecto ion color azul oscuro) para selec-cionar la superficie (en nuestro caso) o superficies del buln de alojamiento, que se encuentran en contacto con la barra dentada.

Ya definidas las condiciones a las que se encuentra sometido el buln de alojamiento, determinamos la ubicacin de las cargas aplicadas al elemento:

En la cabeza del buln se aplican dos cargas, una axial de 250 N y a la otra lateral de 300 N. Para representar las cargas, utilizaremos la barra de herramientas Loads que encontramos en View\Toolbars\Loads.

Para la carga lateral de 300 N, dibujamos una superficie (extruida con la herramienta Pad) en la cabeza del buln que cubra 60, que nos sirva de gua para aplicar la carga. Tambin podremos seleccionar para este ejemplo la superficie cilindrica completa.

De la barra de herramientas Loads escogemos la herramienta Distributed Force, y la utilizamos tanto para la carga axial como para la carga lateral. Luego, ^ J haciendo clic en Distributed Force, surge una ventana con el mismo nombre.

26

El mdulo GPS

Aadimos en el cuadro de texto ame "Carga lateral" y en el cuadro de texto Supports, seleccionamos el plano que hemos dibujado previamente. En Axis System, escogemos en el cuadro de texto Type "Global" y la seleccin Display Locally, la dejamos sin selec-cionar. Ahora, en Forc Vector, colocamos en Norm y en la componente del vector Z, la carga de 300 N, y luego en OK.

Dis t r i bu ted Force Name Carga Lateral

Supports i

Axis System

Type Global

Q Display bcaly

Force Vector

Norm300N

X ON Y ON Z -3N Handler o selection

CATIA V5

Compute i - J X

En la ventana Compute existe una nica casilla en la que se puede escoger All, Mesh Only, Analysis Case Solution Selection y Selection by Restrain.

Seleccionamos All y activamos la opcin Preview. Esta opcin es necesaria si se quiere una evolucin previa, antes de proceder al Static Analysis de la pieza en el mdulo GPS. Esta evaluacin previa consiste en computar el tiempo aproximado que necesi-ta el programa y la cantidad de memoria que necesita utilizar para hacer los clculos.

Despus de presionar la tecla OK, el programa comienza automticamente a hacer la divisin lineal de la pieza en tetraedros (TE-4). Al cabo de unos segundos emerge la siguiente ventana:

Computation Resources Estimation

7e+001sofCPU

3,34e-f-004 kilo-bytes of memory

l,44e+005 kilo-bytes of disk

Warning: Running computation without Intel MKL(c) 5.1.x Librar Running with MKL(c) Library would decrease CPU-Time

Do you want to continue the computation?

Jes...

En la ventana Computation Resources Estimation, podemos apreciar en primera fila el tiempo aproximado que tarda el programa en hacer los clculos. Este tiempo es esti-mado en tiempo de CPU (Central Processing Unit), es decir, el tiempo aproximado segn la CPU del ordenador en el que tengamos instalado el programa CATIA V5R16

En segunda y tercera fila veremos la cantidad de memoria estimada para el proceso, y cunto ocupara en nuestro disco duro. La cuarta casilla hace referencia a los clcu-los con o sin INTEL MKL 5.1, que analizaremos con ms claridad en la pgina 95. Si queremos seguir el cmputo, presionamos Yes.

Cabe anotar que la capacidad tcnica del ordenador donde tengamos instalado el pro-grama influir directamente en la rapidez de cmputo.

4.3.4 Representacin de resultados Realizados los clculos, procederemos a ver la representacin gr-fica que nos ofrece el programa. Para ello, haremos uso de las herramientas Deformation, Von Mises Stress y Displacement, conte-nidas en la barra de herramientas Image, que podemos localizar en el men View\Toolbars\I?nage.

28

El mdulo GPS

Haciendo uso de la herramienta Von Mises Stress, podemos apreciar la representacin del elemento sometido a esfuerzos y deformaciones, producido por las cargas aplica-das al elemento, y las condiciones a las que este se encuentra sometido.

El primer paso consiste en verificar que los resultados tienen ms o menos el sentido esperado. En la figura podemos apreciar que la pieza posee deformaciones de forma exagerada, pero no hay que preocuparse por ello. El programa lo muestra as, ya que de esta manera podremos apreciar el sentido lgico que el elemento debera presen-tar sometido a este tipo de cargas y las condiciones de trabajo. Esta primera represen-tacin est seccionada por Tetraedros Lineales (TE4) (vase pg. 98, captulo 7).

Si para aplicar la carga de 300N, hemos escogido la opcin de una superficie en la cabeza del Buln (de 60), debemos despreciar la concentracin de esfuerzos produci-das en los cantos (esquinas) de dicha superficie, ya que no son esfuerzos reales (CATIA no admite una superficie de espesor 0). El sentido lgico de concentracin de esfuerzos sera en la muesca o entalladura de la cabeza del Buln.

OCTREE Tetrahedron Mesh

I Loc I Finite Element Model.1

Nodes and Elements

OCTREE Tetrahedron Mesh. 1 : Buln. 1

. - - . - 0,697,Tin

Dotiert type I Une ^

Podremos modificar el cambio de Tetraedro Lineal (TE4) a Tetraedro Parablico (TE10) en la ventana OCTREE Tetrahedron Mesh, que surge de hacer doble clic en el rbol de geo-metra en OCTREE Tetrahedron Mesh. 1: Buln.

En la pestaa Global, podemos escoger las medidas y el tipo, ya sea lineal o parabli-co, como es nuestro caso. Seleccionamos Absolute sag, podemos escoger el valor de la sajita (vase captulo 7, pg. 97). A medida que el nmero es menor, la malla ser ms tupida. Esto genera resultados con mucha mayor precisin, aunque con un tiempo

-Spannungen (Knotenwerte) MPa

2,19

11,97 1,76 1,54 1,32 1,1

| 0,878 I 0,658 I 0,439

I 0,22 0,000116

Auf der Begrenzung

von Mises

29

CATIA V5

considerablemente mayor a la hora de hacer los clculos. Para casos en donde el ele-mento que se est diseando sea relativamente grande, bastara con 1 mm. En nues-tro caso, al tratarse de un elemento relativamente pequeo, el programa admite medi-das menores a 1 mm.

Para validar los resultados obtenidos en un Anlisis por Elementos Finitos y compro-bar que los mismos son razonables, es importante constatar que existe equilibrio de fuerzas entre cargas aplicadas y reacciones en apoyos. Si dicho equilibrio de cargas se cumple, podremos decir que los resultados de tensiones y desplazamientos obtenidos se encuentran dentro de lo razonable.

4.3.5 Nueva representacin de resultados Despus de haber hecho los cambios en la ventana OCTREE Tetrahedron Mesh, el pro-grama vuelve a la posicin previa a los clculos, al momento en que utilizamos la herramienta Compute.

Una vez all, volvemos a utilizar la herramienta Compute para realizar nuevamente los clculos, pero esta vez, los datos que obtendremos sern ms fiables que el anterior (los otros eran de tener una idea rpida y global de los resultados, que obtendramos

Von Mises Stress (nodal values). 1 MPa

4,91 I 4,42 I 3,93

3,44 2.95

12,46 1.96 1,47 0,982 0,491 l,13e-005

On Boundary con este tipo de anlisis). A partir de estos resultados podemos apreciar nuevamente la representacin del elemento sometido a esfuerzos y deformaciones.

En la grfica, la distribucin nos permite automticamente indicar en pantalla la posi-cin de los resultados mximos y mnimos de los valores de desplazamientos, tensio-nes, temperaturas, etc.

Haciendo doble clic sobre los resultados de la parte derecha (Color Map), surge la ventana Color Map, en la que podemos cambiar la apariencia, as como diversa infor-macin acerca de los resultados de nuestro anlisis. Para ello presionamos el botn More.

30

El mdulo GPS

Color Map Edition

On boundary

I~1 Imposed max :

[ j Imposed min:

Distribution mode: |_ n e a r

i l o - @ . . . . I n d e x Value Imposed

8 3 , 9 7 3 0 1 Mo 7 3 , 4 7 6 3 8 No 6 2 , 9 7 9 7 6 No 5 2 , 4 8 3 1 3 No 4 1 , 9 8 6 5 1 No 3 1 , 4 8 9 8 8 No

8 3 , 9 7 3 0 1 Mo 7 3 , 4 7 6 3 8 No 6 2 , 9 7 9 7 6 No 5 2 , 4 8 3 1 3 No 4 1 , 9 8 6 5 1 No 3 1 , 4 8 9 8 8 No

I S i L e s s 1

8 3 , 9 7 3 0 1 Mo 7 3 , 4 7 6 3 8 No 6 2 , 9 7 9 7 6 No 5 2 , 4 8 3 1 3 No 4 1 , 9 8 6 5 1 No 3 1 , 4 8 9 8 8 No

8 3 , 9 7 3 0 1 Mo 7 3 , 4 7 6 3 8 No 6 2 , 9 7 9 7 6 No 5 2 , 4 8 3 1 3 No 4 1 , 9 8 6 5 1 No 3 1 , 4 8 9 8 8 No

Display Format

S ty le : A u t

Number of significant digits: 3

j J J f < * > ' i Cancel

Seleccionando Imposed mcix e Imposed min, seguido de la tecla OK, observamos los esfuerzos mximos y mnimos.

Von Mises Stress (nodal values). 1

4,91 4,42 3,93 3,44 2.95 2.46 1.96 1.47 0,982 0,491 1,136-005

On Boundary

En la barra de herramientas Image, la herramienta Displacement, posee una sub-barra llamada Other Image. En ella encontramos las herramientas: Displacement, Principal Stress y Precision, que utili-zaremos cuando queramos visualizar este tipo de resultados.

Translational displacement vector, 1

Displacement

> 0,00017 I 0,000153 F 0,000136

0,000119 0,000102

IB,52e-005 6,8 le-005 5,lle-005 3,4 le-005 l,7e-005 , 0 On Boundary

31

CATIA V5

Stress principal tensor symbol, 1

3,OB 2,24 1,39 0,54 -0,308 -1,16 - 2

-2,85 -3,7 -4,55

-5,39

On Boundary

Principal Stress

Estimated local error. 1

y 3,19e-008 I 2,87e-008 f 2,56e-008

2,24e-008 l,92e-008

Il,6e-008 l,28e-008 9,58e-009 6,39e-009 3,19e-009 2,32e-019

On Boundary

Precision

Como podemos observar en los resultados del anlisis, la cabeza del buln se despla-za en la direccin Z un mximo de 170.306 nm (nanmetros). De un anlisis cuantita-tivo en la transmisin de esfuerzos, encontramos que el mximo esfuerzo de tensin es de 4,91014 MPa y mnimo de 1,134 x 10"5 MPa.

El mdulo GPS

4.4 Configuracin del mdulo GPS En el men Options (en el men Tools\Options) en la categora Analysis & Simu-lations, encontramos parte de la configuracin para el mdulo GPS.

J Options j Past Processing | Qualty Reporting |

'IR General

Display

- g g Compatibly

- S ? Parameters and M

Devices and Vrtu

^ Infrastructure

Mechanical Desjgn

Shape

"oleranCe Analysis

- AEC Plant

Machrg

Mockup

Equipment & Systerr

E>tetnal S t w a g e ! General | Graphtcs

Defaufc CATAndvsisftesuts Fe Foider

| j | * lasfc used

O Currer^ CATAnalysis fe folder

O Local host temporary foider

O Alwavs. .

C"efaut CATAnalysisComputato'is Ft Fofcer

J * Las; used

O Currer CATAnafysis f re folder

O Local host temporary fokter

O Always. .

Defaut Tempcrary Externa! Stccage Foider

j i ] Las: used

O Local host tempor y f oider

O Always. .

Computation Data Management en S a / e

] Automatic ctea-ng of computador data

F te fame Management on 5 a v e

j j Q Automatic renammg of CATA-ta!ysisP..5sdts and CATAnaiysisCornputatioriS Pies

J OK |

J

J

A continuacin definiremos brevemente el contenido de cada una de las pestaas.

4.4.1 Pestaa Externa! Storage En esta pestaa definiremos la ruta donde queremos grabar la matriz, as como la solucin del sistema de ecuaciones. Cabe destacar que, si no hay suficiente espacio en el disco duro (nos referimos a particiones de disco duro o discos duros externos), el programa har el clculo del sistema de ecuaciones de forma incompleta, ya que nece-sita suficiente espacio a la hora de definir la malla, especificar la matriz y luego resol-ver el sistema de ecuaciones que queda planteado.

Para el MEF con CATIA V5, el programa define que para los CATAnalysis-File solo se debe guardar lo correspondiente a las cargas aplicadas al elemento y las condiciones a las que este se encuentra sometido, excluyendo a la matriz y lo correspondiente a dicha solucin.

Es por ello que los archivos CATAnalysis no son archivos de un peso considerable, teniendo la necesidad de volver a hacer nuevamente los clculos cada vez que necesi-temos hacer uso de ellos.

33

CATIA V5

4.4.2 Pestaa General

^ Options K] General

General : Graphics Postprocessing Quafty Reporting

Defaufc Analysis Case

^ a Define a default starting analysis case

Mechanical Design Shape

-g Compatibility Frequency Analysis U L J r ' Free Frequency Analysis

^ Parameters and M Devices and Vir tL i i ^ ^ ^ T r e e

^Infrastructure [J - ^ ^ parameters - Show relations

Load Management Pointed documents not loaded

AnatysisaSmuiatkxi : Tolerance Analyse

AEC Plant Machining

^Digital Mockup Equipment & Systerr

n Disable Product ^ r u c t u e cache system

d OK

En la casilla de Default Analysis Case de esta pestaa, definiremos en el tipo de anli-sis que queramos tener como predeterminado. Con ello evitamos que surja la venta-na New analysis Case (vase pg. 22). Adems, especificamos los parmetros y todas las relaciones que el elemento tenga con el entorno, para poder tener acceso a poste-riores cambios. Estos se visualizarn en el rbol de la geometra.

4.4.3 Pestaa Quality

m ^ Options - & General

-^Display - g Compatibility Defautt standard Fte -^ParametersandM ^

4 j [ D e v i c e s a n d VTtLK Quality Criteria

^-^Infrastructure Mechanical Design

5- Shape " - Analysis & Simulation

^Tolerance Andysii - AEC Plant

Machining Digital Mockup

J- Equipment & Systerr

General | Graphics j Post Processing QuaSty | Reporting

Export Defaufc Directory

fin] : C:\Trabajo\Arcivos de CATIA\Piezas i

I ""M

34

El mdulo GPS

Los cambios y contenidos que se pueden definir en esta pestaa tienen que ser hechos por una persona que posea mucha experiencia en el anlisis con el MEF, ya que se necesita un muy buen criterio de calidad para definir las cantidades que se estimarn aqu. Este criterio consiste en calificar qu cantidades se consideran aceptables o no aceptables, asignndole las cantidades que el usuario considere, para llevar a cabo un exitoso anlisis con el MEF.

En el cuadro de texto Export Default Directory, escogemos la ruta para el nuevo crite-rio de calidad que hayamos seleccionado.

4.4.4 Pestaa Graphics En esta pestaa se manipula la manera y el aspecto en que deseemos visualizar los nodos y elementos del MEF.

4.4.5 Pestaa Post Processing En ella podremos definir la ruta para guardar las imgenes de la elaboracin de un Post Processing.

4.4.6 Pestaa Reporting Con esta pestaa podemos determinar todo lo relacionado al aspecto del trasfondo, tamao y formato de la imagen.

4 . 5 C a m b i o d e u n i d a d e s

General

' ^Dtsptey

- o Compatibly

Parameters and

Devices and Virtual Reaiti

Infrastructure

Mechanical Design

Shape

y Analysis & Simulation

AEC Plant

Machining

-^Cngfcd Mockup

>- EcMpment &. Systems

Digital Process for Manuf acti

> Machining Simulation

> Ergonomics Design & Analysi

Knovdedge Units | Knowledge Environment | Report Generation | Parameters Tolerar

Units

Magnitudes Units Symbols Massic Bow Kogram per second kg s

Pressure Megapascal MPa Angular stiffness Newton.meter per.,. Nxm rad Temperature Kelvin degree Kdeg Linear mass Klogram per meter kg_m

Newton x Meter (Nxm) j d

Dimensions cisplay

Display traing zeros

Exponential notation for values greater than 10e+ 6

Exponential notation for values lower than lOe- 6

Display for the magnitude Moment

- Same cisplay for read/write numbers and read-only numbers

Decimal places for read/write numbers "3

Decimal places for read-only numbers

35

CATIA V5

El sistema de unidades ms utilizado es el SI, conocido como sistema internacional de unidades (o sistema internacional de medidas). CATIA V5 incorpora la posibilidad de sustituir las unidades bsicas (segn sea nuestra necesidad).

En Options (en el men Tools\Options) en la categora Parameters and Measure en la pestaa Units, encontramos la posibilidad de escoger las unidades con que usualmen-te trabajamos, as como tambin el nmero de valores exponenciales "+/-"

Seleccionamos la magnitud deseada (por ejemplo, Volumen) y escogemos en la casi-lla de seleccin la unidad deseada, como podemos ver en el siguiente grfico:

Knowledge Units | Knowledge Environment | Report Generation | Parameters T

Units

Magnitudes Units Symbols 1 Mass Kilogram kg m

[Volume Cubic meter m3 Density Kilogram per m3 kg_m3 Area Square meter m2 Inertia Product Kilogram Square M... kgxm2 Energy Joule J V

Cubic meter (m3)

Dimensions display Display trailing zeros Exponential notation for values gre

Cubic millimeter (mm3) Cubic centimeter (cm3) Cubic Inch (in3) Cubic foot (ft3)

Exponential notation for values lov Liter (L) Display for the magnitude Volum '

Same display for read/write nu Decimal places for read/write numbers 3 Decimal places for read-only numbers

Gallon (gal) Barrel (bri) cubic yard (yard3)

Una vez hechos los cambios en todas las unidades escogidas procedemos a confirmar-las al programa haciendo clic en el botn OK.

36

Captulo 5

Condiciones de frontera Si en el capitolio anterior simulamos el uso de algunas de las herramientas necesarias para definir las condiciones a las que una pieza se encontraba sometida, en este cap-tulo describiremos y estudiaremos estas condiciones ms a fondo.

Rest ra in ts

1- 4 Advanc... (

Mechanical Rest ra in ts fX)

1 * * A > ' I

RESTRAINTS GP1 GPS EST GAS GDY

Clamps *

m *

#

* Surface Sliders (Mechanical Restraints) m * * A Slider (Mechanical Restraints) m * * m

Sliding Pivots (Mechanical Restraints) * * m

> Ball Joins (Mechanical Restraints) m * m Pivots (Mechanical Restraints) m * # * m

& User-defined Restraints (Advanced Restraints) m * m Iso-static Restraints (Advanced Restraints) m

* * m

37

CATIA V5

Un paso muy importante para realizar un anlisis MEF es definir correctamente las condiciones de frontera del elemento en diseo. Con ellas podemos simular de forma precisa las condiciones mecnicas a las que dicha pieza se somete en la realidad (o ya una vez en uso), desplazamientos, rotaciones, empotramientos y el sometimiento de superficies en contacto.

El objetivo de las condiciones de frontera es simular los procesos mecnicos, as como el estudio cinemtico1 del sistema y su posterior anlisis.

GP1: Es una versin reducida del mdulo GPS en la plataforma Pl.

EST (ELFINI Structural Analysis): Este producto se adapta ms a las necesidades de los especialistas, manteniendo una relacin constante entre ingenieros de diseo y espe-cialistas (mayor funcionalidad en el campo de la definicin de las condiciones de fron-tera y la aplicacin de cargas). Esto permite la creacin y la solucin simultnea de casos de anlisis mltiples, para los casos estticamente limitados, anlisis de frecuen-cia y para el anlisis de deformaciones, as como de soluciones con opciones de anli-sis adicionales.

GAS (Generative Assembly Structural Analysis): Posibilita los clculos a grupos de pie-zas (elementos ensamblados), proporcionando al usuario herramientas que faciliten el uso y la comprensin, en el momento de conectar los diversos elementos de un ensamble (con un contacto simple, o de soldadura, o con algn tipo de conexin defi-nido por el usuario). La amplia gama de conexiones contribuyen a la creacin de un modelo ms realista y ms exacto, trayendo con ello una mayor exactitud en la simu-lacin mecnica del ensamblaje de elementos.

GDY (Generative Dynamic Response Analysis): Incluye bsicamente lo que corresponde al anlisis de procesos dinmicos con CATIA V5 - Generative Part Structural Analysis (GPS) y CATIA V5- Generative Assembly Structural Analysis (GAS).

El elemento en diseo debe estar estticamente determinado en el momento de hacer un anlisis con el MEF. Por ejemplo, para cuando se fije a un elemento de la pieza (empotrar o privar de desplazamiento), dicho elemento no debera sufrir ningn tipo de deformacin. Sin embargo, es posible que se d una condicin de frontera esttica-mente indeterminada.

Si se presenta en el elemento en diseo una condicin de frontera estticamente inde-terminada, aparece un mensaje de error de la siguiente forma:

Relative Pivot is too small.

Different Gradient Solution.

Global Singularity Clamp.

1. Cinemtica: Estudia el movimiento de los cuerpos independientemente de las causas que lo producen, limitndose, esencialmente, al estudio de la trayectoria en funcin del tiempo.

38

Condiciones de frontera

Las condiciones de frontera tambin permiten al usuario simular el grado de libertad (empotramiento, translaciones y rotaciones) de la pieza, en el momento de definir las condiciones a las que se encuentra sometida.

Ahora veremos con ms detalle el uso de cada una de estas herramientas, contenidas y clasificadas en subgrupos (o barras de herramientas).

5.1 Sistema de coordenadas En CATIA estn definidos tres tipos diferentes de sistemas de coordenadas:

Global - System of Coordinates.

Implicit - System of Coordinates.

User - System of Coordinates.

5.1.1 Sistema de coordenadas global El sistema de coordenadas global en CATIA est designado por los tres planos estn-dares existentes (xy, zy, xz), visualizados y representados en el comps, y los tres ejes (sistema de ejes x, y, z) estndares, que ya todos conocemos. El sistema de ejes X, Y y Z, se encuentra ubicado en la parte inferior derecha del mdu-lo en que estemos trabajando.

5.1.2 Sistema de coordenadas implcito Este sistema de coordenadas depende de la geometra de referencia que se haya selec-cionado. Se encuentran definidas como:

Sistema implcito de coordenadas cartesianas.

Sistema implcito de coordenadas cilindricas.

5.1.2.1 El Sistema implcito de coordenadas cartesianas

Relaciona el sistema de ejes X, Y y Z con la superficie plana que hayamos selecciona-do. El eje Z queda representado como un eje normal a la superficie, y le es designado el nmero 3, as como el 1 para el eje X, y el 2 para el eje Y.

En la figura podemos observar al eje Z normal a la superficie y la representacin vectorial de los despla-zamientos y las rotaciones que utilizaremos cuando definamos cmo utilizar la herramienta Advanced Res-traints.

39

CATIA V5

5.1.2.2 Sistema implcito de coordenadas cilindricas

Cuando hacemos un agujero al elemento que estamos diseando con el programa CATIA y luego seleccionamos el manto superficial cilindrico que designa dicho agu-jero, ste queda seleccionado como un cilindro.

En la figura observamos los ejes X, Y y Z en la direccin tangencial, axial y radial, tomando como convencin: Vector 1 => en direccin tangencial Vector 2 => en direccin axial Vector 3 => en direccin radial

5.1.3 Sistema de coordenadas definido por el usuario El User - System of Coordinates es el sistema de coordenadas definido por el usuario. Este puede ser un Sistema de coordenadas cartesianas, un sistema de coor-denadas cilindricas o un Sistema de coordenadas esfricas. Este sistema de ) - + coordenadas est basado en el sistema de coordenadas producido por un CAD-sistema de ejes. Dicho sistema puede ser definido en el mdulo Part Desing con la herramienta Axis System, de la barra de herramientas Tools.

5 .2 Barra de herramientas Restraints Esta barra de herramientas contiene bsicamente las herramientas que definen el tipo de empotramiento a que estara sometida la pieza.

1 - Clamps (Empotramiento fijo)

* Surface Sliders (Superficies desllzables) > User-defined Restraints (Restricciones avanzadas)

40

Condiciones de frontera

5.2.1 Herramienta Clamps (Empotramiento fijo) Al utilizar un empotramiento fijo hacemos que todo tipo de rotaciones y traslaciones en el elemento queden imposibilitadas.

Es por esto que cualquier carga aplicada a la pieza generar diversos tipos de esfuer-zos y deformaciones en ella.

Consideraciones de Instruccin Elemento Cuerpo elasticidad y Translacin (T) Empleo y

de apoyo rgido deformacin y rotacin (R) observaciones de apoyo rgido deformacin y rotacin (R) observaciones Smbolo Designacin elstica

Puntos, Elemen-

No se consi-dera como

TX Fija Inmoviliza Empotra- curvas,

planos,

grupos,

compo-

tos de No se consi-dera como Ty

Fija todos los miento

fijo (Clamps)

curvas,

planos,

grupos,

compo-

apoyo, elemento R z Fija puntos miento

fijo (Clamps)

curvas,

planos,

grupos,

compo-empotra-

mientos

fijos

de apoyo Rx Fija nodales al

elemento

de apoyo nentes

empotra-

mientos

fijos Ry Fija

nodales al

elemento

de apoyo virtuales

empotra-

mientos

fijos

TZ Fija

nodales al

elemento

de apoyo

Haciendo clic en el icono Clamps, surge al cabo de unos segundos la ventana:

mmm Name C a m p . l

En el cuadro de texto ame introducimos el nombre del Empotramiento fijo, con el que identificaremos el empotramiento o los empotramientos (de los elementos de apoyo posibles). Si existe ms de un empotramiento en nuestro elemento, podremos seleccionarlos y nombrarlos por separado, o sencillamente reunirlos todos en una sola seleccin. Esta herramienta ya la aplicamos en la pgina 25 (vase tambin las pgi-nas 214, 226, 234, 239 y 265.

Luego, hacemos uso del cuadro de seleccin Supports (toma por defecto un color azul oscuro) para seleccionar la superficie o superficies de la pieza que sern empotradas.

5.2.2 Herramienta Surface SUders (Superficies deslizables) Entre las mltiples aplicaciones que posee esta herramienta podemos identificar como un ejemplo representativo el cojinete de deslizamiento (o chumacera), donde el extre-mo de un eje (mun) gira u oscila en el interior de un casquillo (cojinete) y el movi-miento relativo es deslizante.

41

CATIA V5

Las geometras que podemos seleccionar con este tipo de caracterstica son:

Instruccin Elemento de apoyo

Cuerpo rgido

Consideraciones de elasticidad y deformacin

elstica

Translacin (T) y rotacin |R)

Empleo y observaciones

Smbolo Designacin

Elemento de apoyo

Cuerpo rgido

Consideraciones de elasticidad y deformacin

elstica

Translacin (T) y rotacin |R)

Empleo y observaciones

* Cojinete

deslizante (Surface

Sliders)

Planos y

grupos No

S, pero con

excepcin de

elementos per-

pendiculares

TX Libre Permite el des-lizamiento de

los planos con-gruentes. Ej. elementos de simetra, apo-yos de ele-mentos de mquina

* Cojinete

deslizante (Surface

Sliders)

Planos y

grupos No

S, pero con

excepcin de

elementos per-

pendiculares

Ty Libre

Permite el des-lizamiento de

los planos con-gruentes. Ej. elementos de simetra, apo-yos de ele-mentos de mquina

* Cojinete

deslizante (Surface

Sliders)

Planos y

grupos No

S, pero con

excepcin de

elementos per-

pendiculares

TZ Libre

Permite el des-lizamiento de

los planos con-gruentes. Ej. elementos de simetra, apo-yos de ele-mentos de mquina

Cojinete deslizante

(Surface

Sliders)

Planos y

grupos No

S, pero con

excepcin de

elementos per-

pendiculares Rx Libre

Permite el des-lizamiento de

los planos con-gruentes. Ej. elementos de simetra, apo-yos de ele-mentos de mquina