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Sesion1ReconocimientodelaInterfazdeANSYSWorkbenchyAnálisisEstáticodeVigas
ANSYS Workbench es una plataforma gráfica de Análisis por Elemento Finito (FEA) que basa su
funcionamiento en los Solvers propiedad de ANSYS Inc. Es decir, utiliza motores de solución tales
como ANSYS APDL, Fluent, PolyFlow y Shore, pero unificando la interfaz de modelado, mallado y
presentación de resultados, de tal manera que se facilita el modelado del problema y la aplicación
de condiciones de frontera ya que anteriormente era necesario especializarse en alguno de los
programas mencionados para poder acceder e interactuar con ellos.
La interfaz de Usuario de ANSYS Workbench presenta las siguientes ventanas y barras:
Toolbox: En esta sección podemos elegir el tipo de análisis a realizar, yendo desde un análisis
estructurales simples hasta análisis de multifísica, que pueden realizarse al combinar dos o más
módulos de aplicación.
Project Schematic: En esta ventana tenemos una vista general del análisis que se realiza, nos de
una “vista de planta” de la estructura del análisis, indicando los pasos a seguir para el desarrollo
del problema, mostrando las interacciones entre módulos de aplicación activos. Es la forma más
sencilla de seguir una secuencia durante el uso del software.
Barra de Mensajes: Nos indica advertencias y estados generales del problema, dependiendo de la
configuración de nuestras ventanas y el menú seleccionado, puede cambiar de contenido
mostrando variables o uso de recursos.
Project Schematic
Toolbox
Barra de Mensajes
Manteniendo presionado el botón izquierdo del mouse sobre
alguno de los módulos de aplicación y arrastrándolo al área del
Diagrama del Proyecto es posible agregar múltiples análisis al
proyecto, en este caso se va a seleccionar únicamente el
módulo de aplicación “Structural Static”. Sin embargo, es
posible llevara a cabo análisis de Multifísica simplemente con
agregar módulos e interconectando los campos de Geometría,
Malla y Solución e indicando los valores y condiciones de
frontera adecuados para la resolución del modelo.
Menú Contextual
Este menú aparece al dar clic con el botón derecho del mouse sobre
alguno de los campos del módulo de aplicación activo; con él se puede
acceder a las interfaces de edición de geometría, malla y variables de
Ingeniería.
Como se puede apreciar, el esquema del Módulo de Aplicación nos da una guía ordenada de los
pasos a seguir para resolver los modelos que se vayan a resolver; esto es:
Indicando las constantes del entorno
Generando la geometría
Generando el mallado de la geometría
Aplicando las condiciones de frontera
Resolviendo el modelo
Primero que nada, entonces, es necesario agregar las constantes, tipo de material, propiedades de
los materiales a ocupar, temperaturas, etc. Esto lo hacemos al dar doble clic sobre el Campo
que aparece en el Módulo de Aplicación.
Habiendo hecho esto, la configuración del Área de Trabajo cambia, dando paso a una Interfaz en la
que podemos agregar materiales desde la Librería de Materiales que el programa trae
precargados, o creando un nuevo material e ingresando los valores correspondientes a los campos
Módulos de
Aplicación
de las propiedades físicas del material. En la figura se muestran los componentes de la Interfaz
“Engineering Data”
Para generar un nuevo material, basta con dar clic en la lista de Materiales Activos y anotar el
nombre del nuevo material, con esto una Lista de Valores en blanco aparecerá. Para agregar
propiedades al nuevo material hará falta arrastrar las propiedades requeridas del Menú de
propiedades físicas y llenar los campos correspondientes con los valores deseados.
Siempre es posible cargar materiales predefinidos dando clic al ícono correspondiente a la Librería
de Materiales y seleccionando de la lista de materiales el requerido para el análisis.
Materiales Activos
Menú de
propiedades
físicas
Lista de valores de las propiedades físicas
del material activo
Temperatura del material
Grafica de variación de
propiedades respecto a la
temperatura
Ingresar las propiedades físicas del material
En este caso específico se ocupará el Acero Estructural que aparece como predeterminado al
entrar a la interfaz de Datos de Ingeniería.
Habiendo ingresado los materiales correspondientes es posible regresar al Diagrama del Proyecto
dando clic al ícono que aparece en la parte superior, en las barras de menú.
Una vez que se han ingresado las características de los materiales a emplear, es necesario agregar
la geometría que se va a analizar, esto puede hacerse importándola desde un archivo CAD o
generándola directamente en la interfaz de modelado de Workbench. Para hacer esto, damos
doble clic sobre el campo del Módulo de Aplicación.
Una vez hecho esto, el programa cargará la interfaz de modelado de Workbench, cuya
configuración se explica a continuación:
Barras de herramientas: Incluyen funciones de generación de geometría y operaciones aplicables a
la misma, tales como arreglos polares, extrusión o generación de voluménes de revolución.
También contienen herramientas de selección, para poder manejar elementos geométricos
individuales, tales como puntos, líneas, caras o cuerpos.
Árbol de modelo: Permite la visualización esquemática de los objetos que conforman la geometría,
permitiendo el control individual de las operaciones que conforman la misma.
Detalles de la Geometría: En este espacio se puede acceder a los parámetros de control de los
objetos presientes en el puerto de visualización, así como a las propiedades de volumen,
superficie, momento de inercia, etc, inherentes a los objetos seleccionados y/o activos.
Barras de herramientas de modelado, selección y visualización
Árbol de modelo
Detalles de la
geometría
Puerto de Visualización
Además, en la perte inferior del espacio correspondiente al Árbol de Modelo, se encuentran
ubicadas dos pestañas, que permiten el cambio entre la representación del árbol de modelado y
las herramientas de dibujo (sketching) en 2D.
Para proceder al modelado de la viga cuyo estudio se realizará, es necesario primero que nada,
establecer los puntos a partir de los cuales se generarán las líneas que simularán ser los
componentes de la viga. Para esto hacemos uso del ícono presente en las barras de
Herramientas. Habiendo hecho esto aparecerá en el puerto de Detalles lo siguiente:
En el campo “Definition” seleccionamos “Manual
Input” que nos permitirá ingresar las coordenadas
de X,Y y Z en las cuales queremos colocar el primer
punto que definirá la geometría, ingresamos las
coordenadas (0,0,0) indicando que el punto se
ubicará en el origen, y damos clic al ícono ,
tras lo cual observaremos que aparece un punto en
el origen del Puerto de Visualización.
Es importante dar clic en el ícono cada vez que se realice una operación o se dibuje un
elemento para que éste aparezca en el Puerto de Visualización, ya que ninguna operación será
realmente completada hasta no haber sido actualizada la geometría en el Puerto de Visualización.
En adelante se asumirá que después de cada operación realizada se “generará” la operación y
dejará de indicarse este paso.
Para este caso, repetiremos la operación para generar otros dos puntos en las coordenadas (4,0,0)
y (4,0,2), indicando que se generarán líneas que conformarán una viga con forma de L, teniendo
una longitud de 4 metros sobre el eje X y un brazo de 2 metros en el eje Z, siendo horizontal
El siguiente paso consiste en generar las líneas que simularán ser
la viga que se estudiará. Esta operación se realiza dando clic en
Concept > Lines From Points
Esta operación requerirá que seleccionemos los puntos a partir de
los cuales se generarán los segmentos rectos. Mediante el uso de
la herramienta de selección de puntos seleccionaremos el
primer punto y luego mientras se presiona la tecla “Ctrl” se
selecciona el segundo punto que definirá el segmento recto.
Esta acción se repetirá para obtener los dos segmentos de recta que simularán la viga.
Hecho lo anterior, se obtiene lo siguiente:
Se observa que los
segmentos generados están
trazados con líneas azules
indicando que no existen
problemas de definición de
la Geometría. Además, se
pueden ver dos líneas de
color verde, que indican la
dirección de la normal de
cada segmento. Esto es
particularmente útil para poder visualizar la dirección en la que se ubicará la sección transversal
que se aplicará a continuación.
Para simular que las líneas dibujadas tienen una sección
transversal, será necesario definirla, para lo cual
seleccionamos una de las secciones transversales que
aparecen en el Menú Concept> Cross Section
Dentro de la librería de secciones transversales, se
encuentran perfiles comunes utilizados en construcción e
industria Metal‐mecánica, pero también es posible definir
secciones personalizadas mediante la definición de un
“Sketch” habiendo seleccionado la opción “User Defined”
Es importante indicar, que la sección transversal estará
alineada con el vector normal de la línea a la que se asigne.
En este caso particular se selecciona un perfil cuyos parámetros de altura, espesor y ancho del
patín pueden ser modificados en el espacio de Detalles de la Geometría, en los cuales
ingresaremos los valores indicados en la figura de la izquierda, a modo de obtener un perfi como
el que se observa en la figura derecha.
Habiendo hecho lo anterior, es posible entonces
asignar la sección transversal a los segmentos que
conforman la “Viga”, para esto, en el Árbol de
Modelado se selecciona el conjunto de líneas dando
clic a el ícono Line Body que se encuentra al final del
Árbol de Modelo.
A continuación, en la ventana de Detalles, se cambia el
valor del campo “Cross Section” a la sección que se
desee aplicar al modelo.
El modelo ya tiene definida
la sección transversal,
podemos visualizar la
orientación de las secciones
transversales y una
aproximación a su aspecto
real activando la opción
Menu > View > Cross
Section Solids, con lo que el
modelo se verá como se
aprecia en la imagen
siguiente.
Ahora, como se aprecia, la sección de uno de los segmentos se encuentra desalineada respecto a
la orientación deseable para el modelo, esto se corrige como sigue. Cambiamos el modo de
selección a “selección de líneas” representado por el siguiente ícono y dando clic sobre
cualquiera de las líneas cuyo vector normal queramos rotar para alinear la sección transversal.
Editamos los
valores indicados
en la ventana de
detalles
indicando una
rotación de 90°
para alinear
correctamente la
sección
transversal.
Completando las operaciones anteriores, podemos cerrar la interfaz de modelado y regresar a
Workbench para proceder a mallar el Modelo y a aplicar las cargas. Para esto, damos doble clic al
ícono en el módulo de aplicación, esto abre la interfaz de Ajustes de
Modelo, en donde es posible agregar la malla al Modelo, aplicar las cargas y condiciones de
frontera y solucionar el problema.
La configuración de esta interfaz se divide como sigue:
Cuando se han configurado 2 o más materiales, es necesario
indicar qué elementos de la geometría serán simulados con
un material específico; es posible elegir el material para
cada elemento seleccionando el mismo en el Esquema del
Proyecto. En el ícono “Geometry” se encuentran agrupados
todos los objetos que conforman el estudio, es aquí, en
donde se selecciona el elemento deseado, haciendo esto, el
contenido de la casilla de Detalles cambiará, permitiendo
conocer las propiedades del objeto, entre ellas, el material
asignado a el elemento específico.
Para asignar un material, en el campo “Material” se
encuentra la casilla “Assignement” es en ésta casilla que se
puede seleccionar entre los materiales definidos.
Barras de herramientas de selección y visualización Estas barras cambiarán de acuerdo a la operación que se lleve a cabo, mallado, aplicación de cargas o solución
Esquema del
Proyecto
Detalles del
modelo
Puerto de Visualización
La siguiente etapa consistirá en generar un Mallado, es decir, dividir
o segmentar la Geometría para su estudio.
Damos clic derecho sobre el ícono en el Esquema del
Proyecto, esto abre un menú contextual en el que aparece la opción
, al seleccionar este ícono, se genera la malla del
modelo.
Habiendo realizado esta operación, la Malla obtenida se puede
aptreciar en la imagen siguiente.
Otro método para generar la malla es dar clic en la Barra de Herramientas de Mallado, indicada
por la flecha roja en la imagen anterior. Esta barra permite agregar parámetros de control de
malla.
A continuación se aplicarán las Condiciones de Frontera que
definirán el comportamiento del Modelo.
Se llaman Condiciones de Frontera a las restricciones,
fuerzas aplicadas, limitantes de movimiento, aceleraciones y
entradas de energía que afectarán cómo se comporta el
Modelo.
Antes de agregar las cargas y para que aparezcan las
opciones relacionadas a esta tarea, es necesario seleccionar
el objeto “Static Structural” dentro del Esquema del Proyecto, hecho lo cual, aparece la siguiente
Barra de Herramientas
Esta barra nos permite agregar las cargas y los soportes necesarios al Modelo. Cabe mencionar
que el objeto “Static Structural” cambiará según el Módulo de Aplicación con el que estemos
trabajando, así como el contenido de la Barra de Herramientas de Condiciones de Frontera.
Para este caso, seleccionamos el punto de la Geometría más cercano al origen y aplicamos la
condición “Fixed Support” que se encuentra dentro del menú “Supports”.
El siguiente paso es indicar la carga; esto se hará seleccionando el punto correspondiente al otro
extremos de la “Viga” que se está simulando y aplicando una fuerza seleccionando la opción
“Force” del menú “Loads” de la Barra de Herramientas de Condiciones de Frontera.
Seleccionamos la geometría en la que se aplicará la carga, y en el campo “Define By” se elige la
opción “Components” lo que nos permitirá ingresar componentes en cada Eje Coordenado de la
fuerza a aplicar. Para este caso, se aplicará una carga de 600N con componente negativa en el eje
Y.
Ya se han definido la Geometría, el Mallado, las cargas y los soportes necesarios para el la correcta
parametrización del problema, sólo queda resolver el Modelo. Únicamente, antes de solicitar al
programa la solución del problema, es necesario indicar qué tipo de parámetros se representarán
y graficarán en el Puerto de Visualización, para lo cual se selecciona el objeto “Solution” del
Esquema del Proyecto. Esto la Barra de Herramientas de Visualización de Resultados.
Seleccionamos “Total Deformation”, “Torsional
Moment” y “Total Bending Moment” para que
el programa grafique estos resultados.
De no seleccionar la visualización de ningún
parámetro, el programa resolverá el problema,
pero no representará los resultados de manera
gráfica, y será necesario volver a resolver una
vez que se agreguen tipos de visualización para que se ejerza el cambio.
Como último paso, damos clic al botón hecho esto, el programa genera una solución
al problema modelado.
Con lo anterior, y seleccionando cada uno de los parámetros de Visualización, se puede observar
en el Puerto de Visualización, la representación gráfica de los resultados del solver.
