¿Por qué incluir una imperfección geométrica en un modelo FEA?
Ninguna estructura es perfecta, inclusive cuando representamos un diseño en un CAD 3D, estamos representando una condición ideal de un sistema, aún si está recien fabricado o no ha iniciado operaciones. Este enfoque en algunas situaciones nos sirve para estudiar el diseño, pero existen situaciones en el que la estructura se degrada con el tiempo, producto de su operación normal o por factores externos ocasionales.
Las imperfecciones se utilizan para "perturbar" el modelo, incluyendo esos defectos físicos que pudieron ser provocados durante su fabricación, su operación o algún accidente que la desvie de su condición original o de diseño. Considerar su efecto es prácticamente obligatorio en determinados tipos de análisis, como por ejemplo análisis de colapso por carga última de una estructura o un análisis de aptitud para el servicio (Fitness-For-Service) según código ASME FFS-1/API 579, entre otros.
¿Qué opciones se tienen para incluir imperfecciones geométricas en Ansys?
Ansys es una herramienta de simulaciones que nos permite incorporar imperfecciones geométricas, para "perturbar" el modelo que estamos analizando. La opción nativa del Ansys workbench para incorporar imperfecciones a partir del resultado de un análisis previo es muy simple de implementar, pero te puede limitar para situaciones más complejas o si requieres preparar modelos avanzados. Este procedimiento te lo explico con detalle en el video en mi canal de youtube en el que hablo sobre imperfecciones geométricas.
Adicionalmente, se pueden incluir macros con comandos APDL para "perturbar" el modelo, dependiendo de la data que se disponga para representar la imperfección, como por ejemplo, la información que se obtiene de un escaneo 3D, pero este proceso es aún más complejo por la gran cantidad de puntos que habría que procesar. Siendo entonces el método más sencillo, usar comandos APDL que cumplan la misma función que tiene el Ansys Workbench para incluir imperfección geométrica a partir de resultados obtenidos previamente en un análisis.
Limitación:
Ansys Workbench a través de su interfaz gráfica nos permite incoporar imperfecciones geométricas (como te enseño en este video), pero este método nos resta versatilidad si queremos ejecutar análisis con un flujo de trabajo más complejo, limitándonos si queremos emplear análisis paramétricos sobre las imperfecciones.
La solución:
Ansys posee un comando APDL que nos permite incoporar imperfecciones geométricas en tu modelo por elementos finitos, basada en el resultado de un modelo que posea igual mallado. Este análisis "fuente" de la imperfección puede ser desde un análisis estático hasta un análisis de pandeo lineal, en fin, cualquier análisis estructural que genere un archivo de resultados RST.
El comando APDL que vamos a utilizar es UPGEOM
Adicional, el uso de comandos APDL nos permitiría generar combinación lineal de imperfecciones en caso de querer incluir su efecto, cosa que no nos permite el Ansys Workbench a través de su interfaz gráfica.
¿Qué hace el comando UPGEOM?
El comando UPGEOM toma la información de los desplazamientos de los nodos y modifica la posición de los nodos para que adquieran la condición del defecto o "deformada". Es decir, el comando UPGEOM modifica parcial o totalmente la malla, pero no modifica la geometría original.
Como es un proceso de actualización de coordenadas nodales, no se transmite ningún efecto por esfuerzos residuales, que sería otro tipo de imperfección que podemos incluir en un modelo, en especial cuando analizamos casos de estabilidad estructural o pandeo no lineal en estructuras.
¿Cómo funciona el comando UPGEOM?
El comando UPGEOM tiene una estructura muy simple que te resumo en la siguiente imagen:
La estructura como ves es muy simple, solo debes tener en cuenta que la malla fuente de la imperfección debe ser idéntica a la malla del modelo que quieres perturbar, y esto en Ansys Mechanical se garantiza solo perturbando modelos que se encuentren conectados en una misma rama hasta la sección Modelo, como te muestro en la siguiente imagen:
De acuerdo al ejemplo, no se puede usar el comando UPGEOM para perturbar el análisis #3, usando como fuente los resultados de 1 o 2, ya que no se garantiza que las mallas sean idénticas al no estar conectados a nivel de "Model".
¿Donde coloco el comando en mi modelo?
Muy simple, debes agregar un objeto de comandos dentro del análisis en Ansys Mechanical y configurar el comando con la siguiente estructura:
Como dato adicional, debes tener en cuenta las siguientes consideraciones cuando utilices el comando UPGEOM directamente en el Ansys Mechanical:
Ventajas y desventajas de este método y comentarios finales
Con mi experiencia en consultoría yo considero que este comando tiene más "pros" que "cons", de hecho, tiendo a usarlo sin pensarlo dos veces en la mayoría de los casos que lo requieren. Sin embargo, tampoco es perfecto y tengo que decirte lo que a mi parecer me parece podría representar una debilidad. De tal manera que tu estudies cuál es el mejor enfoque que te funcione.
ventajas
deventajas
ConClusion
No todo es perfecto, ni siquiera este método, sin embargo es una opción muy versatil cuando te toca incluir una imperfección geométrica en un modelo por elementos finitos empleando Ansys. Mi recomendación es que primero te familiarices con un caso super simple, no con uno complejo, como el que puedes estar resolviendo en este momento en la oficina donde trabajas, un caso que puedas auditar y revisar a nivel de modelo, de esta forma ganarías mucho más conocimiento y disminuiría la incertidumbre de no conocer.
Abajo de te dejo algunos videos relacionados con el uso del comando UPGEOM que se encuentran en mi canal de Youtube. En caso de consulta no dudes en escribirme a través de mis redes sociales.