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Calcular cordones de soldadura con SOLIDWORKS Simulation – Parte 3

Vamos con el tercer post de esta serie de cómo calcular cordones de soldadura con SOLIDWORKS Simulation.

Los anteriores fueron: Parte 1 y Parte 2

EJERCICIO 3: UNIÓN DE CHAPAS POR SOLAPE – SOLDADURA EN ÁNGULO

Se trata de comprobar el cordón de soldadura en ángulo dispuesto entre una chapa base y un tubo rectangular de espesor 5 mm, la chapa base la fijaremos en el espacio y al tubo lo someteremos a una fuerza de tracción de 50 kN aplicados en el extremo libre.

Contamos con dos sólidos independientes, a los que hemos asignado un acero S275JR.

Como la pieza terminada tiene que ser una entidad de tipo superficie debemos transformarla, para ello hacemos uso del comando Equidistanciar superficie y definimos las superficies en las caras externas del tubo con valor de equidistancia igual a 0 mm.

Acto seguido eliminamos el sólido de este tubo para quedarnos únicamente con la superficie que representará la cara externa de sus paredes.

Para poder seleccionar correctamente las aristas que queremos soldar debemos partir las caras laterales del tubo, para ello croquizamos una línea en el plano de testa de la chapa base y a continuación utilizamos el comando Línea de partición.

Cumplida esta condición iniciamos nuestro estudio de tipo Análisis estático y le damos el nombre CORDONES LATERALES.

En el gestor de simulación, bajo la carpeta de Piezas vemos que el material se ha asignado a todos los componentes porque ya ha sido definido en el gestor de diseño, pero para la superficie no se ha definido todavía el espesor real del tubo.

Editamos su definición e ingresamos el valor de 5 mm. En equidistancia elegimos Superficie inferior para que el espesor vaya hacia el interior del tubo.

En la carpeta Conexiones agregamos entonces el conector de tipo Soldadura de arista… en este caso elegimos el tipo Redondeo, de un único lado.

A continuación, en el primer campo, seleccionamos la cara de la superficie que representa la pieza terminada y en el segundo campo, seleccionamos la cara de la otra chapa, la arista se selecciona automáticamente.

Elegimos el Estándar europeo y cubrimos el resto de los datos como figura en la captura.

Creamos otro cordón idéntico para el lado opuesto.

Editamos ahora el contacto global para evitar que las caras en contacto se unan rígidamente, elegimos el tipo Sin penetración.

Ahora asignamos una sujeción de tipo

Geometría fija… a la cara inferior de la chapa base.

El siguiente paso es aplicar una carga de tipo Fuerza… sobre la arista del extremo libre del tubo, esta fuerza valdrá 50 kN o 50.000 N y será de tracción.

Ahora mallamos el modelo con una malla basada en curvatura y con los valores predeterminados.

Ejecutamos ahora el estudio.

En el menú contextual de la carpeta Resultados elegimos Definir trazado de comprobación de soldadura.

Aceptamos el PropertyManager

Nos aparece una ventana que nos informa de que todos los conectores de soldadura cumplen, el espesor de garganta teórico sería 2 mm pero el mínimo constructivo es de 3 mm.

pieza soldada y simulation

Calcular cordones de soldadura con SOLIDWORKS Simulation – Parte 2

Seguimos con la serie de posts de «Calcular cordones de soldadura con SOLIDWORKS Simulation»

Parte 1 – Ahora vamos con la parte 2, el caso práctico a resolver es el siguiente:

EJERCICIO 2: UNIÓN DE TUBO A TOPE EN T – SOLDADURA EN ÁNGULO

Se trata de comprobar el cordón de soldadura en ángulo dispuesto entre una chapa base y un tubo circular, la chapa la fijaremos en el espacio y el tubo lo someteremos a una fuerza de tracción de 200 kN aplicados en el extremo libre.

Contamos con dos sólidos independientes, a los que hemos asignado un acero S275JR.

pieza soldada simulation

Como la primera entidad ha de ser siempre la pieza terminada, es decir, la que no es pasante, y tiene que ser además una entidad de tipo superficie debemos transformar la pieza terminada en una entidad de tipo superficie, para ello hacemos uso del comando Superficie media… acto seguido eliminamos el sólido de esta chapa para quedarnos únicamente con la superficie que representará la fibra neutra de dicha chapa.

solidworks comandos

Cumplida esta condición iniciamos nuestro estudio de tipo Análisis estático y le damos el nombre SIN CARTELAS.

En el gestor de simulación, bajo la carpeta de Piezas vemos que el material se ha asignado a todos los componentes porque ya ha sido definido en el gestor de diseño, pero para la superficie no se ha definido todavía el espesor real de la chapa.

Editamos su definición e ingresamos el valor de 5 mm.

En la carpeta Conexiones agregamos entonces el conector de tipo Soldadura de arista… en este caso elegimos el tipo Redondeo, de un único lado.

A continuación, en el primer campo, seleccionamos la cara de la superficie que representa la pieza terminada y en el segundo campo, seleccionamos la cara de la otra chapa, que en este caso la estamos tratando como un sólido. Se selecciona de forma automática la arista de intersección de estas dos entidades.

En Orientación de soldadura debemos asegurarnos de que la flecha radial de la zona de gráficos apunte hacia fuera, esta flecha indica el lado por donde discurre el cordón.

estandar europeoAhora, elegimos qué normativa vamos a emplear para efectuar la comprobación y/o dimensionado del cordón, en este caso vamos a emplear el Estándar europeo que se basa en el Eurocódigo EC3.

Completamos el resto de los valores.

Como la pieza más delgada a unir tiene un espesor de 5 mm, el tamaño mínimo de espesor de garganta tendrá que ser de 3 mm, por otro lado, el tamaño máximo será 0,7 x 5 = 3,5 mm, nosotros escogemos 3 mm como tamaño estimado.

Ahora asignamos una sujeción de tipo Geometría fija… a la cara inferior de la chapa base.

El siguiente paso es aplicar una carga de tipo Fuerza… sobre la arista superior del tubo, esta fuerza valdrá 200 kN o 200.000 N y será de tracción.

Ahora mallamos el modelo con una malla basada en curvatura y con los valores predeterminados.

Nos aparece una ventana que nos alerta de que hay un conector de soldadura que no cumple, si lo seleccionamos en la lista, en la zona de gráficos nos informa del tamaño de soldadura necesario con valor 3,7 mm.

El problema es que no podemos utilizar un cordón de más de 3,5 mm de espesor. Una solución es disponer cartelas para agregar más cordón de soldadura.

Creamos entonces una nueva configuración a la que llamamos CON CARTELAS en la que modelamos una matriz de 8 superficies con esta geometría y dimensiones.

En lugar de iniciar un nuevo estudio, lo que haremos será copiar el existente ejecutando el comando Copiar estudio del menú contextual que aparece al clicar con el botón derecho del ratón en la pestaña del estudio SIN CARTELAS.

En el PropertyManager le damos al nuevo estudio el nombre CON CARTELAS y nos aseguramos de seleccionar la configuración correcta, esto es, CON CARTELAS.

De este modo ya tenemos todo definido excepto los espesores y las soldaduras de las nuevas piezas.

Editamos las nuevas superficies para asignarles el grosor de 5 mm.

solidworks simulation

Para soldar las cartelas empleamos el tipo de soldadura Redondeo, de doble lado para todas las aristas con los siguientes datos, la cartela siempre debe seleccionarse primero porque es la pieza terminada.

Ejecutamos este nuevo estudio y observamos que ahora sí cumplen las soldaduras.

PRUEBA LA OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA SIGUIENDO ESTOS PASOS

Como os hemos contado en otra ocasión, probar los productos SOLIDWORKS de manera gratuita es muy fácil. Hoy os proponemos que además probéis el módulo de optimización topológica y si no sabéis por dónde empezar o cómo realizar un caso práctico para interactuar con el módulo y decidir si os convence, ¡sigue leyendo este post!

Qué es la optimización topológica

Parece complicado pero ya veréis que es muy sencillo, es un método matemático basado en elementos finitos que se encarga de distribuir la menor cantidad de masa material dentro de un volumen disponible (dominio) procurando al mismo tiempo la máxima rigidez posible (o mínima flexibilidad) para un determinado estado de carga (condiciones de carga) y restricciones (condiciones de contorno).
Con un estudio de topología, puedes establecer un objetivo de diseño para encontrar la mayor rigidez al cociente de peso, minimizar la masa o incluso reducir el desplazamiento máximo de un componente. Además, otras de las grandes ventajas son el poder definir restricciones como la desviación máxima, el porcentaje de masa eliminada y los procesos de fabricación.

Creación de un estudio de topología

Entremos en materia 😉
En este ejemplo, configuraremos un estudio de topología con el objetivo de encontrar la mayor rigidez al cociente de peso del brazo de una grúa.

 

1) Haz clic en Nuevo estudio (en el Command Manager de Simulation).
2) En Percepción de diseño, simplemente haz clic en Estudio de topología y en Aceptar.

Configuración de las propiedades del estudio

3) Ahora haces clic con el botón derecho en el icono Estudio1 de topología y seleccionas Propiedades.
4) Fíjate en la pestaña Opciones (en el cuadro de diálogo Topología), que deberás realizar lo siguiente:

Para Solver, selecciona Intel Direct Sparse.

Ahora marca Ejecutar análisis estático antes de ejecutar el estudio de topología.

En Configuración de región conservada (bloqueada), selecciona Regiones con cargas y sujeciones. Esto nos sirve para que todas las regiones donde hemos definido cargas y sujeciones se conserven de forma predeterminada, es decir, no se hará optimización es estas caras, ya veremos más adelante hasta qué profundidad en el modelo podemos extender estas regiones conservadas.

Haces clic en Aceptar y ¡listo! Tenemos la configuración de las propiedades.

Ejecución del estudio

5) Define el material, las sujeciones y las cargas externas

6) En el gestor de estudio de topología, haces clic con el botón derecho del ratón en Objetivos y restricciones y, a continuación, en Mayor rigidez al cociente de peso (predeterminado).

trucos easyworks Te contamos un detalle a tener en cuenta. Disponemos de 3 objetivos y te los explicamos:

Mayor rigidez al cociente de peso (predeterminado) – Cuando se selecciona Mayor rigidez al cociente de peso, el algoritmo trata de minimizar el cumplimiento global del modelo, que es una medida de la flexibilidad general (recíproco de la rigidez). El cumplimiento viene definido por la suma de energía de todos los elementos.

Minimizar desplazamiento máximo – La optimización proporciona el diseño más rígido que pesa menos que el diseño inicial y minimiza el desplazamiento máximo observado.

Minimizar masa con restricciones de desplazamiento – El algoritmo busca reducir la masa de un componente mientras se restringe el desplazamiento

7) En el PropertyManager Objetivos y restricciones, vamos a reducir el porcentaje de masa En Restricción 1, para Reducir masa un (porcentaje), defina 50 (%) como Valor de restricción. Y simplemente aceptamos

Nota: Las restricciones limitan las soluciones de espacio de diseño, podremos definir hasta dos restricciones para un único objetivo. Disponemos de 2 tipos de restricciones,

Restricción de masa El algoritmo de optimización intentará alcanzar la reducción de masa objetiva para la forma final mediante un proceso iterativo.

Restricción de desplazamiento – Establece el límite superior para el componente de desplazamiento seleccionado.

8) En el gestor de estudio de topología, haz clic con el botón derecho del ratón en Controles de fabricación y, a continuación, Agregar región conservada…

En el PropertyManager Región conservada en Selección agrega todas aquellas caras que queramos conservar, el PropertyManager te ofrece la posibilidad de dar un valor de profundidad a esa región conservada, para ello, marca la casilla Profundidad de área conservada y a continuación ingresa un valor, en este caso 20 mm, para ver su efecto en la zona de gráficos pulsa el botón Vista preliminar de geometría.

Fíjate que si yo hubiese creado previamente la malla, se habilitaría el segundo botón Vista preliminar de elemento de malla que nos permite visualizar la profundidad exacta en función del tamaño de los elementos de la malla.

9) Haz clic con el botón derecho del ratón una vez más en Controles de fabricación y a continuación, en Especificar planos de simetría… El control de simetría fuerza el diseño optimizado para que sea simétrico con respecto a un plano especificado. Puedes aplicar media, un cuarto o un octavo de simetría para obtener un diseño optimizado.

En este caso en el PropertyManager Control de simetría en el cuadro de título Tipo despliega la persiana y selecciona Simetría de un cuarto y a continuación los dos planos de simetría longitudinales.

Ahora simplemente aceptar.

Nota: Las restricciones de fabricación garantizan que se pueda extraer la forma optimizada de un molde o que pueda estamparse con una herramienta o un troquel.

Disponemos de 4 restricciones:
Región conservada
Control de desmoldeo
Control de simetría
Control de espesor

10) Malla el modelo

11) Haz clic en Ejecutar este estudio (CommandManager de Simulation). El algoritmo de optimización, a través de varias iteraciones, intentará alcanzar la convergencia. Podemos consultar en tiempo real la convergencia tanto del Objetivo (Mayor rigidez) como de la Restricción (Masa).

Visualización de los resultados

12) En Resultados, haz doble clic en Masa de material 1 (-Masa de material).

En el PropertyManager, Masa del material traza isovalores de las densidades de masas relativas de los elementos. La posición predeterminada del control deslizante traza todos los elementos con densidades de masa relativas superiores a 0,3.

Desplaza el control deslizante del isovalor hacia la derecha para eliminar un poco más la masa de la forma optimizada.

13) Haz clic en Calcular malla suavizada. 

El programa crea superficies lisas de la forma optimizada, suavízalas al máximo y asígnale un color único.

14) Haz clic en Aceptar. Puedes exportar los datos de malla suavizada de la forma optimizada como nueva geometría. Para ello hacemos clic con el botón derecho del ratón en Trazado de masa del material en Resultados y por último, clic en Exportar malla suavizada.

Ajuste del modelo a la forma optimizada

15) En la pestaña Modelo, pulsa Visualización de simulación, en el PropertyManager marca la casilla correspondiente al estudio Masa del material1, de este modo se mostrará el modelo y su forma optimizada de manera simultánea, esto nos permitirá aplicar operaciones de sustracción en aquellas zonas donde no se requiere material.

16) Croquiza sobre las caras del modelo las regiones a sustraer del modelo.

17) Cuando haya terminado oculta de nuevo la visualización de simulación.

Comprobación del modelo optimizado

18) Ahora vamos a comprobar el modelo resultante. Haz clic con el botón derecho del ratón en la pestaña del estudio de topología y selecciona copiar estudio, elige como estudio de destino un Estudio estático para confirmar que las tensiones están dentro de los límites admisibles.

19) A continuación, creamos la malla y ejecutamos el estudio. Y vemos que, efectivamente, las tensiones no superan el límite elástico del material.

Esperamos que con esta guía os sea más fácil empezar con la optimización topológica

 

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