Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX. Jhoan Sebastian Rodriguez email: jhoan.rodriguez@estudiantes.uamerica.edu.co
Catherine Sanchez Martinez email: catherine.sanchez@estudiantes.uamerica.edu.co
UNIVERSIDAD DE AMERICA Grupo de investigación de Diseño Avanzado Bogotá 2010
1
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
Contenido: •
Introducción
•
Herramientas de software
•
Ejercicio de contacto
•
•
Introducción
•
Planteamiento del problema
•
Preprocesamiento
•
Procesamiento , archivo .INP
•
Postprocesamiento
Ejercicio térmico. •
Introducción
•
Planteamiento del problema
•
Preprocesamiento
•
Procesamiento , archivo .INP
•
Postprocesamiento
•
Resultados
•
Mas información.
INTRODUCCION Para el desarrollo de análisis por el método de elementos finitos es indispensable el uso de herramientas adecuadas que permitan tener control preciso sobre el procesamiento de datos. EN la actualidad existen una gran cantidad de herramientas informáticas que ofrecen soluciones de ingeniería para estos análisis, pero con el desarrollo de las interfaces gráficas (GUI) y la simplificación de uso de estas,la mayoría se a convertido en “cajas negras” que son usadas por muchos usuarios sin el suficiente conocimiento de elementos finitos; resultando en análisis sin fundamentos “garbage in, garbage out”. El conocimiento y juicio de ingeniería son muy importantes a la hora de definir un análisis y las herramientas a usar. Este tutorial pretende ser una referencia o punto de partida para aquellos que decidan utilizar software de mas alto rendimiento y control. Esto gracias a las características asociadas al softwarelibre de ingeniería disponibles actualmente. Presentado como continuación alternativa al tutorial basico “Getting Started with CalculiX” de Jeff Baylo , se recomienda al lector nuevo en el tema empezar por las pasos básicos explicados en detalle en ese documento.
2
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
HERRAMIENTAS DE SOFTWARELIBRE El software libre, según la “Free Software Foundation”, es el software que respeta la libertad de los usuarios sobre su producto adquirido y, por tanto, una vez obtenido puede ser usado, copiado, estudiado, cambiado y redistribuido libremente; no puede ser confundido con “software gratuito", a pesar de que suele estar disponible gratuitamente. CAELinux (Computer Aided Engineering: Se define como una distribución de Linux, software libre, desarrollada para la ingeniería asistida por computador, de donde se deriva su nombre, dedicada a la computación científica, a la modelación matemática con énfasis en la simulación por elementos finitos y a la dinámica de fluidos computacional, con programas como los son: SALOME_MECA 2010, OpenFOAM, EnGrid 1.2, Elmer, NetGen, Gmsh v2, Calculix, Impact, entre otros. La distribución CAELinux se fundamenta en la excelente base proporcionada por Ubuntu 10.04 SO de 64 bits, (distribución de Linux) que incluye un número siempre creciente de código abierto para la modelación, simulación y diseño de software. La mayor parte del contenido (~ 95%) de CAELinux está prevista por licencias "libres" / de código abierto GPL o LGPL (GNU Licencia Pública), que permite darle uso libre (privado y comercial) y redistribuir estos paquetes de software. CALCULIX: Calculix es un paquete diseñado para resolver problemas de campo. El método utilizado es el método de elementos finitos. Con modelos de elementos finitos en Calculix se puede construir, calcular y postprocesar. El pre y postprocesador es un sistema interactivo de herramientas 3D utilizando el API OpenGL. El Solver es capaz de hacer cálculos
3
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
lineales y no lineales. Estáticas, dinámicas y soluciones térmicas están disponibles. Ambos programas se pueden utilizar de forma independiente. Debido a que el solucionador utiliza el formato de entrada Abaqus es posible el uso comercial de preprocesadores también. A su vez el preprocesador es capaz de escribir con malla los datos correspondientes a Nastran, ABAQUS, ANSYS, el código de Duns libre cfd, ISAAC y OpenFOAM. El programa está diseñado para ejecutarse en plataformas Unix como Linux y las computadoras Irix, también en MS Windows.
NETGEN: NetGen es un generador automático de malla 3D tetraédrica, el cual acepta formatos de entrada CSG (geometría sólida constructiva) o BRep (representación de frontera) de un formato STL. También permite el manejo de archivos IGES y STEP. NetGen contiene módulos para la optimización de la malla y el refinamiento de malla jerárquica, es de código abierto basado en la licencia LGPL y está disponible para Unix / Linux y Windows.
BLENDER: Blender es un programa informático multiplataforma, dedicado especialmente al modelado, animación y creación de gráficos tridimensionales. El programa fue inicialmente distribuido de forma gratuita pero sin el código fuente, con un manual disponible para la venta, aunque posteriormente pasó a ser software libre. Actualmente es compatible con todas las versiones de Windows, Mac OS X, Linux, Solaris, FreeBSD e IRIX. Tiene una muy peculiar interfaz gráfica de usuario, que se critica como poco intuitiva, pues no se basa en el sistema clásico de ventanas; pero tiene a su vez ventajas importantes sobre éstas, como la configuración personalizada de la distribución de los menús y vistas de cámara.
4
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
EJERCICIO CONTACTO Introducción: la situación que se pretende estudiar es el comportamiento que tienen dos superficies planas, de dos cuerpos sólidos, cuando una superficie entra en contacto con la otra, por acción de una fuerza. Planteamiento del problema: Existen dos estructuras, VIGA 1 y VIGA 2, componentes de un techo, cada una sujeta por un extremo opuesto y separadas cierta distancia una respecto a la otra y se requirió hacer un reparación sobre la viga superior (VIGA 1) con un equipo especial, bastante pesado, el cual solo se puede ubicar en el extremo libre de la misma. Para ello, gracias al análisis por elementos finitos se busca encontrar el desplazamiento, esfuerzo y deformación que sufren las estructuras al estar sometidas bajo estas condiciones de carga. Para ello, se plantea el siguiente esquema simplificado en donde se presenta únicamente la sección en voladizo de las estructuras:
En donde el espesor de cada viga es de 10mm; las superficies S4 y S6 están fijas o restringidas completamente y la fuerza se va aplicar en una región de la superficie S1. Preprocesamiento: Para desarrollar este ejercicio, es necesario realizar la parte inicial en el preprocesamiento de Cálculix denominado CGX, en donde se realiza toda la parte geométrica del análisis. Se abre el archivo contacto.fbd en donde se va almacenando la información de lo que se va realizando en el programa en cuanto a geometría, la cual se realiza creando primero los puntos, luego las líneas, lo que genera superficies para finalmente darle espesor y por último se enmalla todo, generando el archivo all.msh; todo esto gracias al uso de comandos en la terminal. El tipo de elemento seleccionado para el enmallado aplicado es el denominado he8, el cual indica: las dos primeras letras definen la forma (be: beam, tr: triangle, qu: quadrangle, he: hexahedra), luego el número de nodos. Para este caso se escogió un hexaedro con 8 nodos, el
5
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
cual para efectos de procesamiento le corresponde el tipo de elemento C3D8.
Para el procesamiento también es necesario crear set's o conjuntos de entidades, ya sean de nodos, lineas, superficies, caras o elementos de interés. Por eso, para establecer las partes de las vigas que están fijas, se creó el conjunto de nodos definidos en el archivo denominado fijo3.nam, empleando los comandos de qadd y send. El comando qadd se utiliza para agregar entidades a un conjunto o una secuencia. Para agregar entidades se debe mover el puntero del mouse sobre la entidad y pulsar las teclas siguientes dependiendo de lo que se desee seleccionar: n=nodos, e=elementos, f=caras, p=puntos, l=líneas , s=superficies, b=cuerpos, S= Nurb superficies y L=Nurb Líneas. Para capturar más de una entidad a la vez, pulsar “a” seguido de dos veces “r” para crear un área de selección rectangular, ambos movimientos definiendo esquinas opuestas del rectángulo. Pulsar “q” para salir del comando. Una vez seleccionados el conjunto de nodos de interés comprendidos en S4 y S6 de las vigas, se emplea el comando “send fijo3 abq nam”, para para enviar los datos a un archivo de sistema en formato ABAQUS con extensión .nam De igual manera, para el grupo de nodos involucrados en el contacto, se creó el archivo slav.nam., el cual representa los nodos comprendidos en la superficie de la viga 2 (inferior) que están involucradas en el contacto. Para establecer el otro grupo de nodos de la viga 1 (superior) que están en contacto, se crea el archivo contacto1.sur, el cual origina una superficie a partir de los nodos seleccionados, gracias al comando qsur. Para el caso de la fuerza aplicada, representada por el peso del equipo de reparación colocado sobre la superficie de la viga 1, se seleccionan lo puntos sobre los cuales existe la carga con el comando qadd, posteriormente se utiliza “send carga abq pres 1000.0" y se genera el
6
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
archivo carga.dlo, en donde se registran los puntos bajo esa magnitud de carga en la dirección normal de aplicación.
Procesamiento:Para efectuar el análisis se requiere ejecutar el archivo de formato .inp en el modo CCX de la aplicación, el cual contiene: descripción del material, de limitaciones y carga con condiciones de frontera; definición del tipo de solución y solicitudes de salida. Además, se incluyen todos los archivos de set o conjuntos creados previamente involucrados en el análisis. Para la solución de la situación planteada se tiene el siguiente archivo contacto.inp: *INCLUDE, INPUT=all.msh *INCLUDE, INPUT=fijo3.nam *INCLUDE, INPUT=contacto1.sur *INCLUDE, INPUT=slav.nam *MATERIAL, Name=copper *ELASTIC 110000000000, 0.32 *SOLID SECTION, Elset=Eall, Material=copper *SURFACE,NAME=Sslav,TYPE=NODE Nslav *CONTACT PAIR,INTERACTION=SI1 Sslav,Scontacto1 *SURFACE INTERACTION,NAME=SI1 *SURFACE BEHAVIOR,PRESSUREOVERCLOSURE=EXPONENTIAL 1.0e4,.1 *STEP *STATIC *BOUNDARY Nfijo3,1,3
7
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
*DLOAD *INCLUDE, INPUT=carga.dlo *NODE FILE U *EL FILE S, E *END STEP Malla: *INCLUDE, INPUT=all.msh *INCLUDE, INPUT=fijo3.nam *INCLUDE, INPUT=contacto1.sur *INCLUDE, INPUT=slav.nam Se incluyen las tarjetas de INPUT o entradas donde se especifican los archivos del enmallado (.msh) y set's o conjuntos de entidades de interés, todos estos generados previamente en CGX. Material: *MATERIAL, Name=copper *ELASTIC 110000000, 0.34 *SOLID SECTION, Elset=Eall, Material=copper Se definen las propiedades del material utilizado en las estructuras. El modelo de material utilizado para este análisis es un modelo elástico lineal, en donde se requiere solamente el módulo de Young y el coeficiente de Poisson, que para la situación corresponde a 110 Gpa y 0.34, respectivamente, al material seleccionado, aleación de cobre UNS C95400. También se cuenta con la tarjeta SECTION, que para esta situación corresponde a un sólido. Contacto: *SURFACE,NAME=Sslav,TYPE=NODE Nslav *CONTACT PAIR,INTERACTION=SI1 Sslav,Scontacto1 *SURFACE INTERACTION,NAME=SI1 *SURFACE BEHAVIOR,PRESSUREOVERCLOSURE=EXPONENTIAL 1.0e4,.1 El contacto es un tipo no lineal de condición de frontera, la cual previene que cuerpos sólidos estén sobrepuestos unos sobre otros. La definición de contatco implementada en Calculix corresponde a “nodeto surface penalty method” basada en pares de superficies en contacto. Cada par de superficies de interacción consiste en una superficie dependiente y una superficie independiente. La superficie dependiente puede ser definida sobre nodos o caras de elementos y la superficie
8
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
independiente debe consistir en caras de elementos. Se pueden definir cuantas parejas sea necesario. Una pareja de contacto se define por la tarjeta *CONTACT PAIR, en la cual, para esta situación, se nombra la interacción con SI1, que relaciona la superficie Sslav (dependiente) y Scontacto1 (independiente). Con la tarjeta *SURFACE BEHAVIOR, la interacción de una superficie puede ser definida; esta tarjeta es necesaria para cualquier análisis de contacto, solo requiere de un parámetro PRESSUREOVERCLOSURE, que puede tomar valores EXPONENTIAL o LINEAR. Los parámetros Co y Po definen el tipo de contacto. Po es la presión de contacto a una distancia cero, Co es la distancia desde la superficie maestra en la cual la presión disminuye a 1 % de Po. El comportamiento entre ambos parámetros es exponencial. Grandes valores de Co conlleva a contacto suave y valores pequeños conllevan a contacto fuerte. Para este caso, PRESSUREOVERCLOSURE toma el valor de EXPONENTIAL, donde los valores “1.0e4,.1” corresponden a Co y Po , definidos para este ejercicio. Tipo de análisis: *STEP *STATIC ….... *END STEP El análisis debe tener al menos una paso de carga definido. Un paso se abre por la tarjeta de *STEP y se cierra por *END STEP. Dentro de la definición de un paso normalmente se establece el tipo de análisis, las condiciones de frontera y peticiones de salida. El análisis en este caso es un análisis estático lineal. Condiciones de frontera: *BOUNDARY Nfijo3,1,3 *DLOAD *INCLUDE, INPUT=carga.dlo Las condiciones de frontera de este modelo están definidas por la tarjeta *BOUNDARY, en donde el grupo de nodos fijo3 (Nfijo3) están completamente fijos. Además, se aplica también una carga distribuida (* DLOAD), definida en el archivo carga.dlo
9
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
Peticiones de salida: *NODE FILE U *EL FILE S, E El desplazamiento nodal, los esfuerzos y deformaciones de los elementos son escritos en un archivo para el post procesamiento, en formato .FRD Post Procesamiento: Una vez terminado el análisis en Calculix CCX, se procede a visualizar los resultados obtenidos, los cuales están escritos en el archivo contacto.frd, que pueden ser vistos con CGX.
Estos son los resultados en cuanto a esfuerzo, en donde es posible visualizar dónde se ven afectadas más las vigas corresponde a las regiones cercanas a las zonas restringidas, es decir a las zonas totalmente fijas.
10
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
En cuanto a deformación, las estructuras reflejan valores pequeños debido a que son vigas con propiedades de material elástico, es decir, que cuando se les aplica un esfuerzo, regresan a su posición inicial, por lo tanto no se ven afectadas de manera permanente.
11
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
En los resultados obtenidos en el desplazamiento nodal, la viga 2 (inferior) se vio afectada por la carga puesta en la viga 1 (superior), ya que también registra unos valores de desplazamiento, así se pudo observar la relación de contacto.
12
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
EJERRCICIO TERMICO: Introducción: Se desean conocer los pasos a seguir en una análisis de transferencia de calor en un modelo en 3D generado con herramientas externas de modelado mecánico, enmallado e importado a la interfase de CALCULIX. Planteamiento del problema: En el laboratorio de transferencia de calor de la Universidad De América se manipulan usualmente maquinas e instrumentos a alta temperatura como intercambiadores de calor, caldera y autoclaves; para esto los estudiantes cuentan dentro de sus elementos de seguridad con guantes de asbesto para su seguro manejo. Se observa que aunque el material del guante es un buen aislante térmico en la operación del intercambiador de calor con una temperatura externa de aproximadamente 80°C, este no se puede manejar con tanta facilidad ya que el guante se calienta con rapidez hasta el un punto intolerable. Se desea conocer proceso de calentamiento del guante en contacto con el intercambiador y el tiempo en que este alcanza una temperatura por encima de 45°C. Por encima de los 45º C, además de iniciarse el daño tisular, la sensación se vuelve dolorosa; la intensidad del dolor se incrementa conforme aumenta la temperatura de la piel. El calentamiento de una zona limitada y con una intensidad muy superior a la de la tolerancia cutánea produce la destrucción tisular por quemadura.
13
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
Preprocesamiento: Para este ejercicio se construirá el diseño en del guante para ver la distribución de calor (FLUX) por la geometría compleja de este, se dibuja utilizando herramientas externas de modelado de solidos. Utilizando el formato .STL se puede exportar de un gran numero de excelentes programas de diseño como BLENDER, SolidWorks, AUTOCAD, VariCAD; para ser luego enmallados por otra herramienta de software libre llamada NETGEN.
Para probar estas características se diseño el guante en SolidWorks y paralelamente en BLENDER, estos programas ofrecen grandes ventajas a la hora de diseñar geometrías complejas , ensambles, y análisis dinámicos donde el uso de CGX para la construcción seria muy dispendioso. Gracias a la ayuda de NetGen se pueden convertir estas geometrías a enmallados en formato ABAQUS para ser usados en CGX y CCX. Después de tener la geometría en .STL (se pueden utilizar otros formatos aparte de este) que en si ya es un enmallado de tetraedros ajustados a la geometría se procede al enmallado final, donde se especificara el tipo de elementos, tamaño, calidad y disposición de los mismos. Nota: El tipo de elemento enmallado en ese ejemplo es C3D4 (cuatro caras , cuatro nodos) , este tipo de elemento es valido en cualquier tipo de analiss siempre y cuando se tengan el numero necesario de elementos para ajustarse a las necesidades
14
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
geométricas. Un numero elevado de elementos significa mas recursos (tiempo y capacidad de procesamiento) a ala hora del análisis , sin embargo basándose en el buen rendimiento de CCX y la capacidad de procesamiento de la mayoría de los nuevos computadores se pueden realizar gran cantidad de operaciones en poco tiempo , permitiendo el uso de enmallados mas refinados. Se podría decir que el enmallado en NetGen se puede hacer de forma automática, oprimiendo el botón “Generate Mesh” se genera una malla de tetraedros ajustada a la geometría con una calidad media. Se pueden modificar las condiciones de enmallado en la sección “Mesh Options” donde se encuentran los pasos para generar este , el tamaño de los elementos, la orientación y “arreglo” de estos. •
File / Load Geometry
•
Seleccionar el archivo .stl
•
Generate Mesh
•
File / Export filetipe / Abaqus format
•
File / Expor Mesh
•
Se define el nombre del archivo / Save
•
Se debe cambiar la extensión del archivo creado a nombrearchivo.msh
15
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
El archivo resultante .msh puede ser leido por CGX con la opcion c. •
cgx c nombrearchivo.msh
En este punto ya se cuenta con la geometría necesaria para el análisis , se deben seleccionar las caras y nodos que nos interesan para construcción del archivo .INP
Procesamiento: Se presenta a continuación el contenido del archivo .INP para la situación de interés: Se seleccionan los nodos de la superficie inferior de los dedos del guante los cuales simulan estar en contacto con el intercambiador de calor, por consiguiente esta capa limite tendrá siempre la misma temperatura (80°C), con todos inicialmente a 32°C (temperatura de referencia de una mano) se desea conocer cuando los nodos interiores de los nodos alcanzan mas de 45°C. Tarjetas INPUT: se llama a el anmallado directamente creado desde NetGen y el conjunto de nodos de los dedos en contacto con la superficie , asi como un subgrupo de todos los nodos del modelo.
*INCLUDE, INPUT=guante.msh *INCLUDE, INPUT=todos.nam *INCLUDE, INPUT=dedos.nam *MATERIAL,NAME=asbesto *DENSITY 2500. *CONDUCTIVITY 0.1744
Se especifica el material y sus propiedades como Conductividad termica , calor especifico y Densidad
*SPECIFIC HEAT 806.42
*SOLID SECTION, Elset=PART1, Material=asbesto
16
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
*INITIAL CONDITIONS,TYPE=TEMPERATURE La tarjeta Initial conditions: puede ser usada en otro tipo de analis,, define en este caso a que temperatura inician todos los nodos del modelo. Boundary: define la temperatura constante que tendran los nodos de la superficie de los dedos durante todo el analisis, independeinte del tiempo.
Ntodos,11,32. *BOUNDARY Ndedos,11,11,80. *STEP *HEAT TRANSFER 1, 50.
Heat Transfer: define el unico STEP como un analisis de transferencia de calor. 1 significa que el incremento de tiempo tiempo iniciañ y 50 el tiempo total de pasos del analisis
*NODE FILE,NSET=Ntodos NT, HFL *NODE PRINT,NSET=Ntodos NT *END STEP
Postprocesamiento: Se generan dos archivos con el resultado del análisis, gracias a las tarjetas NODE FILE y NODE PRINT. •
NODE FILE: genera el archivo .frd visualisable con CGX
•
NODE PRINT: genera el archivo .dat de texto plano con los resultados , en este caso NT = nodal temperature.
17
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
En el tiempo 1 se puede observar las superficies en contacto a 80°C y los demás nodos del guante a una temperatura inicial de 32°C, avanzando en el tiempo se pueden obtener los valores de temperatura y flujo de calor.
En nuestro caso estamos interesados en la temperatura de los nodos en la parte interna del guante en contacto con los dedos de los estudiantes. Debido a la complejidad de la geometría del guante no se puede determinar con facilidad la temperatura de estos nodos internos, así que se procede a “cortar el modelo y visualizar solo las partes que son de nuestro interés para evaluarlas. •
Qadd interes
•
a (r – r)
•
seleccionamos los elementos de interes, en este caso los elementos inferiores de los dedos
•
q
•
plot e interes
Con esta nueva sección se puede evaluar la temperatura interna , buscando que llegue a exceder los 45°C, con el siguiente resultado.
18
Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX.
Universidad de América
Al segundo 9,12 se observa que el interior del guante alcanza en algunos puntos temperaturas mayores incluso a 50°C, representando un riesgo para la persona que lo use. Estos resultados también pueden ser encontrados con mayor precisión en el archivo .dat que alberga el listado completo de nodos y sus respectivas temperaturas a través del tiempo
19