Análisis y diseño de piezas con Catia V5. José Antonio Vásquez Angulo

y medianas em presas.

      La plataforma número tres (P3) trabaja el diseño de piezas con análisis estructurales más complejos y con mayores niveles de investigación. En esta plataforma se caracterizan las empresas del sector automotriz y el aeronáutico.

      El módulo GPS (Generative Part Structural Analysis) apoya la creatividad del ingeniero ofreciéndole la posibilidad de hacer cálculos estructurales, como los esfuerzos (tracción, compresión, torsión, cortadura, flexión) y los tipos de deformaciones a los que estaría sometido el elemento de modo individual o bien, al ensamblaje de dichos elementos del sistema GAS (Generative Assembly Structural Analysis). Estos módulos se encuentran enmarcados en la plataforma número dos (P2). Dicha plataforma es denominada como la plataforma estándar, donde el análisis y la simulación son parte integral e indispensable en el diseño de elementos de máquinas.

       4.1 Definiendo el análisis con el MEF

      Una vez conocidos varios conceptos sobre el GPS, comenzaremos a aprender su utilización y su entorno en CATIA V5.

      Antes de escoger el tipo de análisis que haremos a nuestro elemento de máquina hay que tener en cuenta que, para hacer uso del GPS, debemos haber modelado previamente nuestra pieza, adicionándole a su vez el material del que estaría compuesto. Hacemos énfasis en que no es tema de este libro el diseño gráfico de elementos de máquina; partimos de la base de que el lector sabe utilizar los módulos correspondientes al grupo Mechanical Desing (Part Desing, Sketcher, Assembly Desing, Drafting, Wireframe and Surface Desing, etc.).

      Iniciamos haciendo uso del módulo Part Desing con la pieza ya modelada activando al módulo GPS en el menú Start\Analysis & Simulation\Generative Structural Análisis (o también, si este módulo forma parte de la ventana de bienvenida del programa). Al cabo de unos segundos, surge una nueva ventana: New Analysis Case, en la que debemos escoger qué tipo de análisis queremos utilizar (Static Analysis, Frequency Analysis y Free Frequency Analysis).

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

       Static Analysis

      El análisis estático, incluido en CATIA V5, permite el estudio de esfuerzos y deformaciones, como resultado de la aplicación de cargas estáticas. Este tipo de análisis es adecuado cuando las cargas se encuentran plenamente identificadas. Al ejecutar un análisis lineal aplicamos cargas estáticas, así como cargas de presión, diversos tipos de desplazamientos que son “impuestos” a la estructura y temperaturas que generarán tensiones térmicas.

      En un típico Análisis Estático Lineal de Tensiones, el usuario debe determinar los tipos de desplazamientos, tensiones y reacciones, para el posterior análisis con el método de elementos finitos.

       Frequency Analysis

      Uno de los agentes importantes que hay que tener en cuenta en el análisis previo de un elemento de máquina es la vibración. Sabemos que la vibración de un objeto es causada por una fuerza de excitación. Esta fuerza se puede aplicar externamente al objeto o puede tener su origen dentro del objeto. La proporción (frecuencia) y la magnitud de la vibración de un objeto dado, están completamente determinados por la fuerza de excitación, su dirección y frecuencia. Esa es la razón del porqué es necesario un análisis.

      Si una estructura mecánica resonante está puesta en movimiento y después se deja, seguirá oscilando a una frecuencia particular, conocida como frecuencia natural o frecuencia natural amortiguada.

      Con este tipo de análisis investigaremos al elemento de diseño sometido a vibración, con lo que podremos determinar las fuerzas de excitación actuando en una máquina. Esas fuerzas dependen del estado de la máquina. El conocimiento de sus características e interacciones permite diagnosticar algún problema que en ella se presente.

       Free Frequency Analysis

      Este tipo de análisis se raliza de igual manera que el anterior (Frequency Analysis), con la diferencia de que se estudiará al elemento de máquina, considerándole como libre e independiente de acoples o uniones. Es decir, se le trataría como pieza única.

      A continuación, haremos un pequeño ejemplo representativo, solo para que tengamos una idea general acerca del módulo GPS, y de cómo se analizan algunos resultados. Se harán algunas aclaraciones, aunque se dejarán abiertos algunos conceptos que irán siendo aclarados más adelante, a medida que avance el libro.

       4.2 Ejemplo representativo empleando el módulo GPS

      Tomaremos como ejemplo un Bulón de alojamiento, esc giendo como material el Acero F-1120 (UNE 36011), em -ple ado en una impresora industrial y al que denominare-mos bulon.CATpart. Este Bulón va unido por 4 pernos auna base de la impresora que lo mantiene fijo. En la cabe-za de dicho bulón 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 también una fuerza de 250N de forma axial en la cabeza del Bulón, producida por undisco de presión acoplado a una articulación, que impidea la palanca dentada salirse de dicha cabeza. Al otro extremo del bulón se encuentra acoplado un rodamiento, que no le ejerce ninguna fuerza considerable para este ejemplo. No tendremos en cuenta los 4 pernos para nuestro ejemplo, ya que la unión con tornillos será explicada más adelante.

       4.3 Análisis por el MEF

       4.3.1 Primeros pasos

      Para el modelado del bulón de alojamiento, hacemos uso del módulo Part Desing.

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

      Con la aparición Static Analysis del módulo GPS en pantalla, observamos en la figura anterior al Bulón de alojamiento al lado del árbol de geometría.

      El árbol, cuyo producto será denominado Analysis Manager, se encuentra divido en dos partes. La primera parte contiene los parámetros, fórmulas y geometría de lapieza, así como su ubicación en el ordenador. La segunda parte contiene el entorno del MEF con toda la documentación 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 ubicación de las cargas aplicadas al elemento y las condiciones a las que este se encuentra sometido, a fin de seleccionar el material y dimensiones óptimas, para que las partes críticas de la pieza no lleguen a fallar estando en servicio.