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- Parte 3: Introducción al software CAE
Serie: Fundamentos del análisis CAE para el diseño de productos plásticos
Parte 3 Introducción al software CAE
Se explicará el propósito y la aplicación de cada campo de análisis y se presentará el software típico y el software utilizado en Asahi Kasei.
Contenido
Introducción
Muchas empresas de software en Japón y en el extranjero han lanzado una amplia variedad de software para el análisis CAE. Existen diferencias según el software, como el tipo de análisis que se puede realizar, el campo de especialización y el sistema de soporte, por lo que es importante elegir el software de análisis adecuado que coincida con el propósito y la aplicación.
En esta ocasión, explicaremos el software utilizado para el análisis CAE de plásticos. Presentaremos un software de análisis representativo para cada campo de análisis, así como el software utilizado en Asahi Kasei.
Simulación de moldeo por inyección (análisis de deformación por flujo)
Esta es una simulación para determinar si el flujo es posible, estudiar la posición óptima de la compuerta, predecir la deformación, predecir los ciclos de moldeo, predecir la fuerza de sujeción del molde y diseñar tuberías de enfriamiento con buena eficiencia de enfriamiento. También se denomina análisis de moldeo por inyección de resina y es un análisis común para analizar productos plásticos en el diseño de productos y el diseño de especificaciones de moldes.
La deformación por alabeo es uno de los defectos de moldeo más graves. El alabeo se produce por una contracción desigual de la resina dentro de la cavidad. En otras palabras, la forma del producto moldeado y la posición de la compuerta deben diseñarse de modo que la temperatura y la presión sean uniformes dentro de la cavidad, y las tuberías de refrigeración del molde deben estar dispuestas de modo que no haya diferencias de temperatura dentro del molde.
Fig. 1 Ejemplo de análisis de deformación (predicción de deformación)
El software representativo incluye "Moldflow" de Autodesk, "Moldex3D" desarrollado por CoreTech System y "3D TIMON" desarrollado por Toray.
Asahi Kasei utiliza el ampliamente utilizado "Moldflow".
Análisis de estrés
Se utiliza para predecir la cantidad de deformación, tensión, deformación, presencia o ausencia de falla y carga de falla cuando se aplica una carga. En el diseño mecánico, es necesario conocer la resistencia del producto y es un análisis muy importante. Debido a que es posible realizar una simulación antes de crear realmente una muestra y realizar una prueba de resistencia, se reduce el período de desarrollo del diseño.
Fig. 2 Ejemplo de análisis de tensiones
El análisis de estrés se explica con más detalle en otro capítulo.
Los programas más representativos incluyen "Abaqus" de Dassault Systèmes, "NX Nastran" de Siemens Software, "ANSYS" de Ansys y "OptiStruct" de Altair, pero hay una amplia variedad de programas disponibles.
Asahi Kasei utiliza "Abaqus" y "Marc" de Hexagon.
Análisis de transferencia térmica
Analizar cómo se transfiere el calor en el interior del sólido y simular la distribución de la temperatura. Analizar cómo se transmite el calor en las partes donde se aplica calor y en las partes en contacto con partes generadoras de calor. Se puede evaluar el aislamiento térmico y la retención de calor de los materiales.
Fig. 3 Ejemplo de análisis de conducción de calor
Análisis de estrés térmico
Predecir tensiones causadas por cambios de temperatura.
Como se menciona en "2. Diferencias entre plásticos y metales Características de temperatura" en la Parte 2 CAE de plásticos, los plásticos tienen un coeficiente de expansión lineal más alto que los metales y se ven más afectados por el estrés térmico. Se debe tener especial cuidado al combinar materiales con diferentes coeficientes de expansión lineal.
También es posible realizar un análisis acoplado en el que la distribución de temperatura se obtiene en un análisis de transferencia de calor y se utiliza como condición de límite en un análisis de tensión.
El análisis de conducción térmica y el análisis de tensión térmica se pueden calcular con la mayoría del software de análisis de tensión mencionado anteriormente.
Análisis termofluídico
Predecir cómo los fluidos, como líquidos y gases, fluyen dentro y fuera de los objetos. En el caso de productos que realmente generan calor, el calor no solo se transfiere dentro del sólido, sino que también se produce a través de fluidos portadores de calor (aire, aceite, etc.) a otras partes. Dichos fenómenos no se pueden analizar mediante análisis de conducción térmica, por lo que se utiliza el análisis de fluidos térmicos / dinámica de fluidos computacional (CFD).
Además, incluso si la pieza tiene una forma complicada, el análisis de fluido térmico / dinámica de fluidos computacional (CFD) es efectivo porque el coeficiente de conducción de calor y la distribución de temperatura cambian debido a la convección del aire circundante.
Fig. 4 Ejemplo de análisis termofluídico / Dinámica de fluidos computacional (CFD)
Los programas representativos incluyen "AcuSolve" de Altair, "ANSYS Fluent" de Ansys, "STAR-CCM+" de Siemens Software y "Converge" de Convergent Science.
Asahi Kasei utiliza "AcuSolve".
Análisis de valores propios (análisis de frecuencia natural)
Calcular la frecuencia propia y la forma del modo propio del objeto.
La frecuencia natural es el número de vibraciones por segundo cuando un objeto (sistema vibratorio) vibra libremente. La forma del modo propio es la forma (deformación) de la vibración cuando vibra a la frecuencia propia.
Si el objeto resuena, pueden producirse daños o ruidos. La resonancia es un fenómeno en el que las vibraciones se amplifican en gran medida al recibir vibraciones externas que son iguales a la frecuencia natural de un objeto. Es posible encontrar la frecuencia a la que es probable que se produzca la resonancia mediante el análisis de frecuencia natural, y se utiliza para diseñar estructuras que no provoquen resonancia.
Fig. 5 Ejemplo de análisis de valores propios (análisis de frecuencia natural)
Análisis de respuesta (de frecuencia)
Simular el desplazamiento y la tensión que se generan cuando se excita un objeto.
Cuando se produce resonancia, es posible obtener la cantidad de amplitud y tensión generada, y comprobar el efecto de tomar medidas contra la resonancia.
Fig. 6 Ejemplo de análisis de respuesta (de frecuencia)
Los programas representativos para el análisis de valores propios (análisis de frecuencia natural) y el análisis de respuesta (de frecuencia) incluyen "Abaqus" de Dassault Systèmes, "NX Nastran" de Siemens Software y "LS-DYNA" de Ansys.
Asahi Kasei usa "Abaqus" y Hexagon usa "Marc".
Análisis de fatiga cíclica
Predecir el número de veces que ocurre una falla cuando se aplica una carga repetida.
Cuando se aplica una carga repetidamente a un objeto, incluso una tensión menor que su resistencia estática puede provocar su falla. Esto se denomina falla por fatiga y se puede evaluar mediante una curva SN.
Se pueden realizar simulaciones antes de crear muestras reales y realizar pruebas de durabilidad, lo que conduce a una reducción en el tiempo de desarrollo.
Análisis de fluencia
Predecir la cantidad de deformación por fluencia después de un cierto período de tiempo.
Como se menciona en el segundo punto de CAE sobre plásticos "2. Diferencias entre plásticos y metales Propiedades viscoelásticas <creep>", los plásticos se ven fuertemente afectados por las cargas de fluencia debido a sus propiedades viscosas, por lo que se toman contramedidas realizando simulaciones con anticipación. También se utiliza para predecir la vida útil de las juntas de soldadura.
Análisis de relajación del estrés
Predecir el valor de la tensión después de un tiempo determinado. Como se explica en "2. Diferencias entre plásticos y metales - Propiedades viscoelásticas <relajación de la tensión>" en el 2º CAE de plásticos, la relajación de la tensión es un fenómeno que se produce debido a las propiedades viscoelásticas de los plásticos.
Se debe tener cuidado al diseñar piezas que se fijan con tornillos o pernos, o productos que utilizan fuerza de reacción generada por deformación intencional, como resortes. A diferencia de la fluencia, los cambios no se pueden ver desde el exterior, por lo que el análisis previo puede prevenir problemas de calidad.
Los programas representativos para el análisis de fatiga cíclica, el análisis de fluencia y el análisis de relajación de tensiones incluyen "Abaqus" de Dassault Systèmes, "NX Nastran" de Siemens Software y "LS-DYNA" de Ansys.
Asahi Kasei usa "Abaqus" y Hexagon usa "Marc".
Análisis de impacto
Simula la tensión, la deformación, el desplazamiento, la aceleración, etc. en el tiempo cuando un objeto choca o cae. Cuando un objeto recibe un impacto, se genera una tensión muchas veces mayor que el valor de la tensión estática, lo que provoca daños y otros problemas.
Además, es posible realizar una evaluación que tenga en cuenta las propiedades dinámicas (dependencia de la velocidad de deformación, efecto viscoelástico) exclusivas del material. La dependencia de la velocidad de deformación es una propiedad de la resina que hace que las propiedades del material varíen en gran medida en función de la velocidad de deformación.
Se utiliza para pruebas que suponen la velocidad de colisión de automóviles, etc.
Fig. 7 Ejemplo de análisis de impacto
Los programas representativos incluyen "LS-DYNA" de Ansys, "PAM-CRASH" de ESI y "Radioss" de Altair.
Asahi Kasei utiliza "LS-DYNA".
Optimización de topología
La optimización topológica es un sistema que calcula la forma óptima proporcionando restricciones estructurales, cargas y condiciones de restricción esperadas en el escenario de uso del producto.
Se generan formas altamente novedosas que el ser humano no puede concebir, lo que da lugar a diseños de productos que no están limitados por formas existentes.
Se puede decir que es una tecnología que atraerá cada vez más atención en el futuro debido al progreso en la tecnología de producción y procesamiento como las impresoras 3D.
Fig. 8 Ejemplo de diseño de forma mediante optimización topológica
El software representativo incluye "OptiStruct" de Altair y "TOSCA" de Dassault Systèmes.
Asahi Asahi Kasei utiliza "OptiStruct".
Análisis acústico
Analizamos y visualizamos diversos fenómenos acústicos relacionados con la generación y propagación del sonido.
Además de mejorar la calidad de sonido de los equipos de audio, como los altavoces, es posible reflejar en el diseño medidas contra sonidos desagradables, como el ruido de productos industriales, como motores y ventiladores. Este análisis es indispensable para el desarrollo de productos con excelentes características acústicas y productos que requieren silencio.
Fig. 9 Ejemplo de análisis acústico
El software representativo incluye "Actran" de Hexagon y "Abaqus" de Dassault Systèmes.
Asahi Kasei utiliza "Actran".
Análisis mecanicista
En el análisis normal mediante el método de elementos finitos, la evaluación se realiza para las piezas individuales. Sin embargo, en el caso de productos que combinan varias piezas, es necesario analizar las piezas como un conjunto.
En el análisis dinámico multicuerpo, es posible predecir la influencia de la fuerza conjunta con otras partes y la fuerza actuante, y simular qué tipo de fuerza actúa mediante un movimiento adicional.
Se utiliza para evaluar sistemas mecánicos en los que varias partes están conectadas de forma intrincada, como automóviles y equipos industriales.
Fig. 10 Ejemplo de análisis dinámico de múltiples cuerpos
Fuente: Modelo en el video de “Análisis de contacto”, “Análisis de daños y disrupciones” (Consultado el 26 de febrero de 2021). https://www.mscsoftware.com/product/marc
Los programas representativos son "Simpack" de Dassault Systèmes y "Adams" de Hexagon.
Asahi Asahi Kasei usa "Adams".
Mapeo de la orientación de la fibra
La orientación de las fibras debe tenerse en cuenta al diseñar grados reforzados en los que se mezclan fibras de vidrio con resina. Esto se debe a que la orientación de las fibras se determina a lo largo del flujo de resina, lo que da como resultado una contracción y deformación desiguales, así como áreas con resistencia y direcciones débiles. La precisión del análisis de tensiones se puede mejorar al mapear la información de orientación y dirección de las fibras a partir de los resultados del análisis de moldeo por inyección y transferirla a otro software de análisis.
Fig. 11 Ejemplo de mapeo de orientación de fibra
Fuente: Modelo de mapeo de la orientación de la fibra en el sitio web de Hexagon (16 de enero de 2023)
Un software típico es "Digimat" de Hexagon.
Asahi Kasei utiliza "Digimat".
Parte siguiente: "Simulación de moldeo por inyección: ¿Qué es el moldeo por inyección?"
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