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Alejandro Rodríguez Fernández
Ingeniería y Diseño
Diseño en 3D de un robot y sus planos

Simulación de un compresor con Catia, SolidWorks e Inventor

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Trabajo Fin de Módulos Catia e Inventor

Para esta segunda parte del trabajo de simulación voy a ampliar la simulación del pistón y la biela, haciéndolas también con Catia e Inventor. Esto me servirá para sacar conclusiones entre los módulos de elementos finitos de los tres programas, y evaluar sus puntos fuertes.

Como piezas utilizaré las que diseñé con SolidWorks, por no volver a hacerlas, y para ver que tal funciona la compatibilidad entre los tres programas.

Para los análisis por elementos finitos, realizaré dos análisis para cada programa, uno sencillo preliminar y un segundo con una malla precisa.
Índice

Primera Parte : Cálculo y Simulacion con SolidWorks

1. Trabajo Fin de Módulo Simulación con SolidWorks: Motor Compresor

1.1. Dibujo de las piezas

1.1.1. Pistón
1.1.2. Biela
1.1.3. Bulón
1.1.4. Casquillo

1.2. Ensamblaje de los componentes

2. Análisis por elementos finitos

2.1. Cálculo de las Cargas Externas
2.2. Materiales de los Componentes
2.3. Análisis del Pistón
2.4. Análisis de la Biela
2.5. Análisis del Ensamblaje

3. Conclusiones finales


Segunda Parte: Comparación de resultados entre SolidWorks, Catia e Inventor

4. Análisis por elemento finitos en Catia

4.1. Análisis del Pistón
4.2. Análisis de la Biela

5. Análisis por elementos finitos con Inventor

5.1. Análisis del Pistón
5.2. Análisis de la Biela

6. Comparación de resultados y conclusiones

7. Conclusiones finales

Análisis por Elementos Finitos con Catia



Antes de empezar, voy a comprobar que tal abre Catia las piezas realizadas en SolidWorks, y si define bien la pieza (las caras, aristas...), de modo que pueda utilizarlas para una simulación.

Directamente Catia no las abre. Necesité guardar las originales en SolidWorks como archivos STEP. Catia abre este tipo de archivos, y la pieza se ve exactamente igual. Menos el material que no está definido, y por supuesto, el árbol de operaciones, que no lo genera. Pero tampoco lo necesito para la simulación.

Voy a extraer de la biblioteca de SolidWorks las propiedades del material (Al 7075 T6) que empleé para las piezas, y crearlo en la de Catia. Las más importantes:
Propiedades mecánicas y físicas del Aluminio

Análisis del Pistón



Condiciones de contorno

Según los cálculos que realicé para la parte anterior del proyecto, el cielo del pistón estará sometido a una presión de 10 Bar, es decir, 1 MPa. Ésta será la hipótesis que tendremos en consideración para analizar el pistón. Lo fijaré a través de los orificios para pasar el bulón, igual que había hecho en la simulación de SolidWorks. Por lo tanto, las condiciones de contorno en Catia quedan así:
Condiciones de contorno de un estudio simulación
Primer Análisis. Malla similar a la del estudio en SolidWorks

Ahora toca crear la malla. La aproximaré a la malla del estudio que realicé en SolidWorks en la primera parte de este proyecto. Así luego podré comparar simulaciones y resultados entre los tres programas.
Tabala con los datos de la malla tetraédrica: nodos y elementos.
Poniendo el mismo tamaño de los elementos deberíamos tener una malla bastante similar. La malla en Catia queda de esta manera:
Linear element type. Size, absolute sag y proportional sag
La diferencia de las mallas

Realmente ambos programas realizan los cálculos de distinta manera. La tolerancia en SolidWorks se emplea para juntar nodos que estén separados una distancia inferior del valor que le demos. Catia utiliza Absolute Sag, que no es lo mismo, sirve para determinar la distancia máxima que puede haber entre la geometría de la pieza y la malla.

Catia emplea más elementos, pero menos nodos. Eso ocurre porque se ajusta automáticamente a la superficie, pero en SolidWorks esa opción la tenía desactivada (transición automática). Por otro lado, la diferencia tan grande de nodos se debe seguramente a las tolerancias que emplean los dos programas. En SW la definí en 0.4719 mm. y agrupó nodos situados a distancias inferiores. En Catia me da la impresión de que agrupó nodos con distancias considerablemente mayores, de ahí el número más bajo de nodos (unos 5800 por unos 24000 de SW). Si aplicamos transición automática en SW, la malla se vuelve mucho más densa: 32623 nodos y 19017 elementos.
Malla del psitón de un compresor

Resultado cálculo de las Tensiones en Catia:



En el caso de los resultados tenemos que las tensiones son también bastante distintas, a primera vista:
Imagen del pistón y gradiente de tensiones a distintos colores
Catia da una tensión máxima de unos 22 MPa en los tirantes de refuerzo interiores. Las zonas para los orificios del bulón también sufren tensiones importantes, rondando los 8-10 MPa (en color verde). Son resultados lógicos, y creo que correctos, por lo menos su situación. La comparación de los resultados con SolidWorks e Inventor la dejaré para el capítulo siguiente, para tenerlo todo un poco más ordenado.

También vemos que el error global es muy alto, pero no importa porque la segunda simulación será más precisa.

Segundo estudio con Catia. Malla más precisa

Voy a crear una nueva malla para mejorar los resultados:

Tipo de elemento: parabólico
Tamaño elemento: 2 mm
Absolute sag: 0.1 mm

Esta es la malla más fina de Catia que es capaz de correr mi ordenador, pero con un tiempo muy alto, casi 2 horas. Mallas más pequeñas resultan inviables. Además el error global obtenido ya es aceptable: 4,9%. No afinaré tanto la malla en las siguientes simulaciones.

La tensión obtenida es de unos 33.3 MPa, como podemos ver en la imagen:
Carte transversal de un pistón. Tensiones internas
En mi opinión, esta simulación de Catia da unos resultados muy coherentes.


Análisis FEM de la Biela con Catia V5



En la primera parte del trabajo, calculé mediante el mecanismo biela-manivela, la fuerza que soportará la biela:
Fx= -15000 N   y   Fz= -1300 N   Considerando una Beta=5, que (aproximadamente) es el ángulo de inclinación en el que la biela estará sometida a una mayor solicitación.
Aplicó así las condiciones de contorno, y creo la primera malla de 9.13 mm y abs sag 0,5 (suele empezar poniéndose un absolute sag del 5% del valor del tamaño del elemento):
Malla en Catia V5. Elementos finitos.
Y lo simulo, para obtener un resultado de unos 52 MPa:
Tensión. Resultados de Catia Simulation
El error global es bastante alto (23,44 %) , pero como es una primera simulación, no importa. Ahora afinaré más la malla, a 2 mm y un absolute sag 0,1. Más fina ya resulta inviable, tardaría demasiado. Además, ya vemos en la imagen que la malla es muy pequeña, por lo que el resultado debería tener un error global pequeño.
Mallado de la biela del compresor
El análisis obtenido tiene mejor pinta que el anterior, basta con ver las zonas rojas. El error global da sólo un 1,12%, y una tensión de unos 71 MPa:
Stress Analisys with Catia V5

Simulación Elementos Finitos con Autodesk Inventor



Al igual que en Catia, voy a utilizar las piezas en SolidWorks, pero con los archivos STEP. Inventor lo abre sin problemas, así que puedo utilizarlos para la simulación sin volver a dibujarlo.

Lo primero será crear el material en la biblioteca de Inventor:
Límite elástico, módulo de young, coeficiente de Poisson y densidad
Es necesario tener en cuenta que en Inventor también debemos añadir el módulo cortante (26900 MPa), que en Catia no hacía falta. Sin él, Inventor no nos dejará hacer la simulación.


Análisis FEM del Pistón



Aplico en el cielo del pistón una presión de trabajo de 10 Bar, es decir, 1 MPa. Como en las simulaciones anteriores lo fijo, y empleo una primera malla de tamaño de elemento 9.4385 para crear una malla lo más parecida posible a la de SW y Catia.

Sin embargo Inventor no nos deja seleccionar directamente el tamaño medio del elemento. Nos los muestra como fracción de la longitud del cuadro delimitador, que no logré encontrar qué es. Así que la dejaré por defecto, y realmente se parece mucho a que empleé para la primera simulación en Catia y SW:
Imagen del pistón simulado con Inventor
La tensión da dentro de lo presumible: 28,57 MPa.  Vemos en la imagen inferior que la zona coincide con las simulaciones anteriores:
Simulación por elementos finitos
Así que ahora ajustaré más la malla, para afinar este resultado. Lo haré a ojo para que se parezca a la de Catia y SW. Una vez ejecutado el análisis, Inventor no da información sobre el número de nodos y elementos que empleó en la malla.
Simulación FEM con Inventor
Ahora la simulación de un resultado de 31,61 MPa.
Tensión del pistón

Análisis por elementos finitos en la Biela



Al igual que en las simulaciones anteriores, aplicaré las condiciones de contorno para la biela como: Fx= -15000 N   y   Fz= -1300 N   Considerando una Beta=5. Una vez creada la primera malla para un estudio rápido que luego afinaremos:
Simulación de la biela del compresor
El primer estudio da una tensión de 69,11 MPa, ya muy próximo al de SW:
Estudio estático de la biela Inventor
Ahora afinando bastante la malla, tenemos un resultado más fiable de 71.26 MPa:
Estudio de la biela del compresor con Inventor

Comparación de Resultados entre SolidWorks, Catia e Inventor. Conclusiones



El pistón

Los resultados de tensión se aproximan bastante entre los 3 programas (en negrita el estudio final):
Tabla comparativa de los resultados de las simulaciones
Vemos en la tabla anterior como SolidWorks e Inventor necesitan menos recursos para un mismo tamaño (aproximadamente) de malla. Logran resolver en unos segundos una malla similar a la que a Catia le llevó 2 horas. Además ofrecieron un resultado más próximo al final en la primera simulación. Este es uno de los resultados que más me ha sorprendido.
Comparación tensión y zona máxima
Los nervios interiores y la zona de los refuerzos en los orificios para el bulón son las más problemáticas del pistón. En Catia da un resultado de 33,3 MPa. En SolidWorks para una malla similar da unos 31.7 MPa. En Inventor 31.61 MPa. Los tres programas tienen un comportamiento muy bueno. Las tensiones prácticamente coinciden en valor y en la zona.

Lo único que noté es que a Catia a partir de 3 mm. de tamaño del elemento le cuesta un mundo la simulación. Para piezas más complicadas que requieran muchos recursos, SW o Inventor puede ser la mejor alternativa.

En este estudio no tuve en cuenta la temperatura para poder hacer una mejor comparación, ya que en Catia no se comporta igual que en SolidWorks. Ya veíamos en la primera parte de este trabajo como en el cielo del pistón el efecto de la temperatura era importante, y la tensión llegaba a alcanzar unos 55 MPa.


La Biela

Los resultados de tensión se aproximan bastante entre los 3 programas (en negrita el estudio final):
La biela es una de las piezas que sufrirá una mayor tensión, pues es alargada y esbelta. Aunque en este análisis no se tiene en cuenta, la biela sufrirá continuos cambios de tensión, tanto en dirección como en magnitud, por lo que ha de diseñarse especialmente bien para que no sufra daños a fatiga. Estará sometida a unas tensiones de unos 70 MPa. Los tres programas dan aproximadamente ese resultado. La tensión será especialmente elevada en los extremos de la viga, como podemos ver en rojo en las imágenes inferiores:
Simulaciones en SolidWorks, Catia y Autodesk Inventor
Conclusiones Finales

Los estudios estáticos que hemos realizado no eran de una dificultad extrema para los programas. La biela un poco más, pues al considerar la fuerza en un ángulo de 5º y descomponerla en dos componentes, sometemos a la pieza a una flexión (por ello la tensión es mayor en una cara que en la otra). De todos modos, son unos estudios sencillos para la potencia de estos programas. Los tres se comportaron bien y obtuve prácticamente el mismo resultado, incluso afinando la solución hasta un buen punto.

Si comparamos recursos y tiempo, Catia se comporta peor que SolidWorks e Inventor. Creo que es su punto débil. Es el mejor programa de diseño, especialmente en superficies, pero en simulación estática creo que inferior a SolidWorks e Inventor. SW calcula mallas con muchos más elementos y nodos que Catia, y en mucho menos tiempo. Además permite muchos tipos de estudios. Como ejemplo de lo bien optimizado que está SW, puedo decir que tardó menos de un minuto en simulaciones que guardadas pesaban 2Gb.

Por otro lado, las primeras aproximaciones con Catia dan un resultado muy alejado de la solución, y un estudio preciso para estas piezas lleva un mínimo de 20 min. Con Inventor, es más difícil controlar la solución, ya que no da mucha información sobre la malla que crea. En estudios estáticos me quedaría con SW.

Inventor es un programa muy optimizado, en el que resulta muy fácil pasar de un módulo a otro durante el diseño. Todos los estudios quedan muy bien cohesionados. El módulo de dinámica me pareció potente y muy intuitivo, y más fácil de usar que el Motion de SolidWorks, aunque no puedo decir mucho sobre esto, ya que el Motion lo usé de pasada para probarlo.

Catia es el rey en diseño, y en mi opinión, Dassault Systemes no está muy por la labor de dotar a Catia de un FEM super poderoso porque entonces ninguna compañía compraría ABAQUS.
© Alejandro Rodríguez Fernández. 2016. Todos los derechos reservados.