Tutorial Intermedio CalculiX, CAELINUX. Jhoan Sebastian ...

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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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*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 “node­tosurface
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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 softwarelibre
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
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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
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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.
*INCLUDE, INPUT=guante.msh
*INCLUDE, INPUT=todos.nam
*INCLUDE, INPUT=dedos.nam
*MATERIAL,NAME=asbesto
*DENSITY
2500.
*CONDUCTIVITY
0.1744
*SPECIFIC HEAT
806.42
*SOLID SECTION, Elset=PART1, Material=asbesto
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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.
Se especifica el material y sus propiedades
como Conductividad termica , calor
especifico y Densidad

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*INITIAL CONDITIONS,TYPE=TEMPERATURE
Ntodos,11,32.
*BOUNDARY
Ndedos,11,11,80.
*STEP
*HEAT TRANSFER
1, 50.
*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.
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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.
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

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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.
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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
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