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FEM-01. MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS – SELECCIÓN DEL TIPO DE ELEMENTO EN ANÁLISIS ESTRUCTURALES (NASTRAN & ABAQUS)

Hoy comenzamos con nuestra serie de entradas relativas al análisis por Elementos Finitos de estructuras. En internet se pueden encontrar innumerables entradas referentes a este método, tanto en lo relativo a la definición teórica como la su uso con softwares comerciales como Nastran, Abaqus, Ansys, … El número de referencias bibliográficas relativas al Método de Elementos Finitos es también amplísimo, sin embargo, el número de referencias a la aplicación práctica del método es muy reducido.

Con estas entradas pretendemos hacer pública toda aquella información que pueda ser útil en la aplicación del método de elementos finitos para aplicaciones industriales reales, y que están basadas en nuestros más de 15 años de experiencia trabajando con el método, así como a normas o recomendaciones aplicadas en diferentes industrias (aeronáutica y automoción principalmente). Indicar también que las publicaciones no siguen un orden cronológico similar a la definición de cualquier modelo de elementos finitos o curso, sino que se irán exponiendo de manera aleatoria.

Esta primera entrada la hemos enfocado a la selección de los tipos de elemento habituales en la definición de modelos de elementos finitos para análisis lineales (estáticos y dinámicos) y no lineales (material, contacto y grandes desplazamientos) para los códigos MSC. Nastran y Abaqus Standard:

MSC. Nastran

Análisis Lineal Estático y Dinámicos (SOL 101, 103, 111, 112, 146) 

  • Modelos Vigas: CROD (tracción-Compresión), CBAR o CBEAM (flexión, sección casi-constante) 
  • Modelos Placas: CQUAD4. Elementos CTRIA3 sólo localmente cuando la malla no permita CQUAD4 o transiciones.
    • Modelización de cortadura en el plano: CQUAD4 / MAT2 (incluir sólo término G33) en MID1, con marco CROD. 
    • Comportamiento a Membrana: CQUAD4, sólo un MID1 en la tarjeta MAT 
    • Comportamiento membrana+flexión: CQUAD4 + PSHELL completa. 
  • Modelo Sólido-3D: 
    • CHEXA8 (mínimo 4 elementos en dirección del espesor)
    • CTET10 para geometría muy compleja (sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría)

Pandeo Lineal (SOL 105) 

  • Modelos Vigas: CROD (tracción-Compresión), CBEAM o CBAR (flexión, sección casi-constante), sin Offset
  • Modelos Placas: CQUAD4, sin Offset
  • Modelo Sólido-3D: 
    • CHEXA8, CHEXA20 
    • CTET10 para geometría muy compleja (sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría)

Abaqus Standard

Análisis estáticos y dinámicos lineales 

  • Vigas: Elemento B32
  • Placas: Elemento S4 
  • Sólidos: 
    • Elemento C3D8 (mínimo 4 elementos en dirección del espesor) 
    • Elemento C3D8I si la malla es muy regular (no hay distorsión) 
    • Elemento C3D10 (para geometrías complicadas y sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría) 

Problemas de Pandeo/Inestabilidad 

  • Placas: Elemento S4 
  • Sólidos: 
    • Elemento C3D8 (mínimo 4 elementos en dirección del espesor) 
    • Elemento C3D8I si la malla es muy regular (no hay distorsión) 
    • Elemento C3D10 (para geometrías complicadas y sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría) 

Problemas de estructuras a Flexión 

  • Placas: 
    • Elemento S4, para flexión fuera del plano 
    • Elemento S8, para flexión en el plano de la placa (evitar efecto de bloqueo en cortadura) 
  • Sólidos
    • Elemento C3D8I, si la malla es muy regular (no hay distorsión); 
    • Elemento C3D20
    • Elemento C3D10 (para geometrías complicadas y sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría)

Problemas de Contacto sin Flexión 

  • Placas: Elemento S4 
  • Sólidos: 
    • Elemento C3D8
    • Elemento C3D10M (para geometrías complicadas y sin proyección de nodos intermedios en el borde de la geometría)

Problemas de Contacto con Flexión 

  • Sólidos: C3D8I (si la malla es muy regular) 

Problemas de fractura:

  • Stress Intensity Factor – SIF:
    • Integral J:
      • Tensión plana: CPS8
      • Sólidos: C3D8
    • XFEM 
      • Sólidos: C3D8
  • Crecimiento de grieta por fatiga – XFEM
    • Tensión plana: CPS4
    • Sólidos: C3D8
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