Modelado de superficies superpuestas: riesgos y propuestas de solución

Artículo técnico

Al modelar con elementos finitos, tarde o temprano se va a preguntar cómo se pueden modelar dos superficies (elementos 2D) superpuestas. No es rara la idea de modelar ambas superficies en el mismo plano. A continuación se describen las posibles consecuencias de este planteamiento y si hay soluciones mejores.

Opción 1: Modelado en el mismo plano

La opción 1 sigue el planteamiento para modelar ambas superficies en el mismo plano. Considerando que hay una gran superficie rectangular (azul) que se tiene que reforzar mediante una superficie adicional (verde). Ambas superficies tienen las mismas coordenadas en Z.

Figura 01 - Modelado en un plano

Con echar un vistazo a la malla FE de toda la estructura, así como de los componentes individuales de la superficie, queda claro que cada superficie está mallada individualmente.

Figura 02 - Malla de EF en toda la estructura y subestructura

En la estructura de la izquierda, los elementos de ambas superficies son congruentes. Este no es el caso en el sistema de la derecha. En este caso, la malla de EF de la superficie grande se ve influenciada por otros elementos integrados en la superficie.

Figura 03 - Distorsión de malla de EF

Para ilustrar los diferentes efectos, se asigna un material muy suave a las superficies pequeñas. Además, sólo se tensan las superficies pequeñas para representar mejor el comportamiento en relación a las superficies grandes.

Figura 04 - Comparación de deformaciones

Debido a la malla de EF congruente, las superficies del sistema izquierdo actúan como si estuviesen pegadas. Por lo tanto, las deformaciones son idénticas. La situación es diferente en el sistema de la derecha. Debido a la deformación de la malla de EF de la superficie principal, las coordenadas de los EF sólo son idénticas en algunos casos a aquellas de la superficie pequeña. Solo en estos puntos se produce una transmisión de esfuerzos. Esto también explica los máximos o picos de la deformación local de la superficie pequeña en la región media.

Figura 01 - Modelado en un plano

Si cambiamos el signo de la carga, también está claro que no hay superficie superior e inferior debido a que falta la definición de contacto. Ambas superficies pueden penetrar sin esfuerzo en las ubicaciones donde no están conectadas con nudos de EF congruentes.

Resumen: Los modelos reales suelen ser mucho más complejos que los ejemplos aquí mostrados. La malla de EF se ve influenciada incluso más por la geometría más irregular, que puede conllevar a uniones impredecibles o liberaciones entre las superficies. En las áreas donde las superficies se mueven independientemente unas de otras, tampoco es posible definir las condiciones de contacto. Por lo tanto, se debe evitar un modelado por medio de este método.

Opción 2: Adición de espesores de superficie

Si ambas superficies están hechas del mismo material, tiene sentido combinarlas añadiendo el espesor en una superficie. Esto puede requerir una división de la superficie principal, sin embargo, en principio es relativamente fácil de implementar. En el ejemplo, se reforzó una chapa de acero de 30 mm con otra chapa de 30 mm. En la izquierda se muestra un modelo con elementos sólidos para su verificación.

Figura 06 - Adición de los espesores de superficie

Debido a que el modelado está simplificado, no es posible, por supuesto, considerar con precisión la interacción de las superficies.

Opción 3: Modelado con sólido de contacto

Si la interacción entre ambas superficies juega un papel determinante, es posible usar un sólido de contacto. Para ello, se deben definir ambas superficies en sus centros de gravedad. La distancia resultante corresponde al espesor del sólido de contacto. Las condiciones de contacto se le pueden asignar posteriormente (por ejemplo, fallo bajo tracción, fricción, etc.).

Figura 07 - Superficies superpuestas utilizando un sólido de contacto (conexión de chapa frontal)

En el video se muestra el modelado por medio de una conexión de chapa frontal.

Palabras clave

Reforzar Refuerzo de superficie Superficie doble Sólido de contacto

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  • Actualizado 10. noviembre 2020

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