Cómo extraer la superficie media de los sólidos para la modelización con elementos shell

Con este término se hace referencia a la transformación de una geometría “real”, normalmente construida con un CAD 3D, en una geometría “ideal” que permita la modelización FEM con elementos 2D (placas y shells), 1D (vigas, muelle-amortiguador) o 0D (masas e inercias). En este artículo hablamos de la extracción de la superficie media de un cuerpo sólido de pequeño espesor, para su posterior modelización con elementos shell.

Es muy habitual tener que verificar estructuras realizadas mediante chapas ensambladas por soldadura o mediante uniones atornilladas. En la mayoría de los casos, el uso del mesher automático de tetraedros da lugar a la generación de modelos extremadamente pesados, cuya precisión, además, puede ser cuestionable.

El uso de una modelización con elementos shell ofrece las siguientes ventajas frente a los tetraedros:

• Permite contener el número de nodos y elementos, generando modelos más ligeros que se ejecutan más rápidamente y son más sencillos de gestionar y archivar.
• El elemento shell permite una modelización paramétrica, ofreciendo la posibilidad de optimizar la estructura modificando fácilmente los espesores de las chapas y volviendo a ejecutar los análisis, sin tener que recurrir cada vez al modelo CAD.

El primer paso para construir un modelo FEM con elementos shell consiste en transformar la geometría CAD 3D en un conjunto de superficies 2D sobre las que crear la malla. Esta operación se denomina extracción de las superficies medias (o planos medios), en inglés Mid-Surfacing.

Femap pone a disposición del usuario una serie de comandos especializados que permiten extraer la superficie media del CAD 3D con unos pocos clics. El menú de los comandos de Mid-Surfacing se encuentra en Geometry > Midsurface.

En función del tipo de sólido que queramos idealizar, podemos elegir el enfoque más adecuado entre:

• Completamente automático
• Offset de superficies
• Manual

Veámoslos en detalle.

Este enfoque funciona en la mayoría de los casos y recomiendo probarlo como primera opción. Femap requiere como datos de entrada:

• Las superficies a partir de las cuales debe construir la superficie media.
• El espesor objetivo por debajo del cual deben identificarse los pares de superficies que darán lugar a la superficie media.
• Varias opciones para gestionar las superficies (por ejemplo, extensión y recorte automáticos para obtener un único cuerpo con una malla continua).

Este comando es el más adecuado para gestionar componentes con refuerzos y nervaduras, como chapas soldadas con unión en T, componentes de plástico y piezas mecanizadas con variaciones de espesor. En el vídeo se muestra un componente que presenta varias complejidades. Cabe destacar cómo Femap consigue automáticamente extender y recortar las superficies en la zona de intersección del refuerzo.

El enfoque mediante offset es el más adecuado para modelizar piezas de chapa plegada con espesor constante. En este caso, Femap requiere como datos de entrada:

• Una superficie del sólido del que queremos extraer la superficie media.
• El valor de tolerancia respecto al cual considerar tangentes dos superficies exteriores que convergen en la misma curva.
• El valor del offset. Por defecto, Femap propone la mitad del espesor de la pieza, identificado a partir del modelo 3D.

En el vídeo se muestra la aplicación del comando a una pieza de chapa plegada.

El tercer método, el manual, está pensado para todos aquellos casos particulares en los que el enfoque automático y el enfoque mediante offset no consiguen extraer la superficie media, o solo lo consiguen parcialmente.

El uso de estos comandos, junto con los de extensión y recorte de superficies y la unión “non-manifold” de las superficies, permite trabajar incluso con las geometrías más complejas.

Personalmente, debo decir que, gracias a la evolución y a las continuas mejoras de los comandos automáticos de Mid-Surfacing, la necesidad de utilizar la extracción manual se ha vuelto cada vez menos frecuente.

Simcenter 3D también dispone de herramientas muy potentes para la extracción de la superficie media de cuerpos de pequeño espesor para su modelización con elementos shell.

El workflow de Simcenter 3D es más automático que el de Femap y se divide en dos pasos:

• Selección de las superficies de las que se desea extraer la superficie media.
• Comando Stitch, que se encarga de extender y recortar las superficies a lo largo de su intersección para obtener un único cuerpo con una malla continua.

En el vídeo se muestra un componente moldeado, con espesores variables y ángulos de desmoldeo, que se modeliza fácilmente con elementos shell gracias a los comandos de Mid-Surfacing de Simcenter 3D.

Una vez generada la superficie media del componente, es posible pasar a la creación de la malla con elementos shell. También en este caso existen varias estrategias disponibles en Femap y Simcenter 3D.

Pero de esto hablaremos en un próximo artículo…