Cómo utilizar el Bolt Preload de Simcenter Nastran

Con el solver Simcenter Nastran existen diversas técnicas de modelización FEM para discretizar la unión entre el tornillo, la tuerca y las piezas en contacto. Estas técnicas van desde las más sencillas hasta las más sofisticadas, en función del nivel de detalle requerido por el estudio:

• Mediante elementos elásticos (elementos BEAM o BUSH) conectados a las bridas mediante elementos rígidos (por ejemplo, RBE2).
• Modelizando el tornillo en 3D con elementos sólidos, para determinar el estado tensional inducido por el contacto entre la cabeza del tornillo (o la tuerca) y las piezas que se van a unir.
• Mediante una combinación de ambos enfoques.

En las siguientes figuras se muestran dos formas diferentes de modelizar los tornillos.

Cuando se desea modelizar el contacto entre las piezas con bridas y los tornillos, el solver Simcenter Nastran ofrece un procedimiento de análisis denominado Linear Contact, es decir, “contacto linealizado”.

Mediante este procedimiento, en un análisis lineal, el solver comprueba las condiciones de contacto entre las piezas para determinar la distribución efectiva de la carga en la zona de interfaz entre los cuerpos. El análisis Linear Contact se activa automáticamente cuando se definen relaciones de contacto entre las piezas del modelo.

Además del uso de Linear Contact, los usuarios de Simcenter Nastran también pueden definir un tipo de carga específico denominado Bolt Preload, es decir, “precarga del tornillo”. Como su nombre indica, esta carga aplica un estado inicial de tracción a los elementos elásticos utilizados para representar los tornillos, con el fin de precargar las dos bridas de la unión.

Con este tipo de carga, Simcenter Nastran realiza iteraciones internas dentro del caso de carga para determinar el estado inicial de deformación y tensión del modelo, imponiendo a los tornillos el valor de precarga deseado.

Como es lógico, Linear Contact y Bolt Preload se utilizan a menudo de forma conjunta, ya que representan dos aspectos que intervienen en la simulación FEM de una unión atornillada.

Tanto el modelador Simcenter 3D como Femap disponen de los comandos necesarios para definir tanto las relaciones de contacto como el Bolt Preload dentro del entorno de análisis.

Crear con Simcenter 3D un modelo de Simcenter Nastran que incluya tanto el contacto entre las piezas como las uniones atornilladas con precarga es una operación muy sencilla. Hace algún tiempo organizamos un webinar dedicado íntegramente a la representación de uniones atornilladas con Simcenter 3D (en aquel momento, el programa todavía se llamaba NX CAE).

A continuación, encontrarás un breve fragmento de la grabación del seminario, en el que aplicamos este tipo de modelización a la carcasa de un reductor sometida a una presión interna. En el vídeo mostramos cómo cambian tanto el estado tensional como el estado de deformación en la zona de contacto debido a la presión interna de la carcasa y cómo, gracias a la presencia de los tornillos precargados, es posible utilizar los resultados del análisis FEM para verificar la estanqueidad de la unión.

Puedes ver el vídeo completo del seminario a través del siguiente enlace:

• Representación de uniones atornilladas mediante FEM

El uso de Bolt Preload está permitido en todos los análisis lineales (SOL 101, 103, 105 y de la 107 a la 112), en el solver Multi-Step Nonlinear (SOL 401 y 402) y en el solver Advanced Nonlinear (SOL 601) de Simcenter Nastran.

En particular, resulta interesante el uso de Bolt Preload en los análisis dinámicos, ya que permite representar con mayor fidelidad la rigidez de las uniones.

Como ejemplo, hemos creado el modelo FEM de una unión sencilla entre dos placas, conectadas mediante un único tornillo precargado. Para activar Bolt Preload en Simcenter Nastran, basta con configurar el análisis con dos subcasos:

• En primer lugar, hay que definir un subcaso de tipo Static, en el que se deben incluir tanto la precarga de los tornillos como un sistema de restricciones al menos isostático. Esto permite solicitar a Simcenter Nastran que determine el estado de precarga del modelo como resultado de la acción de dicha precarga.
• A continuación, es posible definir un subcaso de tipo Eigenvalue Method, con el que solicitar la extracción de los autovalores y el cálculo de las formas modales.

En el modelo de la unión se realizaron dos análisis, con y sin Bolt Preload, para observar cómo cambian los resultados. La siguiente tabla resume los resultados de los análisis, mientras que las figuras muestran los tres primeros modos de ambas simulaciones (a la izquierda, con precarga; a la derecha, sin precarga). Es evidente que el efecto de la precarga produce un aumento considerable de la rigidez de la unión.

Este ejemplo demuestra claramente que el efecto de la precarga en las uniones atornilladas puede ser significativo, no solo en los análisis estructurales, sino también en los análisis dinámicos.