Serie de diez preguntas y respuestas de ANSYS: técnicas de mallaización

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Este mensaje fue editado por última vez por Freestyle-sky el 1 de abril de 2018, a las 18:09. La división en mallas constituye una etapa importante en el proceso de preprocesamiento para los análisis y diseños realizados con ANSYS. Por un lado, sirve para evaluar la capacidad del personal encargado de manejar los modelos； En segundo lugar, la calidad de la malla determina directamente el tiempo de cálculo del modelo, su precisión, así como si es posible resolver el problema o no. Por lo tanto, para los analistas y diseñadores, es sumamente importante dominar las técnicas de división de mallas y mejorar la capacidad de procesamiento de modelos. Esto es clave para aumentar tanto la eficiencia como la precisión de los cálculos. Actualmente, AWB integra herramientas especializadas para la división de mallas como ICEM CFD, Tgrid y GAMBIT, lo que le permite contar con funciones muy potentes a este respecto. Sin embargo, el éxito en el uso de estas herramientas depende, en última instancia, de la comprensión que tenga el operador del modelo y de su habilidad para utilizarlas de manera eficaz. Este artículo presenta principalmente algunos trucos sencillos para la división en cuadrículas al utilizar AWB para el análisis y diseño en esta industria, con la esperanza de ser de alguna ayuda para todos. 1. ¿Qué significa la herramienta de división en cuadrículas en AWB? 【Automático】: El programa divide automáticamente la malla. Por lo general, se utiliza una malla tetraédrica para esta división automática, y no se refina la malla en las áreas que son importantes según los requisitos del modelo en el análisis y diseño. Se trata de un método de división de mallas muy sencillo, pero se recomienda no utilizarlo ； 【Tetraedros】: Se utiliza una malla de tetraedros para la división del espacio. Sin embargo, en el análisis y diseño de recipientes a presión, generalmente no se emplean mallas de este tipo; por lo tanto, este método de división tampoco es aplicable ； 【Hex Domiant】: Se basa principalmente en una malla hexagonal, pero en las zonas donde la forma es compleja o hay transiciones estructurales, se utilizan mallas en forma de pirámide o tetraédro, que son más fáciles de crear. Dado que el análisis y diseño de los recipientes a presión requieren el uso exclusivo de mallas hexagonales, este método generalmente no se recomienda. No obstante, puede emplearse en modelos donde resulta difícil crear mallas hexagonales, o en zonas donde la concentración de esfuerzos no es un factor importante. Siempre y cuando se pueda garantizar la precisión en los cálculos en las zonas donde sí hay concentración de esfuerzos, este método no es inviable ； 【Sweep】: Método de partición por barrido. Es el método más utilizado para la partición. En el caso de sólidos que pueden ser barridos, se puede crear una malla hexahedral completa al barrer desde la superficie de origen a través de una trayectoria predefinida hasta la superficie de destino. Pero esto solo es posible si todos los sólidos son susceptibles de ser barridos. Después de completar la partición del modelo, se puede hacer clic con el botón derecho en “Show Sweepable Bodies” para ver si todos los sólidos son realmente susceptibles de ser barridos. Como se muestra en la imagen, las áreas verdes indican que esos sólidos sí son susceptibles de ser barridos, mientras que las áreas grises indican que no lo son ； El método 【Sweep】 es la mejor forma de dividir de manera flexible una red hexahedral completa, mediante control manual. Conocer este método es suficiente para crear redes hexahedrales muy bonitas y regulares. 【Multizone】: Es un método de división en múltiples zonas. Este método no requiere que nosotros dividamos las figuras geométricas; en su lugar, estas se dividen automáticamente. El método determina qué elementos pueden ser “barridos” para formar una red hexahedral. Para aquellos elementos que no cumplen con los requisitos, se utilizan otros métodos de división, como los tetraédricos. Por lo tanto, este método puede ser útil para modelos simples y fáciles de dividir en formas hexahedrales. Pero en el caso de modelos complejos, se obtienen redes que no son hexahedrales, lo cual reduce la flexibilidad y la posibilidad de control manual. 2. ¿Cómo se pueden dividir todos los modelos complejos en cuerpos que puedan ser barridos? (1) En primer lugar, los diseñadores deben comprender claramente qué tipo de formas son consideradas formas escaneables. Sobre la base de este conocimiento, es posible analizar y descomponer un modelo complejo, y así determinar qué estructuras necesitan ser divididas en entidades separadas. Esto constituye la base y el prerrequisito fundamental ； (2) Utilice de manera flexible la función “Slice”. En el caso de modelos tridimensionales con formas geométricas complejas, es necesario primero tener una comprensión clara del modelo y analizarlo. Hay que determinar en qué partes se puede dividir el modelo para poder dividirlo en elementos que puedan ser “barridos”. Luego, se pueden utilizar métodos como “Slice by surface” o “Slice by plane” para dividir adecuadamente los elementos del modelo. La división de los elementos a ser barridos sigue dependiendo de la capacidad del analista para comprender cómo se estructura el modelo y para analizarlo ； Por ejemplo, en el modelo de caja de seguridad que se muestra a continuación, la parte donde se encuentran los soportes es la más difícil de dividir. En particular, las zonas donde se unen la placa base con las placas de sujeción, las placas de sujeción con la carcasa, y las placas reforzadas con las placas de sujeción, requieren que se utilice la función “Slice” para dividir adecuadamente las formas tridimensionales. De esta manera, se pueden dividir las formas en elementos que puedan ser “barridos”, lo cual permite obtener una malla hexagonal completa. En el modelo de caja de seguridad mostrado, se utiliza la función “Slice” para dividirlo en 863 elementos que pueden ser “barridos”. 3. ¿En qué situaciones es necesario utilizar herramientas de división como “Slice” al crear una cuadrícula? (1) Para algunos modelos tridimensionales con formas geométricas complejas, la clave para realizar la operación de división es: se debe dividir en todos aquellos puntos donde cambia la sección transversal ； (2) En las zonas con gradientes de esfuerzo complejos y donde es necesario refinar la malla, se puede utilizar la función “slice” para delimitar una pequeña área, en la cual se puede establecer el tamaño de la malla ； (3) Si las diferentes zonas de una pieza presentan características materiales distintas, es necesario dividir la pieza en esos puntos donde hay cambio de material, y asignarle a cada zona sus propias propiedades materiales ； (4) Si en diferentes partes de un borde o de una cara existen cargas o condiciones de contorno distintas, es necesario realizar una división en los puntos donde estas cargas o condiciones cambian. Luego, se deben definir cargas y condiciones de contorno separadas para cada una de esas partes ； 4. ¿Es necesario realizar la operación “Form new part” después de dividir las entidades? Para los principiantes, es fácil pasar por alto esta operación de compartir nodos cuando no hay nadie que los guíe. Yo también pasé por alto este punto al principio; pensé que dividir la red era algo muy sencillo, y que las redes resultantes serían hermosas y regulares. Pero estaba completamente equivocado. Al no realizar la operación “Form new part”, cada entidad existía como entidad separada, y la red se creaba para cada entidad por separado. De este modo, no se lograba el intercambio de nodos entre dos entidades adyacentes. Cuando se realiza la operación “Form new part”, significa que los puntos de unión entre dos entidades adyacentes deben tener los mismos nodos en la red. Lograr el intercambio de nodos entre entidades de tamaños diferentes no es fácil. Por lo tanto, después de dividir las entidades, es importante realizar la operación “Form new part” en todas ellas para permitir el intercambio de nodos. Solo así se pueden transmitir y calcular valores como los desplazamientos y las fuerzas. Como se mencionó anteriormente, el modelo de caja de cerradura divide en total 493 entidades. Es necesario realizar la operación “Form new part” con estas 493 entidades para lograr el intercambio de nodos. 5. ¿Configuración de la cuadrícula y orden de división? (1) “Primero lo grande, luego lo pequeño”: El orden de división en mallas es el siguiente: primero se establecen y dividen las mallas para las entidades más grandes; posteriormente, se hace lo mismo con las entidades más pequeñas que comparten nodos con ellas. Una vez que el modelo grande está dividido en mallas hexadimensionales bonitas y regulares, resulta más fácil dividir en mallas al modelo más pequeño que debe adaptarse a él ； (2) “Primero lo difícil, luego lo fácil”. Orden de división en cuadrículas: primero se dividen los modelos difíciles en cuadrículas con reglas claras; en cuanto a los modelos fáciles, es más sencillo dividirlos en cuadrículas, lo que permite también el intercambio de nodos ； (3) “Primero lo complejo, luego las reglas”. “Secuencia de división en cuadrículas: primero se divide el modelo complejo en cuadrículas con estructuras regulares; en el caso de los modelos más simples, es más fácil dividirlos en cuadrículas y lograr así el intercambio de nodos” ； 6. ¿Utilizar de manera flexible “Sweep+Sizing” para dividir la cuadrícula? Cuando un modelo tridimensional complejo se divide en todas las entidades que pueden ser “barridas”, se puede utilizar el método “Sweep” para crear una malla hexagonal. Además, la función “Sizing” permite ajustar el tamaño de la malla en relación con el cuerpo, las caras y los bordes. De esta manera, se puede controlar adecuadamente la densidad y calidad de la malla, lo que permite obtener una malla ordenada y de buena calidad. También es posible refinar la malla en áreas específicas. Pero lo más común es utilizar la función “Sizing” en los bordes; así, se puede establecer un tamaño fijo para los bordes o dividirlos en partes iguales. En la imagen siguiente, se pueden ver cómo los bordes de las placas de tuberías y de las tuberías de intercambio térmico se dividen en partes iguales, lo que facilita la creación de una malla de alta calidad y detallada ； Además, existe una función muy útil llamada “Bias Type”, que permite realizar una división por gradientes en la malla. Como se puede ver en la imagen del cuerpo de la caja de tuberías, la distancia entre las celdas de la malla es menor cerca de los cantos del plato de tuberías; posteriormente, esa distancia aumenta gradualmente. Gracias a esta función, es posible diferenciar la densidad y las exigencias de calidad de la malla en diferentes áreas. De este modo, se puede afinar la malla en las zonas donde es importante controlar las tensiones, mientras que en las zonas menos importantes se puede reducir la densidad de la malla. Esto permite disminuir el número total de celdas de la malla, logrando así una mayor eficiencia en los cálculos, sin sacrificar la precisión de los mismos. 7. ¿Qué indicadores se utilizan para medir la calidad de la malla? En general, la calidad de la malla puede evaluarse mediante la masa de las celdas, el grado de distorsión de la malla (entre 0 y 1), entre otros parámetros. Cuando la masa promedio de las celdas es superior a 0.6, se puede considerar que la calidad de la malla es satisfactoria. En cuanto al grado de distorsión, cuanto mayor sea este valor, peor será la calidad de la malla. Con estos dos indicadores se puede determinar completamente la calidad de la red; los demás indicadores pueden servir como referencia adicional. 8. ¿Cuáles son los métodos para evaluar la calidad de la malla y su convergencia? (1) El método más común es realizar una nueva verificación de los cálculos mediante la refinación de la malla. Si los resultados obtenidos después de la refinación son similares a los obtenidos sin ella, se puede considerar que los resultados son fiables con la densidad y calidad de malla actuales. Por otro lado, si hay una gran diferencia entre los resultados después de la refinación y los anteriores, eso indica que los resultados no son precisos con la densidad de malla actual; por lo tanto, es necesario refinar aún más la malla para obtener soluciones más exactas ； (2) En AWB existe una función de convergencia que, al definir su tolerancia y el número de iteraciones de cálculo, permite comparar los resultados obtenidos tras refinar la malla, con el fin de determinar si se ha alcanzado la convergencia y cuál es el valor final del cálculo. Sin embargo, esta función de convergencia utiliza la función “refine” para afinar la malla; por lo tanto, los resultados del cálculo se obtienen utilizando una malla tetraédrica. Este método no es adecuado para modelos que requieren una malla completamente hexaédrica. 9. ¿Cómo controlar de manera adecuada la densidad de la malla para mejorar la precisión de los cálculos y acortar el tiempo de cálculo? Principio: En algunas áreas de especial interés, se refina la división de la malla (como en las zonas de concentración de esfuerzos, las zonas donde hay cambios en el gradiente de esfuerzos, las zonas con grandes deformaciones plásticas o en las superficies de contacto), a fin de mejorar la precisión de los cálculos. En las partes que no requieren tanta atención o que son menos importantes, se utiliza una malla más gruesa, lo que permite reducir el tamaño del modelo y acortar el tiempo de cálculo. En la práctica de la ingeniería, a menudo es posible predecir en qué área hay una mayor tensión; así, al modelar, se puede optar por detallar la malla en esas áreas clave ； Si no es posible conocer de antemano la ubicación de la mayor tensión, se puede comenzar dividiendo todo el modelo en una malla más gruesa para realizar cálculos aproximados y así determinar la distribución general de las tensiones. Luego, se puede refinar la malla en las zonas donde la tensión es más alta. Después, se puede volver a analizar todo el modelo, o bien utilizar la técnica de submodelos para analizar por separado las áreas de interés. Para más contenido interesante, busque y síguelo en WeChat en la cuenta oficial “ANSYS Analysis Designer”, una plataforma de intercambio donde se comparten con dedicación los conocimientos sobre análisis y diseño.