Comparación entre 1D, 2Elementos D y 3D en Análisis Estructural

Introducción

Los ingenieros estructurales utilizan una gran variedad de miembros ya desde la fase conceptual de un proyecto de construcción o infraestructura.. Modelado preciso de dichos miembros utilizando software de elementos finitos, como SkyCiv, es de gran importancia en el proceso de diseño, Como el modelado preciso de los miembros puede reducir los costos y garantizar un diseño seguro. Existen varios métodos de modelado para simular el comportamiento estructural de las columnas., vigas, paredes, o losas con 1D, 2Elementos D y 3D. Este artículo explica las principales diferencias entre las diversas técnicas de modelado utilizadas en un ciclo regular de diseño de ingeniería.. Específicamente, centrándose en el modelado, estado de tensión y deformación, y resultados.

Fase de modelado (preprocesamiento)

Geometría

1Los enfoques de modelado D se utilizan para modelar miembros de tipo de línea, como columnas / muelles, vigas o pilotes. La representación de la línea es autodefinida por el usuario a través de una sección y todas las propiedades geométricas del miembro. (anchura, altura, etc.).

2Las técnicas de modelado D se usan comúnmente para miembros de tipo placa como paredes, losas, conchas, pilares de puente, tanques, silos o cúpulas. Para todos estos miembros, las dos dimensiones perpendiculares al grosor se consideran mucho más grandes que el grosor. Por lo tanto, solo el grosor de la losa debe ser definido como propiedad de la sección por el usuario antes del análisis. sin embargo, existen limitaciones cuando se utilizan técnicas de modelado 2D, ya que se deben cumplir reglas estrictas, para obtener los resultados más precisos. Las principales reglas que siguen son la relación entre el grosor y el área de la placa en sí., ya que el uso de una placa de relación de espesor a área muy alta entrará en el ámbito del modelado 3D donde todas las suposiciones hechas con elementos 2D ya no son ciertas.

3Los elementos D se pueden usar para modelar cualquier miembro estructural. En este caso, cada miembro del modelo se divide comúnmente en elementos 3D volumétricos iguales. Tal y como está, Programas CAD (como SolidWorks) se usan para crear estos modelos 3D, Otorga la oportunidad de crear modelos 3D más complejos utilizados para el análisis estructural.. Por ejemplo, El mismo cuadro de bicicleta visto con los elementos 1D se puede replicar usando elementos 3D, con el siguiente resultado:

Fuente: SimScaleUn gran inconveniente de usar elementos 3D, es su modelado (el modelo anterior podría tomar hasta 10 veces más que el modelado 1D ) y resolviendo el tiempo. 3D elements intenta capturar completamente la física del modelo, interna y externamente mediante el uso de cálculos pesados ​​de computación necesarios para resolver el análisis a costa de más tiempo dedicado al modelo en sí.

Malla

Como el mallado es un paso crucial en cualquier análisis estructural, Es importante que los usuarios sean conscientes del impacto que juega la malla en 1D, 2re, y elementos 3D en un modelo.

Como se mencionó anteriormente, 1Los elementos D se usan comúnmente para representar miembros de línea y pueden proporcionar un comportamiento de flexión preciso de un miembro. 1La malla de elementos D es la división del miembro en múltiples segmentos., esto no afecta el resultado general, pero más segmentos permiten una visualización más fluida y mejor de los resultados.

2Los elementos D y 3D presentan rasgos similares en términos de mallado. Cada miembro dentro del modelo se divide en varias partes de una determinada forma, el tamaño de la malla del modelo afecta los resultados finales y que cuanto más fina sea la malla (formas más pequeñas utilizadas) cuanto más tiempo se tarde en resolver el modelo. Hay dos formas que se utilizan para ambos elementos 2D en mallas, elementos cuadriláteros y triangulares. 3Las formas de los elementos D son variaciones que se derivan de las formas de los elementos 2D., las formas de uso común son hexaedros, tetraedros, cuñas y pirámides, cada una de las cuales ofrece diferentes beneficios para modelar mejor la física del modelo en sí.

Salida (Postprocesamiento)

Los resultados del análisis para miembros modelados usando elementos 1D generalmente se dan en términos de fuerza de corte y momento de flexión alrededor de los dos ejes principales de los miembros, así como la fuerza axial y el momento de torsión alrededor del eje que conecta ambos extremos del miembro.

Ejemplo de diagrama de fuerza de momento flector en software de análisis 1DPara elementos 2D, la salida se ilustra como fuerza axial, fuerza de cortante, momento flector y momento torsional por unidad de longitud.

Dichos resultados pueden incluir:

• • Fuerzas de membrana
  • Fuerzas de corte / momento en el plano
  • Desplazamientos (x,y,z, suma)
  • corte (Von-mises, directo, corte, principal / menor principal)

Cuando, se adoptan elementos de ladrillo, los resultados se dan en términos de tensiones. Por lo tanto, Las fuerzas internas y las reacciones de apoyo de los miembros como muros de corte, las conchas o losas modeladas con elementos 2D o elementos de ladrillo se obtienen mediante la integración de fuerzas / momentos internos por unidad de longitud o tensiones sobre la longitud o área de interés, respectivamente.