Cómo verificar el resultado realizado por los softwares FEA (como ANSYS, etc.)

Answer 1

FEM es un método numérico para resolver PDE. En general, los fenómenos físicos como el comportamiento estructural o el flujo de fluidos, etc., se describen a través de las PDE. Entonces FEM se aplica para resolver estos problemas. ¡Entonces uno no estaría completamente equivocado al llamar a FEM como una herramienta para comprender el fenómeno físico!

Por lo tanto, es importante tener en cuenta siempre que cualquier herramienta es tan buena como el usuario. Los resultados de FEM son extremadamente confiables, siempre y cuando uno sepa lo que se está simulando.

Hay tres pasos y debe considerarse que se toman las medidas apropiadas en cada paso.

• Preprocesamiento:
• Esto implica la creación de un modelo (o modelo CAD) que describe la geometría del objeto que se está simulando. La geometría debe ser tan realista como sea permisible. Sin embargo, hay varias limitaciones aquí que uno debe tener en cuenta.
• Una vez que se crea una geometría, esta debe ser mallada (u otra llamada discretización). Aquí la geometría se divide en pequeñas piezas (llamadas elementos). Es importante tener en cuenta la malla adecuada. Puedo señalar aquí mi artículo sobre puntos a tener en cuenta al mallar: “Cómo combinar su modelo para análisis estructural (FEA)”
• Simulación
• Aquí es donde se realiza la simulación real. Aquí es apropiado elegir los solucionadores correctos, etc., de modo que la solución obtenida sea precisa
• También es importante tener en cuenta las normas residuales y de energía en las que la simulación muestra convergencia. En varios softwares comerciales, los umbrales son bastante menores que las simulaciones convergen.
• Aquí los problemas se relacionan con la elección de los modelos apropiados para materiales y solucionadores. Algunos ejemplos incluyen material hiperelástico, plasticidad, contacto, etc.
• Postprocesamiento
• Al final, las simulaciones producen algunas imágenes bonitas. Aquí es necesario verificar si los resultados son consistentes y tienen sentido.
• Este artículo “Cuando es solo una imagen bonita” proporciona una buena descripción de cómo juzgar la fiabilidad de los resultados obtenidos.

Answer 2

Esta es una pregunta válida ya que los elementos finitos nunca son correctos. Lo mejor que se puede esperar es que el resultado aproximado esté dentro de un rango de error prescrito. Estas son las comprobaciones estándar que encontré útiles.

1. La solución debe ser independiente de la malla. Los elementos son solo un medio de discretización. Si la solución cambia con el refinamiento de la malla, significa que el tamaño de la malla es inadecuado o demasiado grueso. Siga refinando el tamaño de la malla y vuelva a ejecutar el análisis, hasta que la solución converja.
2. La solución siempre debe ajustarse a los primeros principios de que debe obedecer las leyes de la física. Realice el mismo análisis en un modelo simple y realice una verificación estándar, como cuando una fuerza es cuando los nodos adyacentes se desplazan o deforman.
3. Después de todo, el método de elementos finitos es una técnica para simular problemas de la vida real. Si los resultados de la simulación coinciden con los resultados experimentales, entonces su modelo es Bang on.

Espero poder ayudarlo. Para una comprensión detallada de FEM, consulte los libros escritos por Bathe y Seshu

Answer 3

La validación de los resultados FEA de cualquier software para un desarrollador es más rigurosa que la de un usuario.

La secuencia completa de verificación asociada con el problema de dominio para un desarrollador es la siguiente:

1. Consulte la biblioteca de soporte: Álgebra lineal y bibliotecas geométricas, interfaces de usuario.
2. Verifique la discretización del sistema: conectividad nodal, calidad del elemento, descarga nodal de fuerzas en el análisis de elementos finitos.
3. Comprobar nivel de unidad básica individual: nivel de elemento

1. Verifique la apariencia: escasa, simetría, diagonales positivas de matrices en análisis de elementos finitos.
2. Verifique las propiedades: Rango, naturaleza positiva definida o semi definida de las matrices.
3. Verifique el comportamiento: Prueba de parche para elemento en análisis de elementos finitos.
4. Verifique las trampas conocidas: bloqueo de corte, reloj de arena en análisis de elementos finitos.
5. Verifique con desplazamiento rígido, rotación ortogonal y otras variaciones simples.

Comprobación de la autoconsistencia a nivel global

1. Verifique la apariencia y las propiedades de los componentes de ensamblaje: simetría, definición, rango de rigidez o matrices de masa.
2. Verifique los diferentes componentes de ensamblaje de forma incremental: Verifique la matriz de rigidez con análisis estático, luego verifique la matriz de masa con análisis propio. Y finalmente verifique la matriz de amortiguamiento con análisis dinámico.
3. Verifique el efecto de restricciones adicionales: diferencia de resultados entre rodillos, soportes fijos y fijos.
4. Compruebe el efecto de la complejidad de forma incremental: compruebe el problema lineal con la no linealidad incremental.
5. Verifique el efecto del refinamiento con más variables intermedias: más elementos, más número de nodos por elemento.
6. Verifique el comportamiento de las derivadas más altas de las variables y su suavidad: curvatura, momento flector, tensión y valor de deformación.
7. Verificar comportamientos generales: control estático de fuerzas y reacciones.
8. Verifique la eficiencia de paralelización con más núcleos.

Verifique con la solución teórica de forma cerrada: deflexión de la viga en voladizo, simplemente placa soportada.

Verifique el uso de software de cálculo simbólico para soluciones genéricas: uso de Mathematica o Maple para obtener alguna solución genérica.

Verifique con una dimensión / suposición aumentada o disminuida de la formulación del problema: el mismo problema de haz se puede hacer a través de 3D, tensión / deformación plana, suposición deformable por cizallamiento diferente o simplemente la formulación de Euler-Bernoulli.

Verifique con la solución disponible en otro dominio: Wavelet o elemento finito espectral u otras soluciones de dominio de frecuencia.

Verifique con otros resultados numéricos validados: resultados de otro software similar.

Verifique con resultados experimentales: escala completa o prototipo.

Answer 4

FEM es una herramienta para simular fenómenos físicos. Si ha representado la carga física y las condiciones de contorno (BC) adecuadamente, puede obtener resultados confiables. A menudo no es posible replicar exactamente la carga y los BC, entonces debe elegir uno con la coincidencia más cercana.

A menudo se dice que FEM tiene tres pasos: preprocesamiento, resolución y postprocesamiento. Pero hay otro paso antes de todo esto. Me gusta llamarlo como modelado de la física. En este paso, tratamos de comprender la física del problema y resolverlo en un documento para replicarlo como un problema analítico.

Por ejemplo, representar la imagen de arriba como un simple problema de voladizo:

Si no entendemos el problema como anteriormente, no tiene sentido hacer FEA.

Sin embargo, hay una cosa más que hacer antes de intentar analizar algo en FEA: asegurar la convergencia de la malla.

La convergencia de malla simplemente significa que sus resultados sean independientes de la malla. Si analizamos un problema usando diferentes tamaños de malla, los resultados serán diferentes para cada tamaño de malla. Esto se debe a que nuestra malla representa un sistema físico diferente cada vez o la discretización no es suficiente.

Para superar esto, analice el problema utilizando un tamaño de malla decreciente. Una vez que sus resultados se vuelven iguales usando dos tamaños de malla consecutivos diferentes, puede elegir cualquier cosa entre esos dos tamaños de malla.

Esto significa que el resultado es independiente del tamaño de la malla y numéricamente correcto.

Answer 5

Estas son algunas de las cosas que conocí mientras trabajaba en una industria:

1. Fuerza aplicada / Verificación de reacción

   Utilice FBD. Calcule las fuerzas / momentos aplicados en dirección X, Y y Z. Para geometrías complejas y casos de carga, esto puede ser difícil, pero puede hacer las simplificaciones necesarias y continuar. ¡Compruebe si las fuerzas / momentos de reacción totales corresponden a los calculados, al menos en el parque de pelota!

2. Inspección visual / intuición

   Para dar un ejemplo simple, si aplica un momento flector a la viga en voladizo en el sentido de las agujas del reloj. Tendrá tensión en la parte superior y compresión en la parte inferior. Solo verifique si la deformación cumple con las cargas aplicadas. ¡No debería suceder como, esperas un comportamiento de compresión y estás obteniendo un comportamiento de tracción!

   Comprueba los resultados con tu intuición

3. Verificación de convergencia de malla para tensiones

   En Ansys, generalmente se usan dos métricas (¡búscalas en Google!)

1. SMX / SMXB
2. SEPC

   Antes de informar el estrés en una ubicación crítica, debe asegurarse de que al refinar la malla, el valor no cambia mucho.
   En general, las métricas dentro del 5–10% son una norma aceptada.

Verifique el orden de la deformación

Al menos he cometido este error, le doy la propiedad material en GPa en lugar de MPa (es decir, 200 en lugar de 200 e3). ¡Tus desplazamientos se disparan!

Simplifique el sistema si es posible

Intente simplificar sus sistemas a geometrías simples para las cuales tenemos soluciones analíticas como barras, vigas, placas, cilindros delgados / gruesos, etc. ¡Entonces puede comparar directamente las tensiones, deben estar en el parque de pelota!

-Prithivi

Answer 6

FEA (análisis de elementos finitos) siempre se ha utilizado como una tercera dimensión en las pruebas de productos, aparte de las pruebas experimentales y analíticas. La razón por la cual FEA por sí sola no se emplea como herramienta de prueba estándar es principalmente porque es una aproximación de las ecuaciones diferenciales parciales y, a menudo, consiste en residuos que siempre evitan que los resultados sean 100% precisos.

Sin embargo, FEA no puede ser descuidado ya que ayuda a lograr un comportamiento integral del producto bajo carga incluso para geometrías complejas para las cuales las aproximaciones son mejores que no saber nada. Sin embargo, la validez de los resultados de FEA es puramente un juicio que se basa en el conocimiento del analista que realiza la simulación. Es puramente su experiencia y la aplicación precisa de las condiciones de contorno con los supuestos requeridos lo que produce un resultado significativo a través del enfoque FEA. Leer más … [1]

FEA ayuda a reducir el número de pruebas de prototipos y cálculos manuales, aún se requiere verificar los resultados con un experimento físico para garantizar la confiabilidad de los solucionadores. Es bastante fácil construir un modelo de FEA limpio y colorido a través de varias iteraciones computacionales pero sin un valor significativo. Siempre es bueno realizar cálculos manuales simples al principio antes de realizar una ejecución de simulación.

Cuando está en las manos adecuadas, FEA puede ahorrar meses en la etapa de diseño y desarrollo del producto al proporcionar la información requerida con anticipación. Las pruebas de creación de prototipos se pueden reducir considerablemente con una posterior reducción en los costos de desarrollo.

Para obtener más ayuda, comuníquese con los consultores de FEA – Hi-Tech FEA

Notas al pie

[1] ¿Cuán confiables son los resultados obtenidos a través de FEA?

Answer 7

Creo que sería útil comenzar leyendo más sobre posibles errores.

Este artículo está muy bien escrito: Errores en FEA y comprensión de singularidades (Guía para principiantes)

La convergencia es uno si los factores que afectan la precisión de una simulación. Este artículo explica más: ¿Qué es la convergencia?

Espero que ayuden, buena suerte!

Answer 8

Para todas las técnicas numéricas, las respuestas son muy similares: (a) realice un experimento en el que pueda medir la deformación, el esfuerzo o la tensión (b) varíe sus parámetros numéricos, refine la malla, vaya de 2D a 3D para aumentar la fidelidad y verifique Los resultados no cambian mucho.

Pero podría ser mejor aprender sobre V&V (Verificación y Validación) como una actividad sistemática que cualquier buen analista necesita conocer e incluir en sus proyectos. Aquí hay un par de enlaces que son útiles:

Excelente presentación introductoria de Dave Conover en Cornell para ISTEC 2008 (desplácese hacia abajo hasta su nombre y haga clic en el enlace para ver la presentación): http://swanson.mae.cornell.edu/i …

Libro sobre este tema de Szabo y Babuska: http://www.amazon.com/gp/aw/d/04 …

Answer 9

Todos los casos que se llevan a cabo con respecto a cualquier solucionador computacional tienen que ser verificados y validados dentro de fuentes confiables. En términos de verificación, las fuentes como el artículo de la revista, el documento de la conferencia y el libro podrían usarse para comparar. Además, debería haber examinado la validez de los resultados computacionales dentro de los estudios creíbles. Estos estudios pueden ser una investigación experimental o una teoría comprobada. Por lo tanto, puede comparar sus resultados y verificar la confiabilidad y sostenibilidad de su caso.

La vista del examen de la NASA con respecto a la verificación y validación:

Verificación: “El proceso de determinar que la implementación de un modelo representa con precisión la descripción conceptual del desarrollador del modelo y la solución al modelo”.

Validación: “El proceso de determinar el grado en que un modelo es una representación precisa del mundo real desde la perspectiva de los usos previstos del modelo”.

Verifique el modelo, valide el resultado.

En resumen, la verificación del método y la validación de los resultados son los ingredientes principales de los resultados exitosos. Puede encontrar fuentes confiables para ambos para obtener resultados confiables.

Answer 10

Creo que estás mezclando dos conceptos diferentes aquí. Por un lado hay verificación y en el otro lado hay validación.

La verificación consiste en verificar que el código de la computadora realiza un cálculo correctamente, sin tener en cuenta si el modelo físico representa lo que desea recrear en realidad o no. Esto ya se ha comprobado exhaustivamente en códigos maduros como ANSYS o ABAQUS, por lo que puede estar seguro de que el código está haciendo los cálculos correctamente. Hay una gran cantidad de ejemplos de verificación en los respectivos manuales.

La validación es lo que supongo que necesita, es decir, para verificar que el modelo que construyó en su código FE representa fenómenos físicos reales con cierto grado de precisión. Para esto, necesita una solución analítica conocida o un experimento.

Answer 11

En realidad, hay tres enfoques para validar los resultados de FEA:

1. comprobando la consistencia numérica de los resultados

1. pruebas de convergencia de la solución: refinar la malla y verificar los cambios en la respuesta
2. para FEA basado en desplazamiento, observe las oscilaciones de tensión / deformación en datos sin suavizar

Comparando con otros resultados teóricos / numéricos

y quizás lo más importante

3. comparación con resultados experimentales

Answer 12

El método general es hacer algunas suposiciones sobre el modelo que está investigando y luego calcular el desplazamiento / estrés / temperatura / felicidad a mano.

Estas pueden ser grandes generalizaciones sobre su modelo. Un ejemplo que tuve fue diseñar un autobús para un proyecto mientras estaba en la universidad. Después de modelarlo en ANSYS y hacer un análisis, llegó el momento de verificar los resultados. Un autobús es largo y delgado y tiene una sección transversal aproximadamente cuadrada, al igual que un tubo hueco. La ecuación para doblar en estas condiciones de carga es fácil en papel para un tubo cuadrado hueco. Si las respuestas están dentro de un pequeño porcentaje (debe establecer su propio umbral aquí), entonces puede estar bastante seguro de que no había nada tonto con el modelo original.

Esta es la opción que elegimos y funcionó en un grado suficientemente bueno. ANSYS es muy útil para el análisis complejo utilizando diferentes materiales y estructuras, pero dependiendo de la entrada y los parámetros que elija puede dar resultados increíblemente ridículos, por lo que las comprobaciones rápidas como esta siempre son una buena idea.

También me enseñaron a hacer las verificaciones primero, así que primero haga algunos cálculos en papel y luego vea si son similares a los resultados de ANSYS, ¡pero quién realmente tiene tiempo para eso?

Answer 13

Sabrá si los resultados que encuentra coinciden con sus expectativas …

Incluso si puede hacer la simulación sin realizar pruebas mecánicas reales, las pruebas y los experimentos son necesarios para obtener resultados reales que luego puede intentar combinar con Ansys.

Hay muchos posibles errores en sus simulaciones, los errores más grandes son una definición incorrecta de su problema y un modelado incorrecto de elementos finitos.

Si desea conocer el impacto de la malla incorrecta, aquí hay un artículo para usted:

http://feaforall.com/wrong-mesh- …

Answer 14

El método que he usado para FEA de gama baja es crear el modelo más complejo que el FEA puede manejar (algunos solo hacen partes y no ensamblajes) y hacen el mismo modelo con cálculos manuales. Luego haga el modelo que mejor represente el artículo real a mano. Si el FEA y el cálculo de la mano están de acuerdo, los cálculos manuales más detallados deberían ser una diferencia incremental. Debe tener una idea de si el modelo de FEA tenderá a tener un estrés mayor o menor que el cálculo de la mano más realista como una verificación adicional. Esto requiere algo de experiencia. He sido testigo de un modelo FEA de una silla de cuatro patas con las 4 patas fijadas al suelo. Esto no proporcionará una buena representación.

Answer 15

Dibuje un diagrama de cuerpo libre (FBD) de una parte genérica y calcule la tensión / deformación a mano. Este FBD generalmente se incluye en el informe del certificado (aeroespacial) para mostrar que los resultados son razonables.

También existe el enfoque de similitud, compare su resultado con una carga en una parte similar (generación anterior) y muestre que los resultados son nuevamente razonables.

Answer 16

Antes de hacer una simulación compleja y perder un montón de tiempo, realiza algunos cálculos manuales sencillos para conocer los resultados que estás buscando.

Luego, debe mirar a través de la malla con cuidado para asegurarse de que las cosas se calcularán como se espera sin singularidades extrañas o mallas rotas.

Finalmente, puede pasar por un refinamiento de malla de su área con la que se encuentra. Puede verificar que al aumentar la malla su respuesta converge en una respuesta. Por lo general, esto está en la línea de aumentar la malla. X% cambia la respuesta no menos que Y%.

Answer 17

A2A: No tengo mucho que agregar más allá de la gran respuesta de Don Rolph.