Manual de Pro Mechanic A Wildfire

Laboratorio de Simulación SIMON BOLIVAR - UNEFM -

CONTENIDO

Módulo 1. Introducción a Pro/MECHANICA Wildfire 4.0.

Módulo 2. Análisis Estructural a Elementos de Sujeción.

Módulo 3. Análisis Estructurales por Medio de Graficas.

Módulo 4. Análisis a Estructuras.

Módulo 5. Optimización de Diseño Estructural.

Módulo 6. Análisis Térmico en Estado Estable.

Módulo 7. Análisis Térmico en Estado Transitorio.

Pro / MECHANICA Wildfire 4.0

Modulo

En este módulo aprenderá las funciones básicas de

Pro/MECHANICA Wildfire 4.0

Objetivos

Conocer los pasos para realizar un análisis en Pro/MECHANICA

Familiarizarse con la interface de Pro/MECHANICA Estructural y Térmico

Crear Nuevos materiales para la biblioteca de Pro/MECHANICA


Introducción a Pro/MECHANICA

PRO/MECHANICA WILDFIRE 4.0

Pro/MECHANICA es la parte de Pro/Engineer que nos permite realizar simulaciones

estructurales y térmicas avanzadas a todo tipo de geometría incluyendo sólidos,

corazas, vigas, o modelos mixtos. También permite extraer la geometría de un

modelo sólido, simplificando el proceso para modelos delgados como modelos de

láminas de metal.

La simulación estructural y térmica avanzada de Pro/Engineer contiene una librería

robusta de herramientas que permiten construir modelos de simulación rápidos, los

cuales incluyen:

• Análisis de deformación no lineal grande.

• Análisis estático de tensión previa, incluido los efectos de rigidización de tensión.

• Análisis modal de tensión previa, incluido los efectos de flexión a la rotación.

• Análisis térmico transitorio.

• Análisis dinámicos de: o Respuesta temporal o Respuesta frecuencial o Respuesta

aleatoria o Choque.

Pro/MECHANICA Estructural


Pro/MECHANICA

Estructural Termico Movimiento

Permite realizar análisis estructurales a una pieza o conjunto, ya sean estáticos,

modales, dinámicos, de fatiga

Pro/MECHANICA Térmico

Permite realizar el estudio de la transferencia de calor a estructuras y piezas, ya sean

en estado Estacionario o Transitorio.

Transferencia de calor en estado estable

El sistema se caracteriza por condiciones de estado estable si la temperatura

en cada punto es dependiente del tiempo.

Transferencia de calor en estado transitorio

En general, la temperatura de un cuerpo varía con el tiempo así como con la

posición.

Además de los estudios mencionados Pro/MECHANICA permite realizar estudios

de Sensibilidad y Optimización de la pieza

Para realizar los análisis, se deben tener los datos de:

Estructurales Térmicos

Material Material

Cargas Temperaturas

Restricciones de movimiento Coeficiente de transferencia de calor

(h)

Comandos utilizados en Pro/MECHANICA Wildfire 4.0


Carga de Fuerza - Momento

Estructura Control

Carga de Presión ResorteRegión de Superficie

Masa Región de Volumen

Carga por gravedad Interface Esbozo

Carga Centrifuga Soldadura Plano

Carga Global de Temperatura

Conexión Rígida Eje

Restricción de Desplazamiento

Conexión con Peso Curva

Restricción de Simetría

Material Esbozo

CarcasaAsignación del

MaterialSistema de

Coordenadas

Par de CarcasaSimulación de

MedidaCarga de Calor

Temperatura PrescritaCondición de Convección

Simetría Térmica

Visualización de Simulación

ResultadosAnálisis y Estudios

de Mechanica

Crear Mallado

PROCESO PARA REALIZAR ANALISIS SIMPLE EN PRO/MECANICA


1. Abrir la pieza que se va a analizar.

2. Iniciar Pro/E MECHANICA.

Abrir el menú Aplicaciones > MECHANICA. Dejar las

unidades por defecto. Luego aparece la ventana de

MECHANICA, en la cual se elige el tipo de análisis que se

desea (Estructural o térmico).

3. Asignar el Material

Hacer click en el icono Materiales y aparecerá la ventana de materiales

Se elige el material que se desee y se agrega en la siguiente columna haciendo

click en . Se pueden seleccionar varios materiales ya que esta ventana es

para preseleccionar dichos materiales y ver sus propiedades. Cabe destacar que

Pro/MECHANICA ofrece la oportunidad de crear nuevos materiales.


Haciendo click en el icono se definen las propiedades estructurales y térmicas

del material, en esta ventana se encontraran datos de la densidad, conductividad

térmica, se selecciona el criterio de falla, coeficiente de expansión térmica.

Luego se hace click en Asignación de Materiales para asignar el material

final de la pieza

4. Agregar las restricciones del material (Solo para Estructural)

Las restricciones se definen para que la pieza no se mueva, o solo se pueda mover

en una dirección determinada, al aplicársele la carga. Solo al definir las

restricciones del modelo, se puede observar el efecto de las fuerzas. Las

restricciones pueden ser para evitar movimiento de traslación y de rotación, cada

una con sus tres componentes correspondientes a los ejes X, Y y Z.


Para activar la caja de diálogos de las restricciones, se hace click en Restricciones

.

5. Aplicación de la carga de trabajo

Para especificar la carga (s) aplicada (s), se hace click en Carga de Fuerza -

Momento . En la caja de dialogo se presenta la opción de colocar la fuerza en

cualquiera de los ejes (X, Y y Z) y también como se observa en la figura que se

pueden definir cargas de momento.

Restricciones del Material Aplicación de las Cargas

Nota: Los puntos 4 y 5, solo se aplican para análisis Estructurales.

6. Condición de convección (Solo para análisis Térmicos)

Acá se define el coeficiente de transferencia de calor (h) y la temperatura del

sistema.


Al hacer click en Condición de Convección se despliega la siguiente ventana:

7. Crear el mallado de la pieza

En general, la malla requerida para en análisis es generada automáticamente por

Pro/E System, pero esta puede ser modificada por el usuario. Esto se puede

realizar de dos formas:

Especificando el tamaño del mallado

Haciendo click en Control , para desplegar el menú de AutoGEM

Control, en esta se especifican las dimensiones del elemento.

Luego se hace click en Crear Mallado , para crear el mallado.


Especificando el ángulo del mallado desplegando el menú

AutoGEM > Configuraciones…> Limits

HASTA ESTE PUNTO LAS ACCIONES 3, 4, 5, 6 y 7 SE PUEDEN REALIZAR

SIN NINGUN ORDEN ESPECÍFICO

8. Definir el análisis

Acá se especifica el tipo de análisis

Estructurales (estáticos, modales, dinámicos, de fatiga)

Térmico (transitorio o Estacionario)


Luego se corre el análisis

Después Aparecerá la ventana para seleccionar los resultados que se desean

observar.

EJERCICIOS PRACTICOS


Ejercicio 1 y 2, se realizaran para que el estudiante se familiarice con la interface de

Pro/MECHANICA Estructural y Térmico

Ducto.prt

Ejercicio 3, se creara un material.

EJERCICIO 1. Pro/MECHANICA ESTRUCTURAL

Actividad 1. Abrir el class file

1. Haga click en Fichero > Abrir o

2. Seleccionar ducto.prt. Haga click en Abrir.

3. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia

Actividad 2. Abrir Pro/MECHANICA

1. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.

2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Structure >

Aceptar.

Actividad 3. Seleccionar el material


1. Haga click en Materiales

2. Seleccionar fe20.mtl > Aceptar.

3. Haga click en Asignación del Material > Ok.

Actividad 4. Aplicar las restricciones de Movimiento

1. Haga click en Restricciones y permite la traslación y rotación en el eje X, esto

se logra seleccionando el punto que se encuentra al lado de X, tanto de

traslación como de rotación.

2. Seleccionar cualquier superficie externa de la figura > Ok

Actividad 5. Aplicar las Cargas

1. Haga click en Carga de Fuerza - Momento y en la sección Force en la

componente Y introduzca el valor [-100].

2. Seleccionar la superficie externa opuesta al lado en el cual están las restricciones

de movimiento > Ok.

3. Cerrar la ventana y borrar de la memoria.

EJERCICIO 2. Pro/MECHANICA TERMICO








2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Thermal >

Aceptar.


1. Haga click en Materiales .

2. Seleccionar fe20.mtl > Aceptar.


Actividad 4. Aplicar las condiciones de convección

1. Haga click en Condición de Convección .

2. En la sección de Convection Coefficient (h) introduzca el valor [20].

3. En Bulk Temperature introduzca el valor [500].

4. Seleccione todas las superficies externas de la pieza > Ok.

5. Cerrar la ventana y borrar de la memoria.


EJERCICIO 3. CREAR UN MATERIAL







2. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Structure >

Aceptar.



2. Haga click en Nuevo .

3. En la pestaña Estructural y llenar las casillas:

a. Nombre: Ceramic

b. Densidad = 4520 kg / m3


c. Modulo de Young = 400000 MPa

4. En la pestaña Térmico y llenar las casillas:

a. Calor especifico = 1.624*109 mm2 / sec2* ˚C

b. Conductividad Térmica = 10781 N / sec * ˚C

5. Haga click en Guardar en la Biblioteca > Aceptar.

6. Haga click en Cancelar > Si.

7. Cerrar la ventana y Borrar desde la Memoria.

Ejercicio Propuesto

Crear una material Llamado Fibra de Vidrio, que poseer las siguientes

características:

a. Nombre: Fdv (Fibra de Vidrio)

b. Densidad = 4 lbm / in3

c. Calor especifico = 0.23 in2 / sec2 * °F

d. Conductividad Térmica = 0.25 in * lbm / sec3 * °F

Guardarlo en la Biblioteca


Modulo

En este modulo aprenderá a analizar problemas Estructurales

utilizando las herramientas que ofrece Pro/MECHANICA

Structural Wildfire 4.0

Objetivos

Determinar el esfuerzo al cual esta sometido un elemento de sujeción al

momento de aplicarle una carga.

Crear una región de superficie especifica en la pieza que se va a analizar.


Análisis Estructural a Elementos de Sujeción

FUNDAMENTOS TEORICOS

Ejercicio, analizar un elemento de sujeción el cual está sometido a una carga determinar cual es el esfuerzo que tiene que soportar el elemento.

La geometría de los elementos es:

L = 2.21 in h = ½ in w = ½ in

En el caso de la cuna trapezoidal, h = ½ in , h’= ¼ in

La fuerza aplicada es 21000 lbm / in*sec2

Material Acero AISI 1020, limite elástico (Sy) = 57000 lbm / in*sec2

Sujecion_1.prt


4. Haga click en Fichero > Abrir o 5. Seleccionar Sujecion_1. Haga click en Abrir.6. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia


3. Haga click en Aplicaciones > Mechanica. Confirme el sistema de unidades.4. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar Estructural >

Aceptar.




9. Seleccionar Fe20 .10. Haga click en > criterio de rotura > Energia de Distorsion (Von Misses) >

Limite elástico [57000] >Aceptar > Aceptar.

11. Haga click en Asignacion del Material > Ok.

Actividad 3. Región de Superficie

1. Haga click en > Listo seleccionar la superficie que se muestra en la figura > Por defecto.

2. Crear la región que se muestra en la figura

3. Haga click en > seleccionar la superficie seleccionada previamente > Listo > Aceptar.


4. Repetir los pasos anteriores con cada una de las caras restantes de la pieza, menos la superior y la base.

Actividad 4. Definir las restricciones

1. Haga clic en mantener las opciones por defecto y seleccionar todas la regiones de superficie creadas mas la base de la pieza > Ok.

Actividad 5. Aplicar la carga

1. Colocar la vista por defecto de la pieza.

2. Haga click en Carga de Fuerza - Momento , en la sección de Force y colocar [-21000], seleccionar la sección mostrada en la figura > Ok.

Actividad 6. Cambiar el ángulo del mallado

1. Haga click en AutoGEM> Configuraciones…> Limits.

2. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor [20] > Ok.


Actividad 6. Crear y definir el análisis Estructural

1. Haga click en Análisis > Análisis/Estudios de Mechanica…

2. Haga click en File > New Static…

3. En la sección Name escribir Sujecion. Dejar el resto de las opciones por defecto>Ok.

4. Haga click en Correr el Analisis .

5. En la siguiente ventana seleccionar Si.

6. Hacer click en Mostrar Status del Estudio para observar los cálculos.

Actividad 7. Revisar los resultados

1. Cerrar la ventana Diagnostics Analysis y Run status.

2. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Resultados

3. La ventana Result Window Definition seleccione la pestaña Disply options >

Activa la sección Deformed > Ok and Show.

4. Haga click en Resultados , seleccionar Sujeción > abrir.

5. En Diplay tipe > Graph, en Graph ordinate (vertical) axis > Stress.


6. Haga click en , y seleccione la región que se muestra en la figura > Aceptar >

Ok> Ok and Show.

Esfuerzo vs Longitud

7. Cual es el esfuerzo máximo de la pieza

____________________________________________________________________

8. Cerrar todas las ventanas sin guardar los cambios y borrar de la memoria.

Ejercicio Propuesto


Realizar el ejercicio anterior pero con la pieza Sujecion_2.prt. Las dimensiones

de esta son:

L = 2.21 in w = ½ in h = ½ in h’= ¼ in

Sujecion_2.prt

Cual es el esfuerzo máximo al cual esta sometido la pieza

________________________________________________________________

En base a los resultados, cual elemento de sujeción seleccionarías

_____________________________________________________________


Modulo

En este modulo aprenderá las funciones básicas de


Objetivos


Análisis Estructurales por Medio de Graficas

Estudio de análisis estructural por medio de la opción Results de

Pro/MECHANICA

El análisis estructural es una herramienta multidisciplinaria de ingeniería asistida por

computadora, que analiza el comportamiento físico de un modelo para un mejor

entendimiento y mejoramiento del desempeño mecánico de un diseño. Puede ser

usada para calcular directamente esfuerzo, deflexión, además de predecir el

comportamiento del diseño en el mundo real.

La opción de análisis estructural de Pro/MECHANICA permite la habilidad de

estudiar el comportamiento del diseño por medio de herramientas visuales como

graficas esfuerzo-deformación y esfuerzo en un área especifica del modelo, que

permiten al usuario determinar con mayor precisión cuales son lo puntos mal

vulnerables del diseño y, si es el caso, dar las premisas par un estudio de optimización

adecuado.

Ejercicio 1. Análisis estructural de una pieza de hierro tipo 60 sujeta cargas y

momentos.

Se le aplicara el análisis estructural a una pieza de hierro 60 el cual tiene un limite

elástico de 10 MPa, y que estará restringida de todo tipo movimiento en uno de sus

bordes, estará sujeta a una fuerza en el eje Y de -100 lbs y un momento 10lbs·in en el

eje Z. Este análisis se interpretara por medio de la ayuda de elementos visuales

integrados en el Pro/MECHANICA, que aportaran un estudio en distintos puntos de

la pieza para determinar como Interactúan al momento de aplicar las cargas y

observar los puntos críticos existentes en el modelo.



8. Seleccionar bracket.prt. Haga click en Abrir.

9. Desactivar todos los iconos de visualización de datos de referencia.




6. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar structure >

Aceptar.


7. Haga click en Materials

8. Seleccionar fe60.mtl (hierro) .

9. Haga click derecho en el material seleccionado en la casilla da materiales y

seleccione propiedades.

10. En la ventana de propiedades elegir como criterio de rotura la Teoria de Energia

de Distorsión (von mises) y dar un limite elástico de 10 MPa y acepte.

11. En la ventana de materiales haga click en aceptar.

12. Haga click en Material Assignment

13. asegurarse de que en la pestaña de materiales de la ventana de asignación de

materiales este seleccionado fe60 y hacer click en Ok.

Actividad 4. Definir las restricciones.

1. Seleccione el ícono .

2. Asegurarse que en la casilla de referencias de la ventana de restriciones este

seleccionado edges/curves(bordes/curvas) y seleccione el borde posterior derecho

de la piesa como lo mnuestra la figura 1.1.


Figura 1.1

3. Dejar las restricciones de traslacion y rotacio en fixed para que la pieza no tenga

ningun tipo de movimiento En el borde.

4. haga click en aceptar.

Actividad 5. Definir las cargas del sistema.


2. Asegurarse de que en la casilla de referencias este seleccionado la opcion

edges/curves y tomar borde que muestra la figura 1.2.


Figura1.2

3. Darle valor a la fuerza en la direccion en Y de -100lbs y un momento de -20

lbs/sec2 en el eje z en la ventana de cargas/momentos y dejar las otras fuerzas y

momentos en 0. aceptar.


3. Haga click en AutoGem > Configuraciones…> Limits.

4. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor 20 y acepte.

Actividad 7. Realizar el Análisis de Elementos Finitos.

1. A continuación se le hará el análisis estático a la estructura, seleccionando en el

ícono perteneciente a la parte de análisis y estudio de Mechanica.

2. De la ventana de Analisis seleccione File > New Static.


3. En la ventana de definicion de analisis estatico, nombrar al analisis como

Bracket_ Static, asegurarse de que LoadSet1 y ConstrainSet1 esten

seleccionados y que el metodo sea Multi-Pass Adaptive. Seleccione el boton

OK.

4. Haga click en Star Run en la ventana de analisis y estudio d Mechanica.


6. Hacer click en Display Study Status para observar los cálculos.

Actividad 8. Revisar los resultados.

9. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar .

10. Hacer click en el ícono bajo Design Study y seleccionar el analisis que se hizo en

el ejercicio anterior. Colocar el display type en Fringe, Quantity en Stress, el

component en Von Mises. Seleccione OK and Show. A continuacion se muestra

la figua 1.3

Figura 1.3

Nota: observe los puntos críticos de la pieza donde se concentran los esfuerzos


11. Seleccionar .

12. Seleccionar el analisis Bracket_static y presione abrir

13. Elija graph como display type, en la seccion de Graph Ordinate elegir Stress, en

component von Mises. En la casilla de Graph Abscissa dejar Curv Arc Length

para la opcion de Relative to. Hacer click en el ícono en la casilla Graph

Location y seleccione el borde donde se aplico la carga y el momento, haga click

en aceptar en la ventana de confirmacion y haga click en OK nuevamente. Para

finalizar haga click en OK and Show para visualizar la grafica.

14. Seleccionar .

15. Seleccionar el analisi Bracket_static y presione abrir




Location y seleccione el borde redondeado de la parte derecha del modelo como

se observa en la figura 1.4, haga click en aceptar en la ventana de confirmacion y

haga click en OK nuevamente. Para finalizar haga click en OK and Show para

visualizar la grafica.


Figura 1.4

17. Seleccionar .

18. Seleccionar el analisi Bracket_static y presione abrir




Location y seleccione el borde donde se aplico la restriccion, haga click en

aceptar en la ventana de confirmacion y haga click en OK nuevamente. Para

finalizar haga click en OK and Show para visualizar la grafica.


Figura 1.5 y Figura 1.6

Figura 1.7

Nota: en sentido horario la primera grafica indica el esfuerzo que sufre la pieza a lo

largo del borde de donde se ejercen las carga y el momento, la segunda grafica indica


el esfuerzo que sufre el borde redondeado y la tercera el esfuerzo que sufre el borde al

que se le aplico la restricción. A partir de los datos que arrojan las graficas se puede

decir que de los tres puntos que se evaluaron el mas critico de todos es el borde que

tiene las restricciones ya que esta sometido a esfuerzos de hasta 3600 (lbm/in sec2)

Ejercicio Propuesto.

Abrir la pieza Bracket.prt

Realizar los pasos del ejercicio práctico, con la diferencia de que solo se aplicara

una carga de -300 lbs en el borde superior y un restricción de movimiento en

toda superficie de la base como lo muestra la figura 1.8.

Figura 1.8


Modulo



Objetivos


Análisis a Estructuras

Modulo



Objetivos


Optimizacion de Diseño Estructural

Optimización de Diseño

El análisis estructural utilizando FEA (Análisis de Elementos Finitos) provee los

medios para evaluar fatiga y esfuerzos que se producen en el modelo, dado las

condiciones de trabajo y el material que lo compone.

Utilizando estas herramientas de análisis y otras integradas en Pro/ENGINEER, se

puede cuantificar el objetivo de diseño de un modelo, este objetivo normalmente esta

directamente relacionado a un número de dimensiones de diseño. Al cambiar los

valores de las dimensiones, o de las variables de diseño, el objetivo de diseño va

cambiar acorde a estos. La herramienta de optimización de diseño busca

automáticamente los mejores valores para las variables de diseño dado los objetivos

de diseño previamente definidos por el usuario.

La herramienta de optimización de diseño de Pro/ENGINEER ajusta

automáticamente uno o más parámetros de diseño en una serie de iteraciones de

análisis del modelo para llegar lo más cerca posible al objetivo satisfaciendo los

límites y restricciones que define el usuario.

Ejercicio 1. Optimización del diseño de un eje y rueda de acero sujeta a una

carga uniforme.

En este ejemplo, para simplificar la solución del problema se asume que el eje y la

rueda son todo un cuerpo de acero, y como objetivo de diseño se quiere minimizar la

masa total del sistema tomando como variable de diseño el ancho de cara de la rueda.

Otros parámetros son:

El material del modelo es acero.

El sistema no puede soportar un esfuerzo de Von Mises mayor a 7x108

(lbm/s2in2).


La carga de trabajo aplicada alrededor de la cara del la rueda es de F= [0; 1x10 7;

0] (lb).

La optimización del diseño se obtendrá en el momento que se tenga el valor

optimo del ancho de cara que permita al modelo tener un mínimo de masa.



11. Seleccionar gear_shaft.prt. Haga click en Abrir.




15. Aparece Mechanica Model Setup, en Tipo de modelo seleccionar structure >

Aceptar.


16. Haga click en Materials

17. Seleccionar steal.mtl (acero) .

18. Haga click derecho en el material seleccionado en la casilla de materiales y

seleccione propiedades.

19. En la ventana de propiedades elegir como criterio de rotura la Teoria de Energia

de Distorsión (von mises) y dar un limite elástico de 20 MPa y acepte.

20. En la ventana de materiales haga click en aceptar.

21. Haga click en Material Assignment

22. asegurarse de que en la pestaña de materiales de la ventana de asignación de

materiales este seleccionado STEEL y hacer click en Ok.


Actividad 4. Definir las restricciones.


6. Asegurarse que en la casilla de referencias de la ventana de restriciones este

seleccionado surfaces(superficies) y seleccione manteniendo presionado el boton

de control el principio y el fin del eje del sistema.

7. dejar las restricciones de traslacion en la opcion de fixed y las de rotacion igual a

ecpcion del eje X en donde se colocara en free.

8. haga click en aceptar.

Actividad 5. Definir las cargas del sistema.


5. Asegurarse de que en la casilla de referencias este seleccionado la opcion surfaces

y tomar el frente de cara de la rueda como referencia.

6. Darle valor a la fuerza en la direccion en Y de -10,000 lbs en la ventana de

cargas/momentos y dejar las otras fuerzas y momentos en 0 y aceptar.


5. Haga click en AutoGem > Configuraciones…> Limits.

6. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor 20 y acepte.

Actividad 7. Realizar el Análisis de Elementos Finitos.

7. A continuación se le hará el análisis estático a la estructura, seleccionando en el

ícono perteneciente a la parte de análisis y estudio de Mechanica.

8. De la ventana de Analisis seleccione File > New Static.


9. En la ventana de definicion de analisis estatico, nombrar al analisis como gear_

Static, asegurarse de que LoadSet1 y ConstrainSet1 esten seleccionados y que

el metodo sea Multi-Pass Adaptive. Seleccione el boton OK.

10. Haga click en Star Run en la ventana de analisis y estudio d Mechanica.



Actividad 8. Realizar el Análisis de sensibilidad Global.

1. De la ventana de Analisis seleccione File > New SensitivityDesign Study…

2. en la ventana consiguiente en la casilla de analisis seleccionar gear_Static .

3. Nombrar el estudio como Gear_Global.

4. Asegurarse que en la casilla de tipo de estudio este seleccionado Global

Sensitivity.

5. Hacer click en el ícono de selección de dimensiones del modelo .

Seleccionar el frente de la cara de la rueda para que aparezca la cota respectiva y

hacer click en esta.

6. en la casilla de variable de la ventana del estudio de sensibilidad colocar 0.5 en la

casilla de start.como se muestra en la figura


7. Haga click en aceptar.

8. En la ventana de analisis seleccionar Gear_Global y hacer click en .



Actividad 9. Revisar los resultados.

20. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar .

21. en la nueva ventana seleccionar graph como display type, en la seccion de Graph

Ordinate hacer click en el ícono de selección de measure y en la nueva ventana

hacer click en la opcion total_mass (masa total), hacer click en OK.

22. en la ventana de definicion de resultado hacer click en OK and Show.


23. seleccionar el ícono .

24. seleccionar el analisis Gear_Global y haga click en abrir.

25. en la nueva ventana seleccionar graph como display type, en la seccion de Graph

Ordinate hacer click en el ícono de selección de measure y en la nueva ventana

hacer click en la opcion max_stress_vm (esfuerzo maximo de Von Mises), hacer

click en OK.

26. en la ventana de definicion de resultado hacer click en OK and Show.

La grafica de la izquierda indica que la masa total del componente es proporcional al

ancho de frente de la rueda, mientas que la grafica de la derecha indica que el valor

mas alto de esfuerzo se encuentra en 3.5 in del frente de la rueda. A partir de esto se

puede decir que para reducir la masa total del sistema se puede reducir el ancho de

cara de la rueda sin variar en mucho el esfuerzo de von mises.

Actividad 10. Estudio de Optimización.

1. De la ventana de Analisis seleccione File > New optimization Design Study…

2. Nombre el estudio cmo Gear_Optimization.

3. Asegúrese de que en la pestaña Type este seleccionada la opción Optimization.


4. En la casilla de objetivo (Goal) seleccionar en la pestaña minimize y dejar

tota_mass como objetivo.

5. En la casilla de design limits seleccionar el ícono (measure), y en la ventana

de measure list seleccionar max_stress_vm y aceptar, colocar el valor de 7x108

(lbm/s2in2).

6. En la casilla de varibles seleccionar el ícono (Select Dimension) y tomar el

ancho de cara de la rueda, seleccionar la cota de esta. Colocar el valor Minimum

como 0.5 y Maximum como 4. haga click en OK.

7. en la ventana de estudios de analisis y diseños hacer Click en Info>Check>

Model para asegurse de que no ocurre singan problema con el modelo. Si no lo

hay hacer clin en para empezar con la optimizacion del proceso.


Actividad 11. Análisis del Estudio de Optimización.

1. En la ventana Analyses and Design Studies seleccionar (asegurarse de haber

seleccionado con anterioridad el estudio de optimizacion).

2. En la nueva ventana seleccionar Fringe como display type, en la pestaña de

Quantity seleccionar Stress y en la casilla de Component seleccionar von

Misses.

3. Hacer click en OK and Show.


En la grafica se puede observar la forma en que el programa optimiza el modelo por

medio de la reducción de ancho de cara de la rueda, dando como resultado la

disminución de la masa total del modelo.


Ejercicio Propuesto. Optimización del diseño de un eje y rueda de acero sujeta a

una carga uniforme.

Practicar el ejercicio 1 con:

Material del modelo: Fe60.

El sistema no puede soportar un esfuerzo de Von Mises mayor a 6x108

(lbm/s2in2).

La carga de trabajo aplicada alrededor de la cara del la rueda es de F= [2 x107;

1x107; 0] (lb).

La optimización del diseño se obtendrá en el momento que se tenga el valor

óptimo del ancho de eje que permita al modelo tener un mínimo de masa.


Modulo

En este modulo aprenderá a analizar problemas de

Transferencia de Calor en Estado Estacionario utilizando las

herramientas que ofrece Pro/MECHANICA Thermal Wildfire

4.0

Objetivos

Seleccionar materiales que ofrezcan mejor resistencia a la transferencia de

calor en base a los análisis realizados en Pro/MECHANICA

Comprobar que al agregarle superficies extendidas a una pieza esta

incrementa exponencialmente su flujo de calor.


Analisis Termico en Estado Estacionario


Transferencia de calor en estado Estable

En el análisis de transferencia de calor con frecuencia se tiene interés es la razón de

esa transferencia de calor a través de un medio, en condiciones y temperaturas

superficiales estacionarias.

La transferencia de calor en estado estable y unidimensional se refiere al hecho de

que solo se necesita una coordenada para describir la variación espacial de las

variables dependientes. Así, en un sistema unidimensional existen gradientes de

temperatura a lo largo de una sola dirección coordenada y la transferencia de calor

ocurre exclusivamente en esa dirección.

Conducción

Es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia o

cuerpo hacia las adyacentes menos energéticas, como resultado de las interacciones

entre esas partículas.

Convección

La convección ocurre siempre que una superficie esta en contacto con un fluido que

tiene temperatura diferente a la de la superficie en cuestión.

Temperatura

Es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema

termodinámico.


Aislante térmico

Un aislante térmico es un material caracterizado por su alta resistencia térmica.

Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderían a

igualarse en temperatura.

El mejor aislante térmico es el vacío, pero debido a la gran dificultad para obtener y

mantener condiciones de vacío, éste se emplea en muy pocas ocasiones. En la

práctica se utiliza aire, que gracias a su baja conductividad térmica y un bajo

coeficiente de absorción de la radiación, constituye un elemento muy resistente al

paso de calor. Sin embargo, el fenómeno de convección que se origina en las cámaras

de aire aumenta sensiblemente su capacidad de transferencia térmica. Por esta razón

se utilizan como aislamiento térmico materiales porosos o fibrosos, capaces de

inmovilizar el aire y confinarlo en el interior de celdillas más o menos estancas. Se

suelen utilizar como aislantes térmicos: lana de roca, fibra de vidrio, vidrio celular,

poliestireno expandido, poliestireno extruido, espuma de poliuretano, aglomerados de

corcho, etc.

Superficies extendidas (Aletas)

Se usan las aletas o superficies extendidas con el fin de incrementar la razón de

transferencia de calor de una superficie, esto se logra porque exponen un área mas

grande a la convección y a la radiación. Las aletas deben se de materiales

intensamente conductores como el aluminio.

En el análisis de las aletas, se considera operación estacionaria sin generación de

calor en la aleta y se supone que la conductividad térmica K del material permanece

constante. También por conveniencia en el análisis, se supone que el coeficiente de

transferencia de calor por convección, h, es constante y uniforme sobre toda la

superficie de la aleta. Se reconoce que, en general, ese coeficiente h varía a lo largo

de la aleta así como de su circunferencia y que su valor en un punto es una fuerte

función del movimiento del fluido en ese punto.


Usualmente se usa una superficie con aletas cuando el fluido convectivo participante

es un gas, ya que los coeficientes convectivos de transferencia de calor para un gas

son usualmente menores que los de un liquido. Las aletas pueden ser con secciones

transversales rectangulares, como tiras que se anexan a lo largo de un tubo, se les

llama aletas longitudinales; o bien discos anulares concéntricos alrededor de un tubo,

se les llama aletas circunferenciales. El espesor de las aletas puede ser uniforme o

variable.

EJERCICIOS PRACTICOS

Ejercicio 1, analizar un tubo de Acero por el cual fluye vapor de agua a 450 ˚F y h int

= 30 lbm / sec3 * ºF, se requiere que al tubo se le coloque una capa aislante de 1 in

espesor, para disminuir las perdidas de calor.

La geometría del tubo es: D1= 3.5 in, D2 = 4 in , L = 39.37 in

Para la capa aislante se presentan dos alternativas de materiales:

Epoxi (K= 9.04606 in*lbm / sec3*˚F)

Fibra de Vidrio (K = 0.02 in*lbm / sec3*˚F)

Las condiciones exteriores del tubo son:

hext = 1 lbm / sec3 * ˚F

Text = 55 ˚F

Se realizara un estudio del tubo con cada uno de los aislantes, y en badea los

resultados que arroje este se seleccionará el mas conveniente.


Pipeline.asm

Ejercicio 2, demostrar que al aumentar el área transversal de una tubería, por medio

de superficies extendidas (aletas), la transferencia de calor es mas alta.

Por medio del tubo de Aluminio 6061 fluye un fluido, a 120 ˚F, esta será también la

temperatura de la base de las aletas, el ambiente donde se encuentra el tubo presenta

las siguientes condiciones:

h = 60 lbm / sec3 * ˚F

T = 25 ˚F

La geometría del tubo sin aletas es:

D1 = 2 in, D2 = 3 in, L =18 in

La de las aletas:

Daleta = 6 in, Espesor = 2 in

Fin2.prt

Nota: Las graficas de los resultados obtenidos serán:

Temp vs. Circunferencia (2πD)

Gradiente de Tepm vs. Circunferencia (2πD)

Flujo de calor vs. Circunferencia (2πD)


EJERCICIO 1. ANALIZAR UNA TUBERIA DE ACERO QUE POSEE UNA

CAPA AISLANTE, CON DOS MATERIALES AISLANTES DIFERENTES

(EPOXI Y FIBRA DE VIDRIO)



14. Seleccionar Pipeline.asm. Haga click en Abrir.





Aceptar.



13. Seleccionar steel.mtl (acero) , epoxi.mtl .

14. Haga click en Directorio de trabajo > fdv.mtl (fibra de vidrio) . Aceptar.

15. Haga click en Asignación del Material

16. Seleccionar Epoxi y la superficie exterior de la pieza. Ok.

17. Seleccionar Steel y la superficie interior de la pieza. Ok.

Actividad 4. Definir las Restricciones

1. Hacer click en Condicion de Convección

2. En la sección Name escribir Pipeline_out.

3. En la sección Convection Coefficient (h) colocar el valor [1].


4. En la sección Bulk Temperature(Tb) colocar el valor [55].

18. Seleccione la superficie exterior de la pieza. Ok.

19. Repita los pasos anteriores pero con Pipeline_in, los

valores: [30], [450] y seleccione la superficie interior de la

pieza, respectivamente.


7. Haga click en AutoGEM> Configuraciones…> Limits.

8. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor

[20] > Ok.

Actividad 6. Crear y definir el análisis Térmico


8. Haga click en File > New Stady State Thermal…

9. En la sección Name escribir Pipeline_epoxi. Dejar el resto de las opciones por

defecto>Ok.

10. Haga click en Correr el Analisis .




27. En la ventana de resultados leer y anotar los siguientes valores:

Temp max

Temp min

Flujo de calor




ACTIVIDAD 4 - 2

30. La ventana Result Window Definition dejar todas las opciones por defecto. Ok

and Show.

Actividad 7 - 4

31. Haga click en Resultados . Seleccionar Pipeline_epoxi > Abrir.

32. En Display Tipe Seleccione Graph. En Graph Ordinate (Vertical) Axis

Seleccionar Temperature. Luego haga click en para seleccionar la región

donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior,

como se muestra en la figura.

33. Haga click en Aceptar > Ok > Ok and Show.


Actividad 7 – 6

34. Repetir los pasos 6 y 7 pero con las otras opciones de Graph Ordinate (Vertical)

Axis (Temp Gradient y Flux).

Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada


Gradiente de Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada

Flujo de Calor Vs. Circunferencia del la curva seleccionada

35. Cerrar la ventana sin guardar los cambios

Actividad 8. Cambiar el material del aislante

1. Cerrar la ventana Analyses and Designe Studies.


2. En el Model Tree haga click derecho en Material asigne 1 > Borrar > Si

3. Hacer click en Aignacion del Material .

4. Seleccionar Fdv y la superficie exterior de la pieza > Ok.

5. Realizar nuevamente las actividades 6 y 7. El nombre del análisis será

Pipeline_Fdv.



Gradiente de Temperatura Vs. Circunferencia del la curva seleccionada


6. Cerrar la ventana sin guardar los cambios y borrar de la memoria.


Actividad 9. Comparar Resultados

En base a los resultados cual material aislante seleccionarías?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________

EJERCICIO 2. ANALIZAR UNA TUBERIA DE ALUMINIO CON

SUPERFICIES EXTENDIDAS



2. Seleccionar Fin2.ptr. Haga click en Abrir.





Aceptar.



2. Seleccionar al6061.mtl . Aceptar.



1. Haga click en Condición de Convección




4. Seleccione todas las superficies extendidas de la pieza > Ok.

5. Haga click en Temperatura Prescrita .

6. En la seccion colocar el valor [120].

7. Seleccione las superficie sin aletas exterior del tubo > Ok.


1. Haga click en AutoGEM > Configuraciones…> Limits.

2. En la sección Max Edge Turn (Degrees) colocar el valor [20].



2. Haga click en File > New Stady State Thermal…

3. En la seccion Name escribir Tube_with_fin. Dejar el resto de las opciones por

defecto> Ok.

4. Haga click en Correr el Analisis




1. En la ventana de resultados leer y anotar los siguientes valores:

Temp max

Temp min

Flujo de calor




4. En la ventana Result Window Definition dejar todas las opciones por defecto.

Ok and Show.

5. Seleccionar Resultados . Seleccionar Tube_with_fin > Abrir.

6. En Display Tipe Seleccione Graph. > Graph Ordinate (Vertical) Axis


donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior

de la superficie extendida, como se muestra en la figura.


8. Repetir los pasos 6 y 7 pero con la opcion Flux de Graph Ordinate (Vertical) Axis




9. Cerrar la ventana sin guardar los cambios y borrar de la memoria.

Actividad 8. Realizar el análisis de la tubería sin superficies extendidas

1. Haga click en Fichero > Cerrar ventana y Borrar de la memoria > No

mostrado > Aceptar.



3. Seleccionar Tube2.ptr. Haga click en Abrir.


5. Repetir las Actividades 2 y 3.

Actividad 9. Definir las restricciones

1. Haga click en Condicion de Conveccion



4. Seleccione la superficie exterior de la pieza > Ok.

5. Haga click en Temperatura Prescrita

6. En la seccion colocar el valor [120].

7. Seleccione las superficie interior del tubo > Ok.

Actividad 10. Anlisis y Resultados.

1. Repetir los pasos de la actividad 6, pero en este caso el análisis se llamara

Tube_without_fin.

2. Repetir los pasos 1, 2,3 y 4 de la actividad 7.

3. Seleccionar Resultados . Seleccionar Tube_without_fin > Abrir.


4. En Display Tipe Seleccione Graph. En Graph Ordinate (Vertical) Axis


donde se va a evaluar la grafica. En la imagen seleccionar todo el borde exterior

del tubo, como se muestra en la figura.


6. Repetir los pasos 6 y 7 pero con la opcion Flux de Graph Ordinate (Vertical)

Axis.




7. Cerrar la ventana y borrar de la memoria

Actividad 11. Comparar Resultados

En base a los resultados, son beneficiosas las aletas para la transferencia de calor del

tubo?

____________________________________________________________________

____________________________________________________________________


Ejercicios Propuestos

Ejercicio 1. Abrir la pieza pipe.asm

Atreves de un tubo de pared delgada fluye vapor, la pared del tubo se mantiene

a temperatura constante de 500 ˚F, el tubo esta cubierto con una capa aislante

compuesta de dos materiales diferentes:

Nylon (k = 11.8259 in*lbm / sec3*˚F)

PVC (k=6.95732 in*lbm / sec3*˚F)

Toda la superficie esta puesta al aire, para el cual: T = 300 ˚F y h = 20 lbm / sec3

* ˚F˚

La geometría de la tubería es:

D1 = 1 in, D2 = 2 in, L = 4 in

En base al análisis determinar cual de los dos materiales presenta un mejor

rendimiento

Temp. Max Temp. Min Flujo de calor

Nylon

PVC

Pipe.asm


Ejercicio 2. Abrir la pieza Fin.prt

Por la tubería de superficies extendidas, fluye un fluido a 180 ˚F, la tubería es de

Aluminio 2014, la pieza presenta la siguiente geometría:

La geometría del tubo sin aletas es:

D1 = 4 in, D2 = 5 in, L =15 in

La de las aletas:

Daleta = 6 in, Espesor = 1 in

Las condiciones exteriores son

h = 40 lbm / sec3 * ˚F

Fin.prt

T = 25 ˚F

En base a los resultados del análisis especifique:

Temp. Max Temp. Min Flujo de calor


Modulo

En este modulo aprenderá a analizar problemas de

Transferencia de Calor en Estado Transitorio utilizando las

herramientas que ofrece Pro/MECHANICA Thermal Wildfire

4.0

Objetivos

Realizar un análisis térmico tomando en cuenta la variación de la temperatura

con el tiempo.

Determinar si el material de la pieza analizada soportara las cargas térmicas a

las cuales será sometido.


Analisis Termico en Estado Transitorio


Transferencia de calor en estado transitorio

En general, la temperatura de un cuerpo varía con el tiempo así como con la posición.

La mayoría de los problemas de transferencia de calor se presentan con la premisa

anterior, es decir, dependen del tiempo. Este tipo de problemas no estables o

transitorios, normalmente ocurren cuando se cambia la transmisión de frontera de un

sistema. Por ejemplo, si se altera la temperatura superficial de un sistema, la

temperatura en cada punto del sistema también comenzara a cambiar. Los cambios

continuaran ocurriendo hasta que se alcance una distribución de temperatura de

estado estable. Estos efectos que dependen del tiempo ocurren en muchos procesos

industriales de calentamiento y enfriamiento.

En los procesos de ingeniería que involucran enfriamiento y calentamiento, el periodo

de transición es de gran interés. El análisis debe ser modificado para tomar en cuenta

el cambio en la energía interna del cuerpo con respecto al tiempo. En

Pro/MECHANICA, este tipo de data es obtenida atreves de Análisis Térmico en

Estado Transitorio (Trasient Thermal Analysis).

Consideraciones para un Análisis Térmico en Estado Transitorio en

Pro/MECHANICA.

El modelo no puede poseer Restricciones de múltiples puntos

Esta disponible solo para modelos 3D con elementos isotrópicos

No se pueden analizar vigas.

Esta disponible solo para análisis Standard, no se pueden realizar análisis de

sensibilidad u optimización.

NOTA: La dependencia del tiempo es una función de multiplicación, por lo

tanto solo se pueden introducir cargas que tengan variación espacial como

producto de dos funciones. Por Ejemplo:

f(x,y,z) * f(time) [SI] f(x,y,z,time) [NO]


Ejercicio

Se le realizara un Análisis térmico en estado transitorio a una versión simplificada de

un Nozzle prototipo de un cohete. Al momento de la ignición, el Nozzle deberá

soportar gases a 1648.8 ˚C. Los gases combinan y alcanzan su máxima temperatura

con el tiempo. La temperatura inicial del Nozzle en de -17.7 ˚C.

El trabajo de los ingenieros es determinar si el motor del cohete, el cual esta

encendido mucho antes del lanzamiento, sobrecalienta el Nozzle. El motor es

encendido 100 segundos antes del lanzamiento. En la superficie interna del Nozzle se

colocara un switch electrónico de advertencia, este alertara a la central de control si el

Nozzle alcanza temperaturas mayores a 1371 ˚C. En adición, también es necesario

asegurar que los gradientes de temperatura del Nozzle no sean muy grandes durante

el encendido inicial. Estas no pueden tener una diferencia mayor a 400 ˚C entre las

superficies internas y externas del Nozzle. Finalmente, se desea tener información de

la temperatura durante la cuenta regresiva (o segundos), a la mitad de la ignición (50

segundos) y justo antes del despegue.

Se usara Pro/Mechanica para determinar:

Cuanto tiempo después del encendido le tomara al la superficie revestida

alcanzar 1375 ˚C

Si hay algún gradiente de temperatura considerable durante la ignición que

cause que la parte falle

Cual es el comportamiento de la temperatura en cuatro espacios de tiempo

diferentes.

Nozzle.prt


EJERCICIO 1. ANALIZAR LA VARIACION DE LA TEMPERATURA CON

RESPECTO AL TIEMPO DEL NOZZLE DE UN COHETE.



17. Seleccionar Nozzle.part Haga click en Abrir.





Aceptar.



21. Haga click en Directorio de trabajo > Ceramic.mtl > Si > Aceptar.

22. Haga click en Asignacion del Material > Ok.


5. Hacer click en Condición de Convección

6. En la sección Name escribir Flame.


8. En la sección Bulk Temperatur (Tb) colocar el valor [1].

23. Seleccione la opción Time Dependent > f(x) > Definiton > Table.

24. Haga click en Add Row. En Start at introduce [1] y en Num Rows [11] > Ok.

Introduce los siguientes valores:


0 -17.7

10 271.6

20 552.2

30 815.5

40 1053.5

50 1258.9

60 1425.6

70 1548.3

80 1623.5

90 1648.8

100 1648.8

NOTA: Verifica que las opciones de la grafica sean Linear – Linear

25. Click Review > Graph. La grafica debe quedar:

26. Cerrar la ventana > Done > Ok.

27. Selecciona la parte interna de la pieza > Ok.




14. Haga click en File > New Transient Thermal…

15. En la seccion Name escribir Nozzle_transient.

16. En la pestaña de Temperatura colocar [-17.7] como temperatura inicial.

17. En la pestaña Output

Desactiva Auto para el rango de tiempo. Colocar el valor [120] en

Maximum.

En Output Intervals > User – defined Output Intervals, en Number of

Master Intervals coloca [3]. Luego haga click en User – Defined Steps.

Para el intervalo 0 [0 segundos], para el intervalo 1 [50 segundos], para el

intervalo 2 [100 segundos], para el intervalo 3 [120 segundos]. Activa todas

las casillas de Full Results.> Ok.

18. Haga click en Correr el Analisis



21. Cerrar las ventanas de Diagnostics y Run Status.


36. En la ventana Analyses and Designe Studies seleccionar Analisis

37. La ventana Result Window Definition haga click en Display type > Graph >

Graph Ordinate (Vetical) Axis > Measure >

38. En la ventana Measure seleccione Max_dyn_temp > Ok > Ok and Show.


Temperatura Maxima Vs. Tiempo

39. Usando la tabla anterior, determina a que temperatura el Nozzle alcanza la

temperatura de 1371 C: ________. Es antes de la elevación (100 segundos)?

_________________.

40. Repita el paso 3 pero seleccione Max_dyn_flux_mag


Maximo Flujo de Calor Vs. Tiempo

41. Cual es el máximo flujo de calor?

____________________________________________________________________

42. Cierre los resultados anteriores y abra nuevamente la ventana Result Window

Definition y abre las graficas de gradientes de temperatura para cada uno de los 4

tiempos que se muestran. En cualquier punto de la superficie.

43. Alguno de los gradientes de temperatura exceden los 400 ˚C?

__________________. Existe alguna razón para preocuparse de que el

revestimiento falle?________________________________

44. Cerrar la ventana sin guardar los cambios.

45. Cerrar la ventana y Borrar de la Memoria

Ejercicio Propuesto.


Abrir la pieza Nozzle2.prt

Realizar los pasos del ejercicio práctico (Con los mismos datos y material), y

determinar si la variación de la geometría del Nozzle influye sobre los

resultados.

1. El Nozzle alcanza la temperatura de 1371 C: ________. Es antes de la

elevación (100 segundos)? _________________.

2. Cual es el máximo flujo de calor?

____________________________________________________________________

3. Alguno de los gradientes de temperatura exceden los 400 ˚C?

__________________. Existe alguna razón para preocuparse de que el

revestimiento falle?________________________________

Nozzle_2.prt


Manual de Pro Mechanic A Wildfire

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