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Taller ANSYS Mechanical Análisis Cinemático y Estructural de un Brazo Robótico.

21/04/2016

Automatización y Tecnología 10

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Iniciar ANSYS 1. 2. 3. 4.

Se despliega la aplicación ANSYS Workbench, la cual administra nuestros proyectos de análisis. La forma grafica en la que se muestra la construcción del análisis es muy fácil de interpretar para darnos cuenta de como fue construido nuestro modelo.

Inicio Todos los programas ANSYS Workbench

Generamos un directorio en el que se guardarán los datos de nuestro análisis.

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1. 2.

3. Escritorio 4. Nueva carpeta 5. Asignamos un nombre a la nueva carpeta

File Save As

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6. Abrimos la carpeta y asignamos un nombre a nuestro proyecto 7. Guardar

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Tipo de análisis Insertamos el sistema de análisis “Rigid Body Dynamics” 1. Seleccionamos “Rigid Body Dynamics” 2. Arrastramos al esquema del proyecto 3. Soltamos cuando el recuadro que indica la posición cambie de verde a rojo

Editamos los datos de ingeniería para asignar los materiales con los que trabajaremos. 1. Clic derecho en la celda “Engineering Data”. 2. Editar.

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Datos de Ingeniería

Propiedades Físicas

Tabla de Propiedades Librería de Materiales

Grafica de Propiedades Propiedades

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Geometría Abrimos DesignModeler. 1. Clic derecho en la celda “Geometry” 2. New DesignModeler Geometry

Barra de Menús Barra de Herramientas

Árbol de Construcción

Interface DesingModeler

Ventana de Gráficos

Ventana de Detalles

Barra de Estado

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… Geometría Utilizaremos una geometría existente

1. Clic en File 2. Clic en “Import External Geometry File” 3. Seleccionamos el archivo “Geometría.stp” 4. Abrir

5. Clic “Generate”

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…Geometría Podemos observar que se genero una geometría que representa un brazo robótico, que es constituido por 7 cuerpos que están nombrados con números, esto para tener una identificación mas fácil cuando hagamos el análisis.

Salimos de DesignModler 1. Clic en File 2. Close DesignModeler 21/04/2016

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Mechanical Podemos ver que en la celda de Geometry apareció un icono con una palomita verde el cual indica que la parte de geometría esta completa

Al tener completa la parte de geometría continuamos con la parte del mallado 1. Clic derecho en la celda “Model” 2. Clic en “Edit”

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… Mechanical Interface Mechanical

Barra de Menús Barra de Herramientas

ANSYS Mechanical es la interface en la que nosotros: 1. Generaremos la malla 2. Aplicaremos las condiciones iniciales 3. Resolveremos 4. Visulizaremos resultados

Ventana de Gráficos

Árbol de Construcción

Ventana de Detalles

Barra de Estado

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… Mechanical La metodología y el orden que necesitamos para el análisis es comenzar por la parte superior del árbol de construcción: 1. Asignando propiedades a los cuerpos. 2. Usando coordenadas locales y/o globales. 3. Definiendo conexiones en el caso de ensambles. 4. Generando los elementos y nodos a través de una malla. 5. Aplicando las condiciones de frontera. 6. Resolviendo. 7. Revisando resultados.

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Conexiones ANSYS genera contactos en los cuerpos donde las superficies que los relacionan están a una distancia relativamente pequeña. Los contactos que ANSYS les asigna por defecto son “Bonded” que se comportan como si estuvieran completamente pegados. Para este análisis no trabajaremos con contactos, si no, con articulaciones.

Borramos la carpeta “Contacts” 1. Clic derecho en “Contacts” 2. “Delete”

3. Clic en “Sí”

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… Conexiones Aplicaremos las articulaciones entre las partes, para poder generar el movimiento deseado. Generamos una nueva carpeta de Conecciones 1. Clic derecho en “Connections” 2. Clic “Insert” 3. Clic en “Connection Group”

Se genera una nueva carpeta la cual le cambiaremos el tipo de conexión 1. Clic en la celda “Connection Type” 2. Clic en “Joint”

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… Conexiones Teniendo seleccionada la carpeta “Connection Group” aplicamos la primer conexión. 1. Clic en la herramienta “Body-Ground” 2. Clic en “Fixed”

Se genero una conexión en la carpeta que ahora se llama “Joints”, esta conexión tiene un icono de signo de interrogación. Estos signos aparecen cuando el software no puede generar algo automático y nos pide ingresar una cantidad, o seleccionar geometría o aplicar alguna condición extra en una rama del árbol anterior. En el caso de las unidades y selecciones geométricas comúnmente aparecerán celdas en amarillo que son las que tenemos que editar. 21/04/2016

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… Conexiones

5. Clic en la celda amarilla de “Scope” al nivel de “Mobile” en la ventana de detalles

Tendremos como geometría fija los orificios en la placa inferior, asumiendo que están sujetadas por tornillos.

1. Verificamos que este activado el filtro de selección por caras Podemos tener un mas fácil acceso a los soportes 2. Seleccionar una cara del cuerpo 3. Clic derecho 4. Clic “Hide All Other Bodies”

Se ocultan los demás cuerpos y podemos manipular de mejor manera la selección.

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6. Oprimiendo el botón “Ctrl”, seleccionamos las 3 superficies internas. 7. Repetimos el paso 6 para los demás soportes. Cuando tengamos seleccionados los cuatro soportes 8. Clic en “Apply”

Tenemos 12 caras como selección del soporte, también podemos ver que el icono de la rama de conexión ha cambiado y esta completa la conexión.

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… Conexiones Mostramos todos los cuerpos haciendo clic derecho en la ventana de graficos y clic en “Show All Bodies” Aplicaremos una conexión entre el cuerpo 1 y el cuerpo 2

Teniendo seleccionada la rama con la carpeta “Joints” 1. Clic en “Body-Body” 2. Clic en “Fixed”

Se agrego una nueva conexión en mi carpeta de “Joints” La cual nos pide selección geométrica para los dos cuerpos que están involucrados.

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… Conexiones 3. Clic en la herramienta “Body Views” Esta herramienta nos ayudara en la selección geométrica de las demás conexiones puesto que es algo complicado estar ocultando y mostrando cuerpos. En nuestra ventana de gráficos aparecieron dos nuevas ventanas en las cuales se mostrara exclusivamente el componente al que queramos aplicarle las selecciones.

Podemos observar que el cuerpo uno fue asignado a la ventana superior derecha individualmente, en donde podremos tener acceso a la selección geométrica de caras, bordes o puntos, sin que alguna geometría externa se interponga.

6. Clic en la superficie superior 7. Cilc en “Apply”

4. Clic en la celda amarilla de “Scope” al nivel de “Reference” Vemos que la cara tomo un color rojo, que es el color que se le asigna a la geometría de referencia.

5. Seleccionamos cualquier cara de nuestro cuerpo 1 21/04/2016

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… Conexiones 4. Clic en “Apply” Aplicamos la siguiente selección, que indicara que esas caras en común están fijas. 1. Clic en la celda amarilla de “Scope” al nivel de “Mobile”

2. Seleccionamos cualquier superficie del cuerpo 2

Hemos generado una conexión entre el cuerpo 1 y el cuerpo 2 del tipo “Fixed”. Esto haría referencia a que las piezas están soldadas o pegadas. Pero que son dos cuerpos distintos.

Podemos observar que entre los cuerpos no existe ningún grado de libertad en la ventana de gráficos en la parte superior izquierda

3. Rotamos el cuerpo en la ventana inferior derecha y seleccionamos la cara inferior 21/04/2016

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… Conexiones Aplicaremos una conexión entre el cuerpo 2 y el cuerpo 3

Teniendo seleccionada la rama con la carpeta “Joints” 1. Clic en “Body-Body” 2. Clic en “Revolute” La junta “Revolute” tiene como grado de libertad una rotación entre cuerpos

Se agrego una nueva conexión en mi carpeta de “Joints” La cual nos pide selección geométrica para los dos cuerpos que están involucrados.

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… Conexiones

Podemos observar que el cuerpo uno fue asignado a la ventana superior derecha individualmente, en donde podremos tener acceso a la selección geométrica de caras, bordes o puntos, sin que alguna geometría externa se interponga.

3. Clic en la herramienta “Body Views”

6. Clic en la superficie interior de la parte superior. 7. Cilc en “Apply”

4. Clic en la celda amarilla de “Scope” al nivel de “Reference”

Vemos que la cara tomo un color rojo, que es el color que se le asigna a la geometría de referencia.

5. Seleccionamos cualquier cara de nuestro cuerpo 2 21/04/2016

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… Conexiones 4. Clic en “Apply” Aplicamos la siguiente selección, que indicara que existe una posible rotación entre esas caras 1. Clic en la celda amarilla de “Scope” al nivel de “Mobile”

2. Seleccionamos cualquier superficie del cuerpo 3

Hemos generado una conexión entre el cuerpo 1 y el cuerpo 2 del tipo “Revolute”. Esto haría referencia a que las piezas están unidas por una articulación que permite una rotación entre ellos.

Podemos observar que entre los cuerpos existe solo un grado de libertad que es la rotación en el eje Z (RZ) en la ventana de gráficos en la parte superior izquierda

3. Rotamos el cuerpo en la ventana inferior derecha y seleccionamos la cara inferior 21/04/2016

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… Conexiones Para los demás cuerpos asignaremos la misma conexión “Revolute” siguiendo los mismos pasos. Al final mi árbol de construcción y mi modelo quedaría de la siguiente forma

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Mallado Generaremos una malla, la cual ANSYS genera automáticamente. 1. Clic derecho en la rama “Mesh” 2. Clic en “Generate Mesh”

Cambiara el icono de que acompaña la rama de “Mesh” por el de una palomita verde indicando que tenemos una malla. Visualmente no vemos una malla, ya que para este primer análisis trabajamos con cuerpos rígidos y analizaremos solamente la cinemática del modelo y no la estructura interna.

Si nos dirigimos a la ventana de detalles, y expandemos la celda “Statistics” observamos que solo tenemos: • 7 elementos • 7 nodos Esto debido a que no es necesario mallar la estructura interna del modelo.

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Condiciones del análisis Debido a que nuestro análisis consiste en el movimiento del robot en dos tiempos, tenemos que especificar que el análisis tendrá dos instantes de tiempo.

1. Clic en “Analysis Settings” 2. Clic en la celda de “Number of Steps” 3. Cambiamos el valor por un 3 Podemos ver que ahora nuestra grafica se ha dividido en tres. Esto me permitirá agregar condiciones iniciales para un tiempo uno, y después modificar para un tiempo 2 y un tiempo 3

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Cargas Aplicaremos rotaciones en las articulaciones del brazo robótico, para realizar los movimientos. Situados en la rama “”Transient (A2)” aplicaremos una carga de articulación.

1. Clic en la herramienta “Load” 2. Clic en “Joint Load”

Podemos observar que se genero un nuevo objeto con el nombre “Joint Load”, el cual en la ventana de detalles nos pide ingresar algunos datos.

1. Clic en la celda amarilla “Joint” 2. Seleccionamos la primer articulación (Revolute 2 a 3) 3. Clic en la celda “Type” y seleccionamos “Rotation” 4. Clic en la celda “Magnitude” y seleccionamos “Tabular”

En pocas palabras, insertamos una carga del tipo rotación en la articulación del cuerpo 2 y 3 que será definida mediante una tabla 21/04/2016

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Cargas ANSYS por defecto asigna el valor de cero a la tabla, pero nosotros podemos definir valores manualmente.

Regresamos a la ventana de ANSYS Mechanical pasa insertar estos datos.

1. Clic en la celda “Rotation” (Letras rojas) 2. Clic derecho 3. Clic en “Paste Cell”

Abrimos el archivo de Excel que tiene el nombre “Movimientos” Una vez abierto 1. Seleccionamos los elementos de la columna “Joint 1 (2-3)” 2. Clic en Copiar o “Ctrl-C”

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Estos movimientos corresponden a los grados que girará nuesta ariculaciona travez del tiempo, en el primer instante estará en 0°, después rotara -30°, a continuación a 60° y al final terminara en 22°

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… Cargas Realizaremos los pasos anteriores para las siguientes articulaciones.

Joint 1 (2-3)

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Joint 2 (3-4)

Joint 3 (4-5)

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Joint 4 (5-6)

Joint 5 (6-7)

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Solución Podemos observar que todas las ramas del árbol de construcción tiene el icono de una palomita verde, indicando que nuestro modelo se ha resuelto satisfactoriamente.

Teniendo aplicadas todas nuestras cargas, proseguimos con la solución. 1. Clic derecho en la rama “Solution (A6) 2. Clic “Solve”

Se despliega una ventana con el progreso de nuestra solución.

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Post-procesamiento Lo siguiente es revisar nuestros resultados.

1. Clic derecho en la rama “Solution (A6) 2. Clic “Insert” 3. Clic “Deformation” 4. Clic “Total Deformation”

Se ha insertado un nuevo objeto en la rama de solución, el cual nos dará la información de la deformación total de nuestro modelo 1. Clic derecho en la rama “Total Deformation” 2. Clic “Evaluate All Results”

Podemos observar los resultados de una deformación total del modelo

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Animación Una de las formas de visualizar resultados es ver la animación

Para mejorar la animación, haremos algunos ajustes.

1. Cambiamos el tiempo de animación por 3 que corresponde a el tiempo del análisis 2. Cambiamos el numero de fotogramas por 100

Esto con la intención de tener una animación mas agradable

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Análisis Estructural Cerramos la aplicación Mechanical

Remplazaremos este análisis con un Transitorio Estructural

1. Clic “File” 2. Clic “Close Mechanical”

1. Clic derecho en la celda “Rigid Dynamics” 2. Clic “Remplace With” 3. Clic “Transient Structural”

Ahora generaremos un análisis estructural con las mismas condiciones que ya aplicamos. 1. Clic derecho en la celda “Rigid Dynamics” 2. Clic “Duplicate” Se genera un nuevo sistema de análisis con las mismas condiciones del que ya realizamos anteriormente

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Podemos ver que ahora tenemos un sistema de análisis diferente al anterior, pero que contiene las condiciones y cargas del primero Automatización y Tecnología 10

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Condiciones del análisis Abriremos la aplicación Mechanical, pero ahora con un solver distinto

1. Clic derecho en “Setup” del sistema “Transient Structural” 2. Clic “Edit”

Podemos ver que se ejecuta la aplicación Mechanical, y en el árbol de construcción están aplicados los objetos que insertamos anteriormente, como las articulaciones y sus movimientos

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Rígido a Flexible Cambiaremos el comportamiento rígido de uno de nuestros componentes del modelo, por un comportamiento flexible. Notemos que ahora la rama de “Mesh” ha cambiado de estar completa a necesitar un update, esto se debe a que ahora necesitamos generar una nueva malla para poder realizar un análisis estructural a mi pieza con comportamiento flexible

1. Expandamos la rama “Model” 2. Expandamos el componente “1” 3. Clic en la celda de “Stiffness Behavior” 4. Cambiamos a “Flexible”

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Malla Generaremos una nueva malla con un ajuste para que sea un poco mas fina.

5. Clic derecho en la rama de “Mesh” 6. Clic en “Generate Mesh”

1. Seleccionamos la rama de “Mesh” 2. En la ventana de detalles expandemos la opción de “Sizing” 3. Clic en la celda “Relevance Center” 4. Cambiamos a “Medium”

Podemos ver que en esta ocacion se ha generado una malla para la parte que le asignamos un comportamiento flexible

Con esto mejoraremos un poco la calidad del mallado generando elementos mas pequeños.

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Condiciones del análisis Observemos que en la rama de “Analsis Settings” aparece un signo de interrogación, esto indica que tenemos que agregar información, ya que el software no lo puede hacer automáticamente Estos datos que daremos de entrada, se refieren a los incrementos en el tiempo con los que ANSYS realizara las operaciones, se refieren al tiempo mínimo, máximo e inicial.

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Condiciones del análisis Seleccionamos los tres instantes de tiempo, haciendo clic en las barritas inferiores que contienen el numero de tiempo.

Ingresamos los siguientes datos.

Initial Time Step = 0.05 Minimum Time Step = 0.005 Maximum Time Step = 0.05

1. Ctrl + Clic en las tres barritas

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Condiciones del análisis Otro factor que afecta en un análisis estructural es la presencia de la gravedad, para esto insertaremos una carga que represente este factor

Cambiamos la dirección en la que esta orientada la gravedad 4. Clic en la celda de “Orientation” 5. Cambiamos por “-Y Direction”

1. Seleccionamos la rama “Transient” 2. Clic en la herramienta “Inertial” 3. Clic en “Standard Earth Gravity”

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Solución 1. Seleccionamos la rama de “Solution (B6)” 2. Clic derecho 3. Clic “Solve”

Observamos que la solución tarda mas que la anterior, debido a que ahora ANSYS esta resolviendo operaciones para cada 0.05 seg que fue el tiempo que ingresamos como máximo

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Post-procesamiento Teniendo resulto el modelos, ahora podemos pedir resultados de estrés en mi placa base

Obtenemos resultados de tensión en nuestra placa, correspondientes al ultimo instante de tiempo.

1. Seleccionamos la rama “Solution (B6)” 2. Clic en la herramienta “Stress” 3. Clic en “Equivalent von-Mises

4. Seleccionamos la rama “Equivalent Stress” 5. Clic “Evaluate All Results”

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Post-procesamiento Para visualizar el esfuerzo máximo que alcanza nuestra pieza

1. Clic en la grafica sobre el punto verde que este mas alto 2. Clic derecho 3. Clic “Retrieve This Results”

Ahora nos presenta la tensión máxima alcanzada a través de la prueba.

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