Mejores prácticas de simulación computacional para equipos de competición
La simulación computacional es cada vez más una herramienta fundamental para cualquier ingeniero. Por tal motivo, el sector académico de ESSS en conjunto con algunas universidades están promoviendo la utilización de herramientas de simulación CAE (Computer Aided Engineering) en la vida académica de los futuros profesionales de la tecnología. De esta manera, la simulación pasa a formar parte de los conocimientos de los ingenieros ya desde el inicio de su carrera, haciéndolos más aptos para el mercado laboral y permitiendo la innovación tecnológica.
Actualmente, ESSS trabaja en conjunto con más de 100 equipos de competición de las universidades de Brasil y del mundo, ofreciendo licencias académicas de herramientas Ansys y potenciando los recursos de equipos para que logren desarrollar proyectos excepcionales. Entre ellos, se destaca Baja SAE, un desafío creado para los estudiantes de Ingeniería, el cual consiste en la creación de un proyecto y el desarrollo de un vehículo off road para aplicar en la práctica los conocimientos adquiridos en el aula.
Como manera de fortalecer aún más este modelo de alianza, nuestro sector académico, mantiene contacto con los equipos de competición, clientes de ESSS, para asistirlos cuando se manifiesten repetidas dificultades y para resolver las dudas más frecuentes que se presenten durante la utilización de herramientas Ansys.
Basado en un relevamiento de datos realizado con equipos aliados, este post tiene el objetivo de proporcionar sugerencias sobre simulación estructural (FEA) y simulación fluidodinámica (CFD) utilizando las mejores prácticas de las herramientas Ansys para académicos.
Ansys Mechanical para simulaciones estructurales (FEA)
Un estudio bastante común, principalmente para los equipos de Baja SAE, es el análisis del proyecto de chasis. Para mejorar la eficiencia de las simulaciones a realizar con el modelo de chasis, una operación de gran utilidad, es transformar el modelo CAD (Computer Aided Design) que generalmente está constituído de tubos, en elementos de viga, con el fin de simplificar el esfuerzo computacional durante la simulación, ofreciendo un resultado satisfactorio. Esta operación puede realizarse seleccionando todos los tubos del modelo 3D y haciendo clic en la opción «extract/extraer» en el menú “Prepare/Preparar” de Ansys SpaceClaim, como se muestra en la siguiente imagen:
Los perfiles tubulares son reconocidos por SpaceClaim y son guardados según sus características en el panel situado a la izquierda. Esto permite mantener la fidelidad de las características físicas del prototipo durante la simulación. También es posible editar los perfiles extraídos o crear nuevos. El cambio de los perfiles obtenidos automáticamente por un nuevo perfil tubular puede simplificar la simulación, de modo que este nuevo perfil se aplique a toda la estructura. El usuario, debe evaluar si dicho cambio no compromete la validez de los resultados que se obtengan.
La representación del modelo 3D se modifica a una estructura en líneas, que representa los elementos de viga, todavía conservando las propiedades de los perfiles tubulares. A menudo, es necesario reparar algunos detalles después de la operación de extracción de perfiles. Para eso, se debe realizar un procedimiento secundario de conexión.
Al seleccionar la herramienta “connect/conectar” e indicar la distancia máxima para la búsqueda de fallas -que configuran regiones de potencial reparación- los resultados encontrados se destacarán en color rojo en las regiones que potencialmente necesiten dicha reparación.
El usuario debe revisar las indicaciones encontradas por el software y seleccionar manualmente las regiones en las que hay intención de ser conectadas, ya que es posible que SpaceClaim identifique regiones en las que no se desea crear una nueva conexión.
Al final del proceso, se recomienda utilizar la herramienta “share topology” para unificar la geometría y prepararla para el proceso de simulación en Ansys Mechanical.
A continuación, se presentan las orientaciones básicas para la simulación de pruebas estructurales que suelen realizar los equipos con el fin de evaluar las cuestiones de seguridad del chasis desarrollado.
Prueba de impacto frontal
Se recomienda utilizar restricciones fijas en la región central del chasis, distribuidas simétricamente en relación al eje longitudinal, también es suficientemente adecuado para este caso, sin necesidad de restringir la región más trasera del chasis. La fuerza, sin embargo, se aplica a la entidad geométrica más frontal del modelo y dirigida hacia el centro del chasis, para simular, de hecho, un impacto idealmente frontal.
Prueba de impacto lateral
En la prueba de impacto lateral, las restricciones deben aplicarse sólo en uno de sus lados, en todas las entidades estructurales laterales de la región entre ejes.
La fuerza se aplica en el lado opuesto a la restricción, pudiendo ser en una sola entidad geométrica, siempre y cuando la geometría del chasis permita seleccionarla de manera que no haga conexión directa con otras regiones del chasis que no formen parte de la región lateral. O bien, como en el caso de la siguiente imagen, no habiendo una región lateral aislada, hay que seleccionar todas las entidades que componen dicha región, ya que se unen en un vértice. Un error común aquí, sería aplicar la fuerza a este vértice.
Prueba de torsión
Otra prueba bastante común es la prueba de torsión, que tiene algunas peculiaridades. En general, esta simulación se utiliza para evaluar los índices de rigidez torsional del chasis. Una recomendación para este caso, es restringir un extremo del chasis y aplicar una torsión en el extremo opuesto; sin embargo, esta restricción, a diferencia de las anteriores, debe ser del tipo “simply supported”, para poder permitir la rotación, sin resistencia de momento.
Las fuerzas se aplican en sentidos opuestos, con la intención de configurar un modelo de torsión en los vértices correspondientes, al lado de cada fuerza en la región del chasis opuesta a la restricción. Es decir, tomando como referencia la imagen de ejemplo que se muestra a continuación, las fuerzas se aplican a una región frontal del chasis caracterizada por una geometría similar a la de un cubo; por lo tanto, la fuerza con dirección ascendente se distribuye en los cuatro vértices de la izquierda, mientras que la otra fuerza, con dirección descendente, se distribuye en los cuatro vértices del lado opuesto.
Ansys Fluent para simulaciones fluidodinámicas (CFD)
Las simulaciones fluidodinámicas las realizan mayormente los equipos de Fórmula SAE, con la intención de evaluar el rendimiento aerodinámico de sus prototipos o la eficiencia de los sistemas de refrigeración. Aquí presentaremos algunas recomendaciones sobre las simulaciones aerodinámicas realizadas en Ansys Fluent – el software CFD (Computational Fluid Dynamics) de Ansys más utilizado por los miembros de los equipos de competición.
Preprocesamiento
Con el fin de optimizar el proceso, simulaciones fluidodinámicas generalmente suelen requerir de la preparación de la geometría para simplificar ciertos detalles estructurales. En el caso de un prototipo de equipo de competición, por ejemplo, no es necesario mantener la geometría tubular del modelo de chasis durante el análisis CFD. Las entidades tubulares deben simplificarse en líneas, y a partir del modelo simplificado, crear superficies que conecten el modelo para transformar el chasis en un cuerpo sólido cerrado. Esto se recomienda porque esta modificación tiene el potencial de disminuir considerablemente el esfuerzo computacional requerido para la simulación, mientras que tiende a presentar resultados muy cercanos al modelo original, más complejo, incluso con una malla más simple, debido a la simplificación de la geometría.
Para obtener dicho modelo mencionado a partir de un modelo de chasis tubular, primeramente se debe realizar el mismo procedimiento de extracción de perfiles tubulares para elementos de viga que se describen anteriormente. Luego de esta etapa, se debe utilizar la herramienta “fill/llenar” para crear superficies entre las líneas del modelo y transformarlo en un cuerpo cerrado. Para ello, basta con seleccionar las líneas que constituyen el perímetro de la superficie a crear y continuar haciendo clic en la marca de verificación verde. El procedimiento debe realizarse por separado para cada una de las superficies.
Después de completar la etapa de superficies, el modelo debería asemejarse a la siguiente imagen. A continuación, se debe utilizar la herramienta “stitch/sutura” para garantizar que el modelo de casco se convierta en sólido. Seleccionar todas las superficies creadas y hacer clic en la herramienta indicada.
La creación de un sólido se da automáticamente luego del proceso de sutura de las superficies y el modelo deberá tener el aspecto de cuerpo sólido, como lo demuestra la siguiente imagen.
Una vez obtenido el chasis en formato de cuerpo sólido, el mismo se puede acoplar con el resto de subsistemas del prototipo, tales como carenados, alas, neumáticos, ruedas, etc. mediante operaciones de unión con herramientas CAD, hasta obtener el modelo completo del vehículo preparado para la simulación CFD.
Otra recomendación importante para cuando se preparan análisis CFD de este tipo, es aprovechar la simetría del modelo para desarrollar la simulación, utilizando sólo un lado del vehículo. Aplicando correctamente las condiciones de simetría, se requiere un menor esfuerzo computacional durante los cálculos y se obtienen los mismos resultados de forma más eficiente. Ansys dispone de opciones preparadas de reconocimiento de simetría en sus módulos, simplemente seleccionar “symmetry” al aplicar las condiciones de contorno en el lugar de simetría deseado.
Refinamiento de malla
La malla de un modelo, es el principal factor determinante para el adecuado resultado de una simulación CFD. El refinamiento de malla, es un cuidado que se recomienda para utilizarse en regiones con detalles delicados y que presenten gran potencial de interferencia en el resultado a obtener por CFD.
Partiendo de un modelo de prototipo FSAE listo para la simulación, con el dominio de la región de flujo ya debidamente elaborado, la recomendación es crear regiones de refinamiento de malla próximas al vehículo y también en la parte trasera, región en la que el comportamiento del flujo es caótico, debido a la perturbación creada por la interacción del fluido con la geometría del vehículo.
El refinamiento de la malla puede crearse a través de la opción “body of influence”, disponible a través de la herramienta “Add local sizing”, presentada por defecto en el árbol de trabajo de Fluent Meshing. La malla correctamente refinada debería tener un aspecto similar al de la imagen que se demuestra a continuación. El modelo del vehículo está situado en la región central del dominio, dirigido en la dirección negativa del eje X, aunque no se visualiza en la imagen, debido al pequeño tamaño de los elementos creados a partir del refinamiento de la malla.
Se recomienda también, utilizar una malla adecuada para las regiones de desarrollo de la capa límite. Para ello, hay que utilizar las herramientas de “inflation” o la opción “add boundary layer”, disponibles en Fluent Meshing, en las regiones referidas a la geometría del prototipo analizado. Los parámetros relativos al número de capas, proporción de crecimiento y proporción de transición, pueden modificarse hasta obtener un valor de y+ adecuado para la simulación. Recordando que los valores indicados de y+ cambian según el modelo de turbulencia utilizado. La aplicación del refinamiento de la malla en las regiones de la capa límite puede observarse en la siguiente imagen, en el contorno de la boquilla del prototipo utilizado como ejemplo.
Análisis de resultados
Es importante entender que una simulación CFD, a pesar de presentar convergencia en su solución final y resultados cercanos a los esperados, no refleja necesariamente el rendimiento real del modelo físico. Esto se debe a que el resultado de la simulación se calcula según la malla elaborada en el modelo importado. Si el modelo elaborado en CAD no tiene una alta fidelidad al modelo físico real, o si la malla es demasiado gruesa, se llega a la convergencia para este modelo, más grueso y no fiel al real. Por lo tanto, es necesario comparar los resultados para encontrar algún tipo de validación; preferiblemente, una simulación CFD debería ir siempre acompañada de validaciones con modelos físicos. Una alternativa para adquirir credibilidad sólo con herramientas computacionales, es realizar un estudio de convergencia de malla. Sin embargo, aunque esto atribuye solidez al análisis, se reitera que, idealmente, esto no excluye la necesidad de una validación física posterior.
El estudio propuesto consiste en crear mallas con diferentes niveles de refinamiento (y consiguiente número de elementos de malla) luego evaluar la diferencia de resultados obtenidos en una variable determinada. En este caso de simulación aerodinámica, se pueden utilizar, por ejemplo, los valores de «cd» (coeficiente de arrastre) o «cl» (coeficiente de sustentación) como parámetro comparativo. Cada simulación con diferente nivel de malla, presentará potencialmente diferentes valores de dichas variables. Los valores obtenidos pueden representarse en un gráfico para analizar la diferencia entre las cifras de una simulación y otra. El proceso se repite varias veces, afinando cada vez más la malla, hasta el momento en que el resultado obtenido en la variable elegida es insignificante, según el juicio del analista. A partir del concepto de convergencia, se entiende, por tanto, que la simulación garantiza la convergencia de la malla.
Además, es importante mencionar que la convergencia de una variable obtenida en el resultado de la simulación es más relevante que la convergencia de los residuos. Esto se debe a que la variable elegida representa directamente las características del modelo geométrico utilizado, mientras que los valores residuales representan indicadores generales de la simulación y no particulares de cada caso.
