En Decide On Naval nuestra mayor preocupación es la calidad de la información que ofrecemos al usuario, es por ello que cada especialidad dispone de un profesional de referencia para asegurarnos de que así sea.
Juan Herrero es nuestro embajador en la especialidad de estructuras navales y se encarga de la validación de toda la información relacionada con esta especialidad. Ofreciendo una visión general a nivel profesional que ayuda al usuario interesado en el subsector a entender con un solo vistazo el mundo de las estructuras navales.
OPINIONES DE ESPECIALISTAS
Datos de interés
El proceso de diseño y el análisis de la estructura de un buque es un proceso complicado por la dificultad de establecer la magnitud de las fuerzas a las que está sometido y por la complejidad de su estructura. Lleva consigo el estudio de las fuerzas y solicitaciones que actúan sobre él; conocer el valor de los esfuerzos unitarios (tensiones) y deformaciones y compararlos con los valores admisibles para que puedan ser aceptados.
Todo ello siempre siguiendo lo establecido en las sociedades de clasificación y con la ayuda de potentes programas de cálculo como son los Elementos Finitos cuyo conocimiento abre las puertas a un enorme abanico de puestos de trabajo en el mundo de las estructuras dentro de la ingeniería naval.
- Cálculo por elementos finitos.
- Requerimientos estructurales y de diseño para los elementos estructurales de construcción naval.
- Subconjuntos estructurales.
- Aplicaciones informáticas para el desarrollo del forro del buque, planos de bloques bidimensionales y tridimensionales.
- Cargas estructurales del buque.
- Matriz de cargas.
- Criterios de resistencia y rigidez.
- Estudio de la resistencia local y escantillonado de los elementos estructurales.
- Resistencia longitudinal en aguas tranquilas y sobre ola.
- Cálculo del módulo de la sección maestra del buque.
- Torsión.
- Análisis matricial de estructuras.
- Cálculo y diseño de emparrillados planos y anillos.
- Resistencia transversal.
- Pandeo de planchas, refuerzos y paneles.
- Cálculo de estructura en materiales compuestos.
El análisis de elementos finitos (FEA) es el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual, con el propósito de encontrar y resolver potenciales (o actuales) problemas estructurales o de rendimiento. FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM), que es utilizado por ingenieros y científicos parar matemáticamente modelar y resolver numéricamente problemas de complejas estructuras, fluidos y de multifísica. El software FEA puede ser utilizado en una amplia gama de industrias.
Uno de los modelos de elementos finitos (FE) cuenta con un sistema de puntos, llamados “nodos”, que constituyen la forma del diseño. Conectados a estos nodos están los mismos elementos finitos que forman la malla de elementos finitos y contienen el material y las propiedades estructurales del modelo, la definición de cómo va a reaccionar a ciertas condiciones. La densidad de la malla de los elementos finitos puede variar a través del material, en función del cambio esperado en los niveles de estrés de un área en particular. Partes que experimentan grandes cambios en stress por lo general requieren una densidad de malla superiores a los que la experiencia de variación supone poco o ningún esfuerzo. Los puntos de interés pueden incluir los puntos de fractura del material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos, y áreas de alto estrés.
Los modelos FE pueden ser creados usando elementos en una dimensión (1D haz), dos dimensiones (2D shell) o tridimensionales (3D sólido). Mediante el uso de vigas y conchas en lugar de elementos sólidos, un modelo representativo se puede crear con menos nodos sin comprometer la precisión. Cada combinación de modelos requiere una diversa gama de propiedades que se definen como:
- Áreas de la sección
- Momentos de inercia
- Torsión constante
- Espesor de la chapa
- Resistencia a la flexión
- Corte transversal
Para simular los efectos de los entornos reales de trabajo en la FEA, los distintos tipos de carga se puede aplicar a la modelo de elementos finitos, incluyendo:
- Nodal: fuerzas, momentos, los desplazamientos, velocidades, aceleraciones, temperatura y flujo de calor
- Elemental: carga distribuida, presión, temperatura y flujo de calor
- Las cargas de aceleración del cuerpo (la gravedad)
Los tipos de análisis son:
- Estática lineal: análisis lineal con las cargas aplicadas y las limitaciones que son estáticas
- Estática y la dinámica no lineal: los efectos debidos al contacto (donde una parte del modelo entra en contacto con otra), las definiciones de material no lineal (plasticidad, elasticidad, etc) y el desplazamiento de gran tamaño (las cepas que superan la teoría de baja cilindrada que limitan un enfoque de análisis lineal)
- Modos Normal: frecuencias naturales de vibración
- Respuesta dinámica: las cargas o movimientos que varían con el tiempo y la frecuencia
- Pandeo: carga crítica en la que una estructura se vuelve inestable
- La transferencia de calor: el cambio de conducción, radiación
Los resultados típicos calculados por el programa incluyen:
- Nodal desplazamientos, velocidades y aceleraciones
- Las fuerzas elementales, deformaciones y tensiones
Beneficios de la FEA
FEA puede ser utilizado en el diseño de nuevos productos, o para refinar un producto ya existente, para asegurar que el diseño será capaz de realizar las especificaciones antes de la fabricación. Con FEA puede:
- Predecir y mejorar el rendimiento y fiabilidad del producto
- Reducir la creación de prototipos físicos y pruebas
- Evaluar los diferentes diseños y materiales
- Optimizar el diseño y reducir el uso de materiales
Modal analysis is the study of the dynamic properties of linear structures, based on structural testing or finite element analysis-based simulation. These dynamic properties include the resonance frequencies (also called “natural frequencies” or “eigenfrequencies”), and the structural modes (or “eigenmodes”). The dynamic properties are dependent on the mass, stiffness and damping distribution on the structure, and determine the structural vibration behavior when exposed to operational loads. Every deformation of a linear structural system can be expressed as a linear combination of the structural modes, which form an orthonormal vector base.
Modal testing combines data acquisition with further analysis. In an industrial application, the complete process is often referred to as modal testing and analysis, or experimental modal analysis (EMA).
During the data acquisition phase, the structural response is measured on well-defined locations, while the structure is excited by loads with known frequency content. Many excitation methods and setups exist, dependent on the complexity of the structure, but most common are hammer impact excitation and shaker excitation. The resonance frequencies will appear as peaks in vibration response functions on response locations.
During the modal analysis phase, the excitation frequency spectra and the response frequency spectra are used to calculate frequency response functions (FRFs). Those FRFs can theoretically be expressed as a linear combination of modal contributors. As such, they can be used to determine modal parameters using various curve fitting methodologies.
Modal analysis is also a crucial step in structural dynamics simulation. A structural finite element (FE) system consists of a mass, stiffness and damping matrix, and a force vector. Eigenmodes and eigenfrequencies form the fundamental solution of the system, when the force vector is set to zero.
In many cases, for initial analysis, the damping matrix is denied because of the complex nature of the damping property and the extra computational effort it requires. In that case, modal frequencies can be calculated as the square root of the ratio of modal stiffness to modal mass, which can be found on the diagonalized mass and stiffness matrices. These modal frequencies are real numbers, and the corresponding modes are real vectors (also called “real modes” or “normal modes”).
Damping can be accounted for in several ways. In the easiest form, it can be assigned as a factor to individual normal modes, or the damping matrix can be simplified to be proportional to the stiffness matrix. In those cases, the calculated modes will remain normal modes. But in case the damping matrix is fully populated by varying structural damping, the calculation becomes a lot more complicated and leads to complex modes.
Results of modal testing and analysis are used in various simulation and testing applications, including vibration response calculations, root cause analysis of vibration problems and damage detection, but also for adding flexibility to multibody analysis, and to speed up durability and vibro-acoustic simulations. Modal-based calculations are very effective and allow efficient evaluation of structural changes to responses of any kind. Comparing FE modes and test modes in modal correlation analysis can provide a quantitative insight in the quality of the FE model, and can be used to gradually improve an FE model based on test results in model updating.
Benefits of Modal Analysis
Modal analysis performed through either structural testing or finite element analysis-based simulation helps you:
- Understand how a structure vibrates
- Correlate and update simulation models
- Speed up structural, vibro-acoustic and durability calculations
- Include flexibility in multibody simulation models