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La necesidad de los análisis CAE y CFD en el Diseño de Motores 2T diesel
 
Con la aparición de la herramientas de diseño por ordenador (CAD 3D y 2D) y simulación por elementos finitos (CAE y CFD) se ha permitido un gran avance en el proceso de diseño de motores de dos tiempos diesel.

Todos parámetros que determinan la arquitectura de un motor pueden ser optimizados en las búsqueda de un más perfecto funcionamiento. La forma de comprobar y validar esta optimización es por medio de pruebas de funcionamiento. Antiguamente era necesario contruir prototipos de motores donde se analizaba su funcionamiento con las modificaciones implemementadas, lo cual tenía un elavadísimo coste que limitaba el llevar a cabo dichas mejoras. Actualmente contamos con las herramientas CAD, CAE y el CFD, que nos van a permitir optimizar el diseño de un motor antes de contruirlo, por medio del diseño virtual por ordenador y posteriormente las simulaciones, podremos predecir su comportamiento. El ahorro de costes en tiempo y dinero es incomparable, además de la evolución del diseño mucho más rápida.
El cálculo de esfuerzos y la resistencia de los materiales de los elementos que componen el motor son validados por medio de análisis FEM, o cálculo por elementos finitos a partir de los modelos 3D previamente realizados por ordenador, lo que se conoce como CAD 3D, es decir los componentes son creados virtualmente por ordenador a escala real, posteriormente todos estos elementos, ordinariamente compuestos por miles de elementos son ensamblados en conjuntos y subconjuntos, para crear un motor completo realizado por ordenador. Posteriormente se analizan por medio del CAE el comportamiento de estos elementos, se le aplican a las geometrías las propiedades de materiales con las que están fabricados, condiciones de contorno, restricciones y cargas, etc. Se realizan miles de simulaciones FEM para validar el comportamiento de cada uno de los elementos que componen el motor. A continuación se muestra el comportamiento del cigueñal de un motor sometido a las cargas que recibirá durante su funcionamiento real una vez contruido, el análisis muestra el nivel de tensiones que recibe el material en cada punto de su geometría.


Los motores de dos tiempos en general presentan un inconveniente que tiene una gran influencia en el desarrollo de su ciclo de funcionamiento, este problema viene motivado por el hecho de tener que realizar las cuatro fases del ciclo de funcionamiento (expansión, escape, admisión y compresión) en una sola vuelta del cigüeñal, por tanto los periodos necesarios para cada una de las fases son necesariamente más cortos que en un motor de cuatro tiempos. De todas ellas, las etapas más críticas son el escape-admisión, que es cuando se renueva la carga dentro del cilindro, es por ello que en el diseño del motor es sumamente importante que dichas etapas se lleven a cabo de forma óptima, para que el motor pueda desarrollar buenas prestaciones.

La figura siguiente muestra el ciclo abierto de un otor de dos tiempos, representado por medio de un diagrama presión-volumen. PMS es punto muerto superior. PMI es punto muerto inferior.


El proceso de desplazamiento de los gases quemados fuera del cilindro, y el llenado con carga de aire fresco, recibe el nombre de “barrido”, y su adecuada realización tiene una influencia decisiva no solo en el consumo de combustible, sino también en la potencia y en la contaminación. 

En la siguiente figura, se muestra el esquema de barrido y renovación de la carga del motor MAN S50MC. La circulación de aire (color rojo) y gases de escape (color azul).



Tal y como se puede observar en la figura anterior, el aire entrante se utiliza para expulsar fuera o barrer los gases de escape y mientras tanto llenar el espacio con aire fresco. Durante el proceso, una cantidad de aire externo es usado para limpiar el cilindro de gases de combustión. El aire entrante a presión dentro del cilindro se llama aire de barrido, y las lumbreras a través de los que entrase son llamadas lumbreras de admisión o de barrido. El barrido de los motores de dos tiempos se caracteriza por dos problemas típicos: las pérdidas por short-circuit y mixing. Short-circuit (cortocircuito) consiste en expulsar parte de la carga de aire fresco directamente al escape y Mixing (mezcla) consiste en que hay una pequeña cantidad de gases residuales que permanecen atrapados sin ser expulsados, los cuales se mezclan con parte de la carga de aire fresco. A fin de reducir estos problemas, el aire de barrido que entra dentro del cilindro a partir de las lumbreras de admisión debe estar perfectamente dirigido.

La siguiente figura, obtenida mediante un análisis CFD con OpenFOAM, muestra la distribución de velocidades del flujo en el interior del cilindro durante la renovación de la carga.


El motor MAN B&W 7S50MC cuenta con 7 cilindros en línea, con un diámetro de cilindro de 500 mm y una carrera de 1910 mm, suma una cilindrada total de 375 litros y desarrolla una potencia máxima de 9.988 kW a 127 rpm. Cada cilindro posee en su parte baja 16 lumbreras de admisión y en la culata posee una gran válvula de escape para permitir la exhaustación de los gases quemados.


Las características técnicas del motor MAN B&W 7S50MC son las siguientes:

Parámetro

Valor

Tipo de motor

Diesel, dos tiempos

Sistema de barrido

Uniflujo

Sobrealimentación

Turbocompresor

Cilindrada (cm3)

375.028

Diámetro (cm)

500

Carrera (cm)

1910

Presión media efectiva (bar)

19

Velocidad (rpm)

127

Número de cilindros

7

Potencia (kW)

9988


Por medio del análisis CFD proporciona información completa sobre el fenómeno en el interior del cilindro y la influencia de multitud de factores. En el campo de los motores marinos medianas y grandes, el análisis CFD es especialmente útil porque un prototipo experimental es extremadamente costoso y la construcción de un modelo a escala a veces no es suficientemente preciso.

La siguiente figura muestra las fracciones másicas de gases de escape (color azul) y aire (color rojo) para un recorrido desde 90º hasta 270º de ángulo de cigüeñal.




FORMACIÓN RECOMENDADA:
Para análisis CFD recomendamos el software gratuito OpenFOAM, que permite reproducir y simular el comportamientode un motor en lo referente a la mecánica de fluidos. Si desea recibir un curso de  formación para aprender a manejar el programa de CFD de uso libre  OpenFOAM, le recomendamos que realice el curso de Technical Courses



Para realizar anáisis FEM le recomendamos el software gratuito Code_Aster, que permite reproducir y simular el comportamientode un motor en lo referente a la resistencia estructural. Si desea recibir un curso de  formación para aprender a manejar el programa FEM Code_Aster, le recomendamos que realice el curso de Technical Courses


- Curso online de Code_Aster





FUENTES:
 
 
Publicado el 2016-12-29 10:26:38 por Carlos Rodríguez | Abrir
 
Code_Aster, software para análisis CAE por elementos finitos
 

El software Code_Aster está orientado al análisis de elementos finitos y simulación numérica en mecánica estructural y multifísica.


Caracterítiscas del Code_Aster:

- Tipo de FEM: Linear & non-linear static/dynamic, thermal & fluid analysis
- Tipo de Licencia: GPL
- Desarrollador: Electricité de France (EDF)
- Sistema operativo: Linux, Solaris and IRIX 64 bits
- Descarga: Code_Aster
 

Fue desarrollado por la empresa francesa Électricité de France (EDF), para el estudio y mantenimiento de plantas y redes eléctricas. Fue liberado bajo la GNU General Public License en octubre de 2001. La mayoría de la documentación disponible se encuentra en francés.

Code_Aster es el solver o motor de procesamiento, por lo que no incluye el preprocesamiento y posprocesamiento, es decir el mallado del objeto y presentación de las soluciónes del estudio.

Su aplicación abarca múltiples disciplinas: análisis tridimensinal mecánico y térmico principalmente, hidrodinámica, metalurgia, hidratación, secado... ya sean condiciones estacionarias o transitorias, y tanto en procesos lineales como no lineales. Además, posee herramientas específicas para fatiga, deformación, fractura, contacto, geotecnia, materiales porosos, etc. Además, la combinación de estas características con los programas específicos de preprocesado y posprocesado, como por ejemplo el SALOME-MECA, le permiten disponer de una funcionalidad completa para el desarrollo de estudios multidisciplinares.

Code_Aster contiene 1.500.000 líneas de código fuente, la mayor parte en Fortran y Python, y está siendo constantemente desarrollado, actualizado y mejorado con nuevos modelos. Los estandards de calidad requeridos por la industria nuclear han permitido obtener un software que alcanza los más altos niveles de funcionalidad y precisión en los resultados numéricos, los cuales han sido validados por medio de comparaciones independientes con resultados analíticos o experimentales, además del uso de puntos de referencia hacia otros códigos. El software se proporciona con cerca de 2.000 test, que se dedican a la calificación elemental y son útiles como ejemplos. La documentación de Code_Aster incluye más de 14.000 páginas y abarca los manuales de usuario, manuales de teoría que incluyen la compilación de los conocimientos técnicos de EDF en mecánica, problemas de ejemplo y manuales de verificación. La gran mayoría de la documentación está todavía solamente en francés.


CURSOS DE FORMACIÓN RELACIONADOS:

Si desea recibir cursos de  formación relacionados con esta temática, le recomendamos que realice los cursos de Technical Courses:
http://www.technicalcourses.net

Technical Courses está especializado en la impartición de actividades formativas en todo el mundo, destinados a cubrir la necesidades de cualificación de personal técnico, nuestros cursos se encuentran estrechamente ligados a las tendencias del mundo laboral y las necesidades formativas de las empresas.

- CURSO DE CODE_ASTER
 
Publicado el 2016-04-14 12:56:15 por | Abrir
 
Software gratuito para cálculo por Elementos Finitos
 

OpenFOAM

- Tipo de FEM: CFD
- Tipo de Licencia: GNU General Public License
- Desarrollador: The OpenFOAM Team
- Sistema operativo: Unix/Linux
- Descarga: OpenFOAM
El software OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) es el programa CFD (Computational Fluid Dynamics) de uso libre más importante de la actualidad. Tiene un gran número de usuarios en la mayoría de áreas de la ingeniería y de la ciencia, tanto en organizaciones comerciales como académicas.


El  OpenFOAM incluye una extensa librería con más de 80 solvers y 170 tutoriales con los que se puede resolver prácticamente cualquier problema, entre ellos los siguientes:
- Problemas básicos de mecánica de fluidos computacional.
- Flujo comprensible.
- Reacciones químicas.
- Combustión.
- Turbulencia.
- Transferencia de calor.
- Motores y turbomáquinas.
- Dinámica de sólidos.
- Flujo supersónico.
- Electromagnetismo.
- Flujos multifásicos.
- Otros...




Code_Aster

- Tipo de FEM: Linear & non-linear static/dynamic, thermal & fluid analysis
- Tipo de Licencia: GPL
- Desarrollador: Electricité de France (EDF)
- Sistema operativo: Linux, Solaris and IRIX 64 bits
- Descarga: Code_Aster
 
Code_Aster es un software para el análisis de elementos finitos y simulación numérica en mecánica estructural y multifísica.

Fue desarrollado por la empresa francesa Électricité de France (EDF), para el estudio y mantenimiento de plantas y redes eléctricas. Fue liberado bajo la GNU General Public License en octubre de 2001. La mayoría de la documentación disponible se encuentra en francés.


Code_Aster es el solver o motor de procesamiento, por lo que no incluye el preprocesamiento y posprocesamiento, es decir el mallado del objeto y presentación de las soluciónes del estudio.

Su aplicación abarca múltiples disciplinas: análisis tridimensinal mecánico y térmico principalmente, hidrodinámica, metalurgia, hidratación, secado... ya sean condiciones estacionarias o transitorias, y tanto en procesos lineales como no lineales. Además, posee herramientas específicas para fatiga, deformación, fractura, contacto, geotecnia, materiales porosos, etc. Además, la combinación de estas características con los programas específicos de preprocesado y posprocesado, como por ejemplo el SALOME-MECA, le permiten disponer de una funcionalidad completa para el desarrollo de estudios multidisciplinares.


CALCULIX

- Tipo de FEM: Finite element analysis
- Tipo de Licencia: GPL (free software)
- Desarrollador: Guido Dhondt & Klaus Wittig
- Sistema operativo: Linux, Iris, Windows.

 
El programa Calculix fue diseñado para solucionar problemas lineales y no-lineales estáticos, dinámicos y térmicos. Usa solamente elementos 3D (tetraedros y hexaedros)

Fue un proyecto realizado por trabajadores de MTU Aero Engines in Munich, Alemania

Consta de dos módulos independientes pero totalmente compatibles. Uno es el módulo de cálculo basado en ABAQUS, y el otro modulo de pre y post proceso compatible con diferentes formatos: nastran, abaqus, ansys, code-aster, dolfyn, duns, ISAAC y OpenFOAM.


ELMER

- Tipo de FEM: Multiphysical simulation software.
- Tipo de Licencia: GNU General Public License
- Desarrollador: Finnish Ministry of Education's CSC
- Sistema operativo: Linux, Windows, GPL, Mac OS X
El programa Elmer fue desarrollado por el Ministerio de Eduacación de Finlandia. Permite Resolver los siguientes modelos físicos: fluidos dinámicos, estructuras mecánicas, electromagnetismos, térmicos y acústicos.

Está compuesto por los siguientes módulos principales;
  • ElmerGUI, donde generamos la malla, aplicamos las características del material y aplicamos las condiciones de contorno.
  • ElmerSolver, introduciremos un archivo en cual hemos definido con anterioridad : tipo de simulación, definición de constantes, material, fuerzas, ecuaciones, métodos de resolución,condiciones de contorno y valores iniciales.
  • ElmerPost, procesado de los resultados. Usa diferentes formatos de salida: GID, Gmsh, VTK legacy, Open DX , Open DX .
  • EmerGrid, posibilita la opción de que partiendo de la misma geometría se puedan obtener diferentes mallas con diferentes tipos de elementos para poder así resolver problemas físicos diferentes.

 


SALOME-MECA

- Tipo de FEM: CAD, Pre-Processing and Post-Processing for numerical simulation
- Tipo de Licencia: GNU LGPL license
- Desarrollador: Electricité de France (EDF)
- Sistema operativo: Unix, GNU/Linux


Salome-Meca es un software que permite la realización del preproceso y postproceso de cálculos numéricos. Al ser una aplicación libre se pueden implementar en ella diferentes módulos. Su gran flexibilidad permite utilizar diferentes tipos de archivos como: IGES, STEP, BREP, MED, UNV, DAT, STL. Integrándose totalmente en un sistema de diseño CAD.


En su versión más básica, el Salome-Meca esta integrado por los siguientes módulos:
- Módulo Geométrico
- Módulo de Mallado
- Módulo Post-Proceso
La mayor parte de los usuarios utilizan el Salome Meca como herramienta de mallado y visualizador de resultados de los cálculos numéricos realizados con programas de código abierto como pueden ser OpenFOAM, Code_ASTER, CAELINUX, etc.



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Publicado el 2016-03-21 14:00:55 por C.Rodriguez | Abrir
 
Salome-Meca, para preproceso y postproceso de cálculos numéricos
 
Salome-Meca es una plataforma de código abierto basado en la licencia GNU LGPL, y orientado a la realización del preproceso y postproceso de cálculos numéricos. Al ser una aplicación libre se pueden implementar en ella diferentes módulos. Ejemplo de ello es Code_Aster que aporta un módulo de cálculo para problemas mecánicos y Code Saturne que aporta un modulo de CFD. Su gran flexibilidad permite utilizar diferentes tipos de archivos como: IGES, STEP, BREP, MED, UNV, DAT, STL. Integrándose totalmente en un sistema de diseño CAD.



Las implicaciones de que sea software libre son las siguientes:
• Libertad de usar el programa, con cualquier propósito.
• Libertad de estudiar cómo funciona el programa y modificarlo, adaptándolo a tus necesidades.
• Libertad de mejorar el programa y hacer públicas esas mejoras a los demás, de modo que toda la comunidad se beneficie.

Este programa integra las herramientas necesarias para realizar estudios científicos de problemas multi-físicos; térmicos, fluidos, mecánicos,...



En su versión más básica, el Salome-Meca esta integrado por los siguientes módulos:

Módulo Geométrico:
Este módulo está construido para poder realizar la definición geométrica de nuestros casos a estudiar. Incluye diferentes herramientas para la creación y edición de elementos básicos y complejos de modelos de CAD.

Módulo de Mallado:

Mediante el mallado convertimos los objetos y grupos de objetos geométricos creados anteriormente en elementos compuestos de pequeños elementos; nodos, aristas y mallas. Pudiendo así aplicar el método de los elementos finitos sobre ellos.

Módulo Post-Proceso:
Salome-Meca se han decidido definitivamente por el módulo ParaView una potente herramienta de PostProcesado que nos permite analizar los resultados del cálculo por elementos finitos. Permite entre más cosas el realizar filtros sobre todas las variables importadas del estudio de cálculo. Diferentes representaciones de estas variables; iso líneas, umbrales, líneas, gráficas, cortes,...



Uno de los puntos fuertes del Salome-Meca es la gran interoperatibilidad que tiene con otros programas de CAD y CAE:
  • Con Salome-Meca podemos crear nuestras propias geometrías 3D o alternativamente también es posible importar los modelos 3D que hayamos realizado con otros programas de CAD con los que trabajemos habitualmente.
  • Una vez disponemos de la geometría 3D,  usaremos el Salome-Meca para realizar los diferentes esquemas de mallado que sean requeridos para realizar cálculo numérico que deseemos llevar a cabo con los diferentes programas de CAE específicos (Code_Aster, OpenFOAM, Code Saturn, Calculix, …)
  • Finalmente, una vez completados los cálculos numéricos por elementos finitos con el programa de CAE específico, podremos utilizar de nuevo el Salome-Meca para analizar los resultados de los cálculos, para ello dispone del potente módulo de visualización de geometrías ParaView.



LINKS:



FORMACIÓN RELACIONADA:
Si necesita recibir formación específica que le capacite en el uso del software SALOME-MECA, le recomendamos el siguiente curso:


- Curso de Mallado y Postprocesado con SALOME-MECA



 
Publicado el 2015-02-01 17:05:45 por Carlos Rodríguez & Javier Moreiras | Abrir
 
Blender 3D para modelado, render y animación de buques.
 
El programa Blender 3D es en la actualidad uno de los programas más utilizados para modelado 3D, render y animación. Como se puede observar en las imágenes, el programa permite crear geometrías 3D de buques, que posteriormente se les aplicará los colores, textura e iluminación adecuados para crear una composición fotorealista del buque navegando en su escenario natural. Además de lo anterior, se puede dar animación y sonido a los modelos 3D, por ejemplo se puede hacer que el buque navegue y se aproxime a la costa o a otro buque, y dispare los cañones, incluyendo el fogonazo y sonido de los cañones al efectuar los disparos.



El programa Blender 3D es un programa informático de uso libre (gratuito), multiplataforma, dedicado especialmente al modelado, animación y creación de gráficos tridimensionales. Está desarrollado bajo licencia GPL y es compatible con todas las versiones de Windows, Mac OS X, GNU/Linux, Solaris, FreeBSD e IRIX.
Las posibilidades que proporciona Blender lo hacen comparable en muchos casos a otros programas comerciales como Maya,  3D Studio, Rhinoceros, etc, pero contando con la ventaja de ser totalmente gratuito y existir gran número de tutoriales, aunque en este momento la mayoría de la documentación está en inglés.

Además, las múltiples ventajas que tiene Blender hacen que sea una herramienta que se pueda equiparar en muchas de sus funcionalidades a otras aplicaciones con licencia, y en muchos casos que resultan inalcanzables para pequeños estudios o diseñadores autónomos. Entre sus capacidades podemos destacar las siguientes:

- Modelado 3D mediante herramientas sencillas.

- Modelado 3D de figuras complejas.

- Creación de imágenes fotorrealistas a partir de modelos 3D

- Simulaciones físicas y de movimiento.

- Posibilidad de creación y composición de animaciones y video.


La forma más común de modelar un casco 3D es a partir del plano de formas.En el link siguiente se puede ver los trabajos realizados por un diseñador naval trabajando con Blender;  http://www.skipskompetanse.no


Con unos conocimientos básicos de Blender 3D, cualquier usuario con un poco de dedicación puede realizar presentaciones fotorealistas y también animaciones con sonido, que muestren a la perfección el modelo e incluso sus mecanismos. Para ello será necesario aprender a dominar un serie conceptos y procedimientos con los que Blender generará animaciones de calidad de forma sencilla.




MODELOS 3D CON BLENDER DEL ACORAZADO BISMARCK :

En la actualidad diversos autores han creado modelos 3D de los acorazados de la clase Bismarck y de otros buques de guerra famosos. Los modelos mostrados acontinuación han sido creados por medio del software libre (gratuito) Blender 3D, el cual permite modelar la geometria tridimensional del buque para posteriormente crear renderizados fotorealistas superponiendo un escenario, condiciones de iluminación y textura de materiales para recrear la ambientación real del buque en su medio marino. Además este software también dispone de un módulo para crear vieoanimaciones (Videoanimaciones con Blender 3D) donde se puede recrear el buque navegando, incluyendo además efectos sonoros y de iluminación, para recrear con mayor realismo la animación.

- Model 3D of the Battleship Tirpiz (Blender)




FORMACIÓN RECOMENDADA: 
Si desea adquirir las habilidades y competencias necesarias para crear modelos 3D de buques le recomendamos los siguientes cursos técnicos:
 
Publicado el 2014-12-20 18:53:22 por Carlos Rodríguez | Abrir
 
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norplan
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