Secretario de Educación Pública
Subsecretario de Educación Superior
Coordinadora de Universidades Politécnicas
II
Elaboró: M. C. Alan Javier López EnrIquez - Universidad Politécnica de Juventino Rosas
Primera Edición: 2012 DR 2012 Coordinación de Universidades Politécnicas. Número de registro: México, D.F. ISBN----------------III
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN ....................................................................................................................................... 1 FICHA TÉCNICA ........................................................................................................................................ 2 PROGRAMA DE ESTUDIO ........................................................................................................................4 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA O PROYECTO ........................................................................................5 INSTRUMENTOS DE EVALUACIÓN ........................................................................................................14 BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................21
IV
La presente guía de estudios es un instrumento educativo que sirve para orientar y auxiliar en el proceso de aprendizaje enseñanza de la asignatura de Análisis multifísico. Está concebida para asistir a los estudiantes, durante su proceso formativo humano. En este sentido se pretende fortalecer la formación educativa del estudiante para que sea capaz de alcanzar los conocimientos generales con respecto a los objetivos fundamentales de la materia. La guía ofrece una visión adecuada, clara y precisa de la estructura y contenidos de la asignatura de Análisis miltifísico, para implementar una estrategia de estudio que lo habilite para poder presentar los exámenes correspondientes con resultados positivos. El Método de los Elementos Finitos es un método numérico de resolución de problemas de Mecánica de Sólidos que resulta de gran importancia por su utilidad práctica. Es una herramienta de cálculo muy potente que permite al ingeniero estructuralista resolver infinidad de problemas. Sin embargo, es un método que no proporciona la solución “exacta” a un problema dado, sino que, en realidad, posibilita obtener una solución aproximada que, con el juicio ingenieril que se le supone al calculista, puede ser más que suficiente para la resolución de un problema práctico. Su idea básica no puede ser más sencilla: dado un sólido, sometido a un sistema de cargas y coaccionado por unas ligaduras, el método consiste en subdividir el sólido en pequeñas partes (elementos) interconectadas entre sí a través de los nudos de los elementos, de manera que suponemos que, el campo de desplazamientos en el interior de cada elemento, puede expresarse en función de los desplazamientos que sufren los nudos del elemento (desplazamientos nodales); posteriormente, se podrá determinar la matriz de rigidez de cada elemento, las cuales una vez ensambladas (siguiendo los pasos del análisis matricial de estructuras), permitirán la obtención de los desplazamientos en los nudos de cada elemento. De esa manera, una vez conocidos dichos desplazamientos, podríamos determinar, de una forma aproximada como ya se dijo antes, las tensiones y las deformaciones en el interior del elemento.
1
Nombre:
Análisis multifisico
Clave:
ANM-ES
Justificación:
En la realidad los problemas presentes en la ingeniería automotrices involucran varios fenómenos físicos que van interrelacionados y cuya solución es difícil de encontrar en forma analítica. Mediante el uso de software basado en el método de elemento finito se puede analizar con aceptable precisión problemas multifísicos.
Objetivo:
El alumno será capaz de entender los principios básicos del método de elemento finito y poder analizar problemas que involucren varios fenómenos físicos mediante software.
Habilidades:
VALORES Respeto. Responsabilidad. Honestidad. Trabajo en equipo. Lealtad Solidaridad HABILIDADES Lectura y escritura. Comunicación oral y escrita. Razonamiento matemático. Seleccionar información. Uso de las tecnologías informáticas y de comunicación. CAPACIDADES Capacidades de análisis y síntesis para aprender, resolver problemas, aplicar los conocimientos en la práctica, adaptarse a nuevas situaciones, cuidar la calidad, gestionar la información y trabajar en forma autónoma y en equipo. Capacidades para aplicar normas de seguridad, higiene y medio ambiente. Liderazgo. Lectura y escritura. Comunicación oral y escrita. Razonamiento matemático. Capacidad de comprensión. Seleccionar información. Capacidades para análisis y síntesis para aprender, para resolver problemas, aplicar los conocimientos en la práctica, adaptarse a nuevas situaciones, cuidar la calidad, gestionar la información y para trabajar en forma autónoma y en equipo. Aplicar normas de seguridad, higiene y medio ambiente.
2
Competencias genéricas a desarrollar:
Capacidades para análisis y síntesis; para aprender; para resolver problemas; para aplicar los conocimientos en la práctica; y para trabajar en forma autónoma y en equipo
Capacidades a desarrollar en la
Competencias a las que contribuye la
asignatura
asignatura
Realizar análisis multifísico mediante modelos matemáticos para la verificación de funcionamiento de sistemas automotrices
Unidades de aprendizaje
Recopilar información técnica experimental mediante el uso de herramientas computacionales para diagnosticar el estado del sistema y partes que lo integran
HORAS TEORÍA HORAS PRÁCTICA No No presencial presencial presencial presencial
1. Introducción al análisis multifísico
4
1
0
0
2. Preproceso
2
1
6
1
2
1
6
1
2
1
6
1
5. Análisis de vibraciones
4
2
8
4
6. Introducción a las no lunealidades
10
2
6
4
24
8
32
11
Estimación de tiempo (horas) necesario para 3. Análisis estructural transmitir el aprendizaje al alumno, por Unidad 4. Análisis térmico de Aprendizaje:
Totales Total de horas cuatrimestre: Total de horas semana: Créditos:
por por
75 4 5
3
OBSERVA CIÓN
1)Exposición 2)Utilización de
1)Utilizar diagramas, ilustr acionesy esquemas. diagramas,ilustraciones y 2)Investigación esquemas. 3) bibliográf ica Investigaciónbibliográf ica
Conocerlos conceptos básicos desimulación yanálisis de sistemas mediante laherramientade simulación,así como su uso enaplicaciones industriales.
Cuestionario sobre fundamentos delpreproceso,definirdemanera
adecuadaelmodelo físico,yaplicarde maneracorrecta las condicionesde frontera Conocerlos pasosnecesarios previsto s alasoluciónde sistemas multif i sicos,asícomolacorrecta aplicacióndelas condicionesde frontera
Cuestionario sobre los fundamentos delanálisis estático estructural
· Analiza rsituacionesy problemáticas desistemas estáticos estructurale sy def inircualmétodo desolucióneselmejor. · Simularsist emas estáticos estructuralaplicandolo s conceptos delmétodo deelementos finitos .
Cuestionario sobre los fundamentos delanálisis térmico aplicadoa piezas automotrices
· Analizary simularproblemas que involucrencuestiones térmicas-estructurales,obtenciónde flujos decalor , deformacionesyesfuerzos causados porcuestiones térmicas. · Pr oponeraccio nesdemejoraparaeldiseñodeelementos automotrices.
seencuentren presentesproblemas generados o debidos a
vibracionesmecánicas.
· Conocerlos conceptos deno linealidades,además dela importa nciadeltemaaplicadoa laindustriaautomotriz
mecánicas
x
NA
Proyecto de investigación bibliográf ica
NA
1)Utilizar diagramas, ilustr acionesy esquemas. 2)Investigación diagramas,ilustraciones y 3) bibliográf ica esquemas. Resolversituaciones 3)Estudio decas o. problemáticas
X
1)Utilizar diagramas, ilustr acionesy esquemas. 2)Investigación diagramas,ilustraciones y 3) bibliográf ica esquemas. Resolversituaciones 3)Estudio decas o. problemáticas
X
x
NA
NA
P1.Estudio de caso
X
x
NA
NA
Estudio de caso
1)Exposición 2)Utilización de
x
NA
NA
1)Exposición 2)Utilización de
1)Utilizar diagramas, ilustr acionesy esquemas. 2)Investigación diagramas,ilustraciones y 3) bibliográf ica esquemas. Resolversituaciones 3)Estudio decas o. Simulacióndepr oblemas endonde problemáticas seencuentren efectos termoestructuralesen piezas automotrices
Cuestionario sobre los fundamentos delas vibraciones
· Analiz arysimularproblemas depiezas mecánicas,enel q ue
X
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a internet,software de elementos finitos
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a internet,software de elementos finitos
Computadora yproyector
4
1
0
0
Documental
1-Cuestionario sobre la importanciadel análisis multifisico aplicadoa la
simulaciónde piezas automotrices
1.Cuestionario sobre fundamentos del preproceso,definir de maneraadecuadael Computadoray proyector
2
1
6
1
Documental
modelofísico,y aplic arde maneracorre ctalas condicionesdefrontera .2. Hojadecotejo depractica desimulación (preproceso)
1.Cuestionario sobre los Computadoray proyector
2
1
6
1
Documental
2
1
6
1
Documental
fundamentos delanálisis estático estructural2. Hoja decotejo desimulación (estáticoestructural)
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a internet,software de elementos finitos
Computadoray proyector
fundamentos delanálisis térmico aplicadoa piezas automotrices2.Hojade cotejo desimulación
(térmicoestructural)
1)Exposición 2)Utilización de
Cuestionario sobre los 1)Utilizar diagramas, fundamentos deproblemas deno 1)Exposición ilustr acionesy esquemas. linealidad,tipos decontacto s,materiales 2)Utilización de 2)Investigación no lineales etc. diagramas,ilustraciones y 3) bibliográf ica esquemas. Resolversituaciones Análisis ysimulación depr oblemas 3)Estudio decas o. problemáticas endondeseinvolucrenlas no linealidades
internet,software de elementos finitos
1.Cuestionario sobre los
1)Exposición 2)Utilización de
1)Utilizar diagramas, ilustr acionesy esquemas. 2)Investigación diagramas,ilustraciones y 3) bibliográf ica esquemas. Resolversituaciones 3)Estudio decas o. problemáticas
Estudio de caso
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a
X
X
x
x
NA
NA
NA
NA
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a
Estudio de caso
internet,software de elementos finitos
Pizarróny diapositivas electrónicas.A cceso a
Estudio de caso
internet,software de elementos finitos
1.Cuestionario sobre los fundamentos delas Computadoray proyector
4
2
8
4
Documental
vibracionesmecánicas 2. Hojadecotejo de
simulación(Vibraciones)
Co mputa do a r y proye ctor
10
2
6
4
Documental
1.Cuestionario sobre los fundamentos deproblemas deno linealidad,tipos de contactos,materiales no lineale setc.2. Hojade cotejo desimulación (No linealidades)
4
Nombre de la asignatura: Nombre de la Unidad de Aprendizaje:
Análisis multifísico Pre proceso
Nombre de la práctica o proyecto:
Aplicación del pre proceso en el estudio de piezas automotrices
Número:
1
Resultado de aprendizaje:
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será
Horas de duración:
capaz de:
2
Nombre de la asignatura: Nombre de la Unidad de Aprendizaje:
Análisis multifísico Pre proceso
Nombre de la práctica o proyecto:
Aplicación del pre proceso en el estudio de piezas automotrices
Número:
1
Resultado de aprendizaje:
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será
Horas de duración:
2
capaz de: * Conocer los pasos necesarios previstos a la solución de sistemas multifisicos, así como la correcta aplicación de las condiciones de frontera Requerimientos (Material o equipo):
Laboratorio
de
simulación,
pizarrón,
cañón,
computadora, software de elementos finitos. Actividades a desarrollar en la práctica:
En el siguiente problema describa y aplique los pasos del pre proceso de la teoría de elementos finitos, describa las condiciones de frontera, discretise en varios elementos según combenga
5
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica: EP2: Representar las partes del motor automotriz alternativo en la figura anterior.
6
Nombre
de
la
asignatura: Nombre de la Unidad de Aprendizaje: Nombre de la práctica o
Análisis multifísico Análisis estático estructural
proyecto:
Análisis estático estructural lineal, de una viga usando software de elementos finitos
Número:
3
Duración (horas): 3
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será capaz de: Resultado aprendizaje:
de
Analizar situaciones y problemáticas de sistemas estáticos estructurales y definir cual método de solución es el mejor. · Simular sistemas estáticos estructural aplicando los conceptos del ·
método de elementos finitos . Requerimientos
Laboratorio de simulación, pizarrón, cañón, computadora, software de
(Material o equipo):
elementos finitos.
Actividades a desarrollar en la práctica: Haciendo uso de un software de elementos finitos simular la estructura con las cargas mostradas, la cual tiene una sección transversal de 5 cm^2, obtener el esfuerzo de Von Mises, el factor de seguridad y las deflexiones en las diferentes direcciones.
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica: EP4: Deberán presentar su metodología, además de los resultados obtenidos.
7
Nombre de la asignatura:
Análisis multifísico
Nombre de la Unidad de Aprendizaje:
Análisis térmico
Nombre de la práctica o proyecto:
Análisis térmico-estructural de un pistón
Número:
4
Resultado de aprendizaje:
Requerimientos (Material o equipo):
Duración (horas)
6
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será capaz de: * Analizar y simular problemas que involucren cuestiones térmicas-estructurales, obtención de flujos de calor, deformaciones * proponer acciones de mejora para el diseño de elementos automotrices Laboratorio de simulación, pizarrón, cañón, computadora, software de elementos finitos.
Actividades a desarrollar en la práctica: Simular un pistón de motor haciendo uso de elementos de análisis tanto térmicos con estructurales. Para así poder demostrar la influencia de los esfuerzos térmicos en los estructurales, obtener los flujos de calor, además de las deformaciones y esfuerzos generados. Modelo: Tomar medidas de algún pistón con el que se cuente, de preferencia pistones como los del chevy, Tsuru etc, ya que es mas fácil encontrar información sobre las temperaturas que se generan dentro de la cámara de combustión de estos automóviles, los datos presentados aquí corresponden a un chevy 1.6L, con la finalidad de ahorrar tiempo de computo de preferencia solo trabajar con un ¼ del modelo. Para los cálculos tomar de referencia el ciclo Otto Material: se empleara un aluminio
8
Distribución típica de la temperatura
9
Las temperaturas aplicadas en cada ciclo se apli can en las áreas de la parte superior. 1) 2) 3) 4)
Admisión 293.15 K Compresión 656 K Explosión 2218 K Escape 1142 K
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica: ED1: Práctica de análisis térmico-estructurales EP5: Análisis sobre los efectos térmicos en cuestiones estructurales
10
Nombre de la asignatura:
Análisis Multifisico
Nombre de la Unidad de Aprendizaje:
Análisis de vibraciones
Nombre de la práctica o proyecto:
Análisis de vibraciones de una ala de avión
Número:
4
Duración (horas)
6
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será capaz de: Resultado de aprendizaje:
* Analizar y simular problemas de piezas mecánicas, en el que se encuentren presentes problemas generados o debidos a vibraciones mecánicas.
Laboratorio de simulación, pizarrón, cañón, computadora, software de elementos finitos. Obtener las frecuencias naturales y los modos de vibración de la ala del airoplano, la cuales Requerimientos (Material o equipo):
uniforme a lo largo de la sección transversal, el ala esta sujetada al airoplano, en un extremo de la misma, la geometría se presenta a continuación.
El ala esta hecha de polietileno de baja densidad con un modulo de Ypung de 38x10^3 psi, una relasion de Poison de 0.3 y una densidad de 8.3E-5 lbf-sec^2/in^4, asuma que el ala del avion es solida y que el material es isotropico.
11
Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica: ED1: Práctica de simulación de vibraciones mecánicas EP5: Análisis y simulación de problemas automotrices donde se encuentren presentes las vibraciones mecánicas Nombre de la asignatura:
Análisis multifísico
Nombre de la Unidad de Aprendizaje:
Introducción a las nolinealidades
Nombre de la práctica o proyecto:
Análisis de vibraciones a una ala de avión.
Número:
4
Duración (horas)
6
Al completar la unidad de aprendizaje, el alumno será capaz Resultado de aprendizaje:
de: * Conocer los conceptos de no linealidades, además de la importancia del tema aplicado a la industria automotriz.
Laboratorio de simulación, pizarrón, cañón, computadora, software de elementos finitos. Este es un analisis en 3d de un perno de acero contenido en un barreno de una placa, definir dos Requerimientos (Material o equipo):
pasos de carga, el objetivo del primer paso de carga es observar la interferencia del ajuste entre el perno y el bloque, la finalidad del segundo paso de carga es observar los esfuerzos, la presión del contacto y las fuerzas de reacción.
12
Las dimensiones del modelo son las siguientes: Ancho = 4 unidades Largo = 4 Unidades Profundidad = 1 unidades Radio = 0.5 unidades Profundidad = 1 Unidades Radio = 0.49 Unidades Profundidad = 2.5 Unidad Ambas piezas esta hevhas de acero estructural con una riguidez de 36e6 y una relación de poisson de 0.3 Las cargas seran propuestas por el profesor Evidencias a las que contribuye el desarrollo de la práctica: ED1: Práctica de simulación de nolinealidades EP5: Análisis y simulación de problemas en donde se involucren las no linealidades
13
14
Lista de cotejo
NOMBRE DE LA ASIGNATURA:
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Resulve las siguientes preguntas:
1. Que se entiende por análisis multifisico 2. Menciona la importancia del análisis multifisico en ingeniería 3. Por que se llama método de elementos finitos. 4. Que importancia tiene la simulación actualmente en ingeniería 5. Se puede fabricar piezas mecánicas únicamente con resultados de simulaciones
10%
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo
10%
y ortografía Desarrollo
80%
Solución correcta
15
NOMBRE DE LA ASIGNATURA:
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Responde y resuelve las siguientes preguntas:
1. Que es el preproceso 2. De cuantos pasos consta la solución de un problema mediante el método de elementos finitos 3. De que trata el paso cero 4. Cual es el paso mas importante 5. Que importancia tiene la correcta selección de las condiciones de frontera 6. Que características debe presentar el mallado de las piezas 7. Cuales serian las condiciones de frontera para simular un soporte de balero 8. Cuales serian las condiciones de frontera para una viga empotarada
10%
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo
10%
y ortografía Desarrollo
80%
Solución correcta
16
Dimensiones, ajustes y tolerancias en dibujos de diseño.
NOMBRE DE LA ASIGNATURA,:
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Responde las siguientes preguntas: 1. Mensione tres problemas relacionados con el automovil que se resulva mediante el análisi estructural 2. Que es un analisis estructural Realice el sigueinte proyecto
Mediante el uso de un software de elementos finitos, simular alguna pieza automotriz en donde se involucre el análisis estructural
10%
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo
10%
y ortografía
10
Desarrollo
10
Preproceso
10
Mallado
10
Condiciones de frontera
40
Posproceso
17
NOMBRE DE LA ASIGNATURA,: Análisis multifisico
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Responde las siguientes preguntas: 1 Mensione tres problemas relacionados con el automovil que se resulva mediante el análisis termico estructural 2 Que es un analisis termico estructural Realice el sigueinte proyecto
1. Mediante el uso de un software de elementos finitos, simular alguna pieza automotriz en donde se involucre el análisis estructural
10% 10%
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo y ortografía
10
Desarrollo
10
Preproceso
10
Mallado
10
Condiciones de frontera
40
Posproceso
18
NOMBRE DE LA ASIGNATURA,:
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Responde las siguientes preguntas: 1 Mensione tres problemas relacionados con el automovil que se resulva mediante el análisis de vibraciones 2 Que es un analisis de vibraciones Realice el sigueinte proyecto
Mediante el uso de un software de elementos finitos, simular alguna pieza automotriz en donde
10% 10%
se involucre el análisis de vibraciones
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo y ortografía
10
Desarrollo
10
Preproceso
10
Mallado
10
Condiciones de frontera
40
Posproceso
19
NOMBRE DE LA ASIGNATURA,:
CODIGO:
NOMBRE DEL ALUMNO:
FIRMA DEL ALUMNO:
MATRÍCULA::
GRUPO:
CARRERA::
NOMBRE DEL EVALUADOR:
FECHA:
FIRMA DEL EVALUADOR:
Responde las siguientes preguntas: 1 Mensione tres problemas relacionados con el automovil que se resulva mediante el análisis no linelal 2 Que es un analisis no linela Realice el sigueinte proyecto
Mediante el uso de un software de elementos finitos, simular alguna pieza automotriz en donde se involucre el análisis no lineal
10% 10%
Entrega a tiempo y forma Presentación ( portada, etc.), limpieza de trabajo y ortografía
10
Desarrollo
10
Preproceso
10
Mallado
10
Condiciones de frontera
40
Posproceso
20
TÍTULO: AUTOR: AÑO: EDITORIAL O REFERENCIA: LUGAR Y AÑO DE LA EDICIÓN ISBN O REGISTRO:
The finite element method O.C. Zeinkiewcz & R.L. Taylor 2000 Planta Tree 2000
TÍTULO: AUTOR: AÑO: EDITORIAL O REFERENCIA: LUGAR Y AÑO DE LA EDICIÓN ISBN O REGISTRO:
Fundamentals of finite element analysis
TÍTULO: AUTOR: AÑO: EDITORIAL O REFERENCIA: LUGAR Y AÑO DE LA EDICIÓN ISBN O REGISTRO:
750650494
David V. Hutton
2004 Mc Graw Hill 2004 72395362
Structural Analysis with the finite elemnt method Eugenio Oñate 2009 Springer 2009 9-781402087325
21
