Capítulo
16
Integración con FLAC3D
16.1 Integración con FLAC3D
16.1.1 Introducción
El objeto de esta utilidad es proporcionar al usuario de CivilFEM, que disponga además del programa FLAC3D (Fast Lagrangian Análisis of Continue in three Dimensions), una herramienta que le permitirá realizar la interconexión entre ambos programas.
Esta conexión se realiza básicamente a nivel de preproceso, con la exportación del modelo de CivilFEM a FLAC3D (comando ~CFFL3D), y en postproceso, con la importación a CivilFEM de los esfuerzos de los elementos estructurales calculados en FLAC (comando ~FL3DRES). En la siguiente figura se muestra un esquema general de la integración:
16.1.2 Preproceso: exportación del modelo
En esta fase se realiza la exportación del modelo creado en CivilFEM a FLAC3D. Esta operación se lleva a cabo mediante el uso del comando ~CFFL3D, que se encarga de la exportación de los elementos válidos seleccionados así como de sus atributos.
Durante el proceso de exportación se crean los siguientes ficheros en el directorio de trabajo:
CFTOFL3D.DAT Fichero FISH que contiene los comandos necesarios para restaurar la base de datos en FLAC 3D. Este fichero se puede llamar directamente desde este programa para cargar el modelo.
CFTOFL3D.ERR Fichero ASCII con las posibles incidencias, clasificadas en WARNINGS y ERRORS, ocurridas durante el proceso de exportación.
FL3DRES.DAT Fichero FISH para utilizar en la fase de postproceso de FLAC3D y que contiene la rutina para obtener los esfuerzos de los elementos estructurales.
16.1.2.1 Generación de la malla del terreno
El modelo creado CivilFEM formado por nudos y elementos se traduce en FLAC3D en una malla de diferencias finitas formadas por GRIDPOINTS y ZONES.
El elemento a utilizar en ANSYS para modelizar los terrenos que se van a exportar a FLAC debe ser el SOLID45, pudiendo usar este elemento en cualquiera de sus formas degeneradas.
Si el material asociado a los elementos del terreno ha sido definido mediante CivilFEM como suelo o roca, especificando el modelo constitutivo y sus correspondientes propiedades, estas propiedades serán también exportadas al modelo FLAC. Por el contrario, si el material no ha sido definido mediante CivilFEM, sólo se exportará la geometría de las zonas correspondientes, por lo que habrá que introducirlas posteriormente en FLAC.
Existe la posibilidad de afinar la malla en FLAC mediante la introducción, como argumento del comando, del número de divisiones en cada dirección que se quiere realizar en cada elemento original. Este número puede ser diferente en cada dirección de cada una de las zonas exportadas, por lo que los elementos del modelo original deben estar convenientemente orientados para mantener la coherencia de la malla en FLAC.
Otra posibilidad que permite el comando de exportación, es la de dividir los elementos con forma de tetraedros en cuatro hexaedros. Esta posibilidad requiere que los elementos del terreno modelizados en ANSYS y CivilFEM sean todos tetraedros. Los elementos placa apoyados en las caras de estos tetraedros se dividen en seis elementos triangulares (dos por cara en los nuevos hexaedros).
16.1.2.2 Generación de nodos y elementos estructurales
Los nodos y elementos estructurales seleccionados en ANSYS se extraen como nodos y elementos estructurales en FLAC3D y mantienen la numeración.
Los elementos válidos en ANSYS son los siguientes:
LINK8, BEAM4, BEAM44,SHELL43, SHELL63
Las placas modelizadas en ANSYS, para poder ser exportadas a FLAC deben ser de 3 nodos.
El tipo de elemento FLAC exportado queda definido dentro de las propiedades del material asociado definido con CivilFEM. Los elementos estructurales cuyo material no haya sido definido con CivilFEM no serán exportados a FLAC3D.
16.1.2.3 Materiales de los elementos del terreno
Los elementos del terreno exportados se agrupan en FLAC3D en bloques denominados MATnnnnn, siendo nnnnn el número de material asignado en ANSYS, por ejemplo, todos los elementos que tengan asignados el material 12 se agruparán en el bloque MAT00012.
No es imprescindible definir los materiales en CivilFEM si se desea hacerlo directamente en FLAC, basta con asignar los correspondientes punteros de material a cada elemento para agruparlos y posteriormente realizar esta definición en FLAC.
Si se desea realizar la definición de los materiales del terreno en CivilFEM, se debe utilizar un material tipo suelo o roca, especificar el tipo de modelo constitutivo y definir sus correspondientes propiedades. Si el tipo constitutivo es elástico, sus propiedades quedan automáticamente definidas tomando los valores correspondientes del suelo o roca definida. Si se utiliza cualquier otro modelo constitutivo, debe ser el usuario el que defina estos valores.
16.1.2.4 Propiedades de los elementos estructurales
Las propiedades asignadas a los elementos estructurales en FLAC3D se extraen de las propiedades del material, propiedades de la sección transversal y sistemas de ejes definidos en CivilFEM y ANSYS.
16.1.3 Postproceso: importación de los resultados
Una vez resuelto el modelo en FLAC3D es posible enviar los resultados de los elementos estructurales a CivilFEM para su postproceso, chequeo o dimensionamiento según normas.
Los elementos estructurales de los que se importarán los resultados serán aquellos que inicialmente hubieran sido definidos mediante CivilFEM (si se han definido directamente con ANSYS no será posible la importación). En la versión actual los resultados que es posible enviar a ANSYS se limitan a los esfuerzos de elementos cable, viga y placa. En los elementos placa se importan los esfuerzos según los ejes del elemento, por lo deben estar correctamente alineados cuando se realiza la exportación del modelo.
El procedimiento consiste en extraer los resultados de los elementos estructurales de FLAC3D a un archivo ASCII y su posterior lectura desde CivilFEM.
Como se vio en el apartado anterior, cuando se realiza la exportación del modelo desde ANSYS y CivilFEM se crea un fichero FISH llamado FL3DRES.DAT que contiene la rutina de exportación desde FLAC de los resultados de los elementos estructurales. Simplemente hay que llamar desde FLAC a este fichero para automáticamente crear el fichero FL3DRES.EXP con los resultados.
Una vez exportados los datos desde FLAC3D, se importan automáticamente los resultados mediante el uso del comando ~FL3DRES.
Los resultados se añaden como un nuevo ‘Data Set’ en el fichero de resultados de CivilFEM (*.RVC). Es posible, mediante la utilización repetida del comando de exportación, tener distintos ‘Data Set’ correspondientes a distintas hipótesis o estados resueltos en FLAC3D.
Pueden coexistir en el mismo fichero, tanto resultados calculados directamente en ANSYS y CivilFEM, como resultados importados desde FLAC
Para apuntar a los resultados exportados se sigue el procedimiento normal utilizando el comando ~CFSET.
16.2 Descomposición de una malla tetraédrica en elementos hexaédricos
16.2.1 Introducción
El objeto de esta utilidad es permitir que una malla, constituida con elementos SOLID45, todos ellos degenerados a tetraedros se conviertan en una malla hexaédrica, descomponiendo cada tetraedro en cuatro hexaedros.
Los elementos SHELL43 y SHELL63, que pudieran estar pegados a las caras de los tetraedros, se descompondrán en seis elementos triangulares.
Para la realización de la descomposición es necesario tener en cuenta el sistema de numeración de nudos que emplea ANSYS para los elementos degenerados de las familias utilizadas, SOLID45, SHELL43 y SHELL63, que es la siguiente:
TETRAÉDROS: I, J, K, K, M, M, M, M.
LÁMINAS: I, J, K, K.
16.2.2 Creación de Nudos
Se crean los nudos:
IJKM - Centro del tetraedro
IJM, JKM, KIM, IJK - Centro de cara
IJ, JK, KI, IM, JM, KM - Centros de arista
Con la siguiente formulación:
- Nudos de arista
- Nudos de centro de cara
- Nudo central
Siendo en todos los casos A, B, C, D, Î {I, J, K, L}
16.2.3 Creación de elementos SOLID45
Una vez obtenidos todos los nudos, los nuevos elementos son:
ELI = KI, I, IJ, IJK, KIM, IM, IJM, IJKM
ELJ = IJ, J, JK, IJK, IJM, JM, JKM, IJKM
ELK = JK, K KI, IJK, JKM, KM, KIM, IJKM
ELM = KM, M, IM, IKM, JKM, JM, IJM, IJKM
16.2.4 Creación de elementos SHELL43 y SHELL63
Dado un elemento cualquiera I, J, K, K, éste dará lugar a seis elementos nuevos.
I, IJ, IJK, IJK
IJ, J, IJK, IJK
J, JK, IJK, IJK
JK, K, IJK, IJK
K, KI, IJK, IJK
KI, I, IJK, IJK
16.2.5 Formas de los elementos
Si la malla original estuviese formada por tetraedros regulares, tanto los ladrillos como las láminas generadas cumplirán sin problemas las limitaciones de forma exigidas por ANSYS (que pueden no ser iguales a de las requeridas por FLAC3D, dado que los procedimientos de trabajo que emplean son diferentes, al menos en lo que se refiere al terreno).
Sin embargo esto puede no ocurrir en mallas muy irregulares, por ello es conveniente realizar mediante ANSYS un chequeo de la forma de los elementos resultantes.