Elementos, materiales y secciones

Ya sabes crear una geometría y encontrar regiones sin depender de IDs. Ahora toca decidir qué comportamiento matemático tendrá cada elemento y demostrar que los atributos almacenados coinciden con tu intención.

Objetivos

Al completar M03 podrás demostrar que:

• Eliges entre una idealización de viga, lámina o sólido según la pregunta física.
• Justificas SOLID185 sin afirmar que un modelo 3D siempre es más preciso.
• Distingues tablas definidas, punteros activos y atributos almacenados.
• Defines un material elástico isotrópico mediante EX y PRXY.
• Explicas cuándo una sección es necesaria y cuándo la geometría ya la contiene.
• Corriges atributos existentes con EMODIF.
• Auditas tipo y material mediante ESEL, *GET y relaciones entre conteos.

Prerrequisitos y descargas

• Haber completado M02 o saber crear mid_elems por centroides.
• Mantener unidades coherentes SI: metros, newtons y pascales.
• Comprender que M03 termina en /PREP7: todavía no aplicaremos cargas ni resolveremos.

Antes de programar: predice

Supón que ejecutas estas instrucciones después de mallar toda la viga con el material 1:

MAT,2
ALLSEL,ALL

¿Se convierten en aluminio los elementos existentes? No. MAT,2 cambia el material que recibirán los próximos elementos. No reescribe los que ya existen. Esta distinción será el hilo conductor de la lección.

Modelo físico — Elegir la idealización

Una misma pieza puede representarse mediante un eje, una superficie media o su volumen. Cada reducción conserva cierta información y descarta otra. El elemento más complejo no es automáticamente el más correcto: la idealización adecuada es la más simple que responde de forma fiable a la pregunta de ingeniería.

Por qué usamos SOLID185

SOLID185 es un elemento sólido estructural de ocho nodos y tres desplazamientos por nodo. Lo elegimos porque el proyecto conductor necesitará más adelante caras para presiones, campos locales y posibles interfaces. Además mantiene visible la relación entre volumen, elementos y nodos que aprendiste en M02.

Secciones: cuándo aparecen

Una línea o superficie no contiene por sí sola toda la geometría transversal:

! Ejemplo conceptual de viga
ET,2,BEAM188
SECTYPE,1,BEAM,RECT
SECDATA,beam_b,beam_h
TYPE,2
SECNUM,1

! Ejemplo conceptual de lamina
ET,3,SHELL181
SECTYPE,2,SHELL
SECDATA,thickness
TYPE,3
SECNUM,2

SECTYPE inicia la definición, SECDATA aporta sus datos y SECNUM activa el número para elementos posteriores. En nuestro BLOCK, ancho y altura ya forman parte del volumen; inventar una sección adicional para SOLID185 no añade información física.

Modelo APDL — Definir no es activar

Paso 1 — Definir el tipo de elemento

ET,1,SOLID185
KEYOPT,1,2,0

ET,1,SOLID185 guarda la formulación bajo el número de tipo 1. KEYOPT,1,2,0 hace explícita la formulación de integración completa con B-bar, que es la opción predeterminada. Escribir el valor por defecto documenta la intención; no significa que las demás opciones sean intercambiables sin estudio.

Paso 2 — Definir materiales isotrópicos

young_steel=210E9
nu_steel=0.30
young_aluminum=70E9
nu_aluminum=0.33

MP,EX,1,young_steel
MP,PRXY,1,nu_steel
MP,EX,2,young_aluminum
MP,PRXY,2,nu_aluminum

Para elasticidad lineal isotrópica bastan el módulo de Young EX y el coeficiente de Poisson PRXY. El número tras la propiedad es el ID del material, no una unidad. En el sistema SI del curso, 210E9 representa 210 GPa.

Paso 3 — Activar y mallar

TYPE,1
MAT,1

BLOCK,0,beam_l,0,beam_h,0,beam_b
ESIZE,mesh_h
VMESH,ALL

Justo antes de VMESH, los punteros dicen: «los próximos elementos serán tipo 1 y material 1». Al mallar, cada elemento guarda esos números. Definir el material 2 no lo asigna todavía a nada.

Paso 4 — Preparar la banda central

ALLSEL,ALL
ESEL,S,CENT,X,0.4*beam_l,0.6*beam_l
CM,mid_elems,ELEM
*GET,n_mid_elems,ELEM,0,COUNT
ALLSEL,ALL

Reutilizamos el patrón robusto de M02. El componente no depende de IDs y será el ámbito exacto de la modificación del reto.

Paso 5 — Auditar los elementos, no los punteros

*GET,n_elements,ELEM,0,COUNT

ESEL,S,TYPE,,1
*GET,n_type1,ELEM,0,COUNT
ALLSEL,ALL

ESEL,S,MAT,,1
*GET,n_mat1,ELEM,0,COUNT
ALLSEL,ALL

ESEL,S,MAT,,2
*GET,n_mat2,ELEM,0,COUNT
ALLSEL,ALL

ESEL,S,MAT,,2 pregunta qué elementos almacenan material 2. No pregunta qué material está activo. El caso base solo aprueba si:

n_type1 = n_elements
n_mat1  = n_elements
n_mat2  = 0
0 < n_mid_elems < n_elements

ETLIST,1 y MPLIST,ALL complementan la auditoría: muestran las definiciones, mientras los conteos demuestran las asignaciones.

Paso 6 — Corregir una asignación existente

En el reto, la secuencia correcta preserva el ámbito seleccionado:

CMSEL,S,mid_elems
EMODIF,ALL,MAT,2
ALLSEL,ALL

Aquí ALL significa todos los elementos seleccionados. Por eso ALLSEL,ALL debe ir después. Si lo ejecutas antes, convertirás toda la viga.

Contrato CSV

03_elements_materials.mac genera m03_attribute_audit.csv:

case,n_elements,n_type1,n_mat1,n_mat2,n_mid_elems,young_steel,young_aluminum,young_ratio,passes

No fijamos un número exacto de elementos porque puede variar con el mallador o la versión. Las relaciones sí expresan la intención del modelo. En el caso base, passes=1 exige que todo sea acero; en el reto, la banda debe ser aluminio y la razón de módulos debe valer 3.

Patrón reutilizable

! 1. Definir
ET,type_id,element_name
MP,EX,material_id,young

! 2. Activar
TYPE,type_id
MAT,material_id

! 3. Crear
VMESH,ALL

! 4. Auditar
ESEL,S,MAT,,material_id
*GET,n_assigned,ELEM,0,COUNT
ALLSEL,ALL

Caza de errores

Ejecuta 03_bug_hunt.mac. No busca errores fatales: contiene cinco decisiones plausibles que producen un modelo distinto del anunciado. Para cada una escribe: síntoma, causa, prueba y corrección.

1. Comprueba las unidades del módulo elástico del acero.
2. Identifica qué material estaba activo durante VMESH.
3. Explica por qué SECNUM,1 no crea una sección y sobra en este sólido.
4. Localiza dónde se pierde el ámbito de mid_elems.
5. Demuestra por qué MAT,1 no repara elementos existentes.

Reto verificable — Viga bimaterial

Completa 03_challenge.mac. La zona 0.4L ≤ X ≤ 0.6L será aluminio y el resto acero. No vuelvas a mallar, no uses IDs y no entres en /SOLU.

Autoevaluación

1. ¿Qué diferencia hay entre MP,EX,2,70E9 y MAT,2?
2. ¿Por qué consultar el puntero activo no demuestra el material de elementos existentes?
3. ¿Qué información añade una sección a BEAM188?
4. ¿Por qué no añadimos SECNUM al sólido homogéneo?
5. ¿Qué ocurre si ejecutas ALLSEL,ALL antes de EMODIF,ALL,MAT,2?

Evidencia de aprendizaje

Conserva en tu carpeta de trabajo:

• m03_attribute_audit.csv del caso base con passes=1.
• El CSV del reto con ambos materiales presentes y la banda central correctamente asignada.
• Una captura o copia de ETLIST,1 y MPLIST,ALL.
• Tu diagnóstico de los cinco defectos de 03_bug_hunt.mac.
• Una frase técnica justificando por qué se usa SOLID185 en este curso.

Checklist de salida

• ☐ Puedo distinguir modelo de viga, lámina y sólido.
• ☐ Sé qué comandos definen tablas y cuáles activan punteros.
• ☐ Comprendo cuándo VMESH copia los atributos.
• ☐ Puedo cambiar elementos existentes con EMODIF.
• ☐ Audito TYPE y MAT mediante conteos, no por apariencia visual.
• ☐ Mi caso base y mi reto generan un CSV reproducible.
• ☐ No he aplicado cargas ni resuelto el modelo.

Trazabilidad técnica

Esta lección se apoya en Ansys Mechanical APDL Element Reference para BEAM188, SHELL181 y SOLID185; Material Reference para elasticidad lineal isotrópica; y Command Reference 2024 R1 para los comandos presentados.