Ejercicio SMM - Parte 9
SolidWORKS Motion - Movimiento básico
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Step 1: animación vs movimiento
En el tutorial previo abordamos cuestiones básicas sobre animación, que es un recurso muy utilizado para presentar modelos 3D exhibiendo sus componentes e interacciones. No obstante, una animación "hace lo que el usuario quiera" ignorando las leyes de la física y remitiéndose a mostrar movimientos, cambios de apariencia y de puntos de vista de forma totalmente arbitraria. Por tal motivo, su uso en ingeniería conceptual es al solo efecto de "mostrar componentes y movimientos arbitrarios" pero no sirve como recurso de "validación virtual".
Un primer avance hacia la validación virtual implica que el sistema considere la masa de los componentes, la acción de la gravedad, motores, resortes y contactos entre piezas a fin de "calcular el movimiento basándose en leyes físicas". De este modo, y aunque aún faltan otros elementos, el resultado puede considerarse una buena aproximación al comportamiento del modelo en el mundo real. Por lo tanto, el sistema se convierte en un recurso de "validación virtual" de gran utilidad en la etapa conceptual del diseño, donde se barajan distintas alternativas de solución y resultaría caro y lento validarlas construyendo y probando prototipos reales.
El SW Motion nos provee estas funcionalidades básicas para validación en su modo de trabajo "Basic Motion" que exploraremos brevemente en este tutorial.
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Step 2: gravedad
A partir del estudio de animación que habíamos elaborado, haciendo click derecho podemos crear un nuevo estudio:
Y elegir la opción "Basic Motion" en el menú desplegable de la izquierda:
Notaremos que el modelo adopta el punto de vista actualmente vigente en el área gráfica del SolidWORKS y, en este nuevo contexto de "Basic Motion" siguen valiendo las funcionalidades que ya describimos para el modo "Animation".
Podemos empezar nuestro recorrido definiendo un tiempo de simulación pequeño, digamos 0.5 seg, para que los cálculos no insuman mucho tiempo y, a la vez, podamos ver qué tan rápido actúa el efecto de GRAVEDAD que probaremos.
Con los controles de zoom (lupas) a la derecha de la barra del Motion podremos ampliar la visión de ese medio segundo para verlo con mayor claridad, usando la opción "Zoom to fit" para que cubra todo el ancho de la barra temporal:
Asegurándonos de estar posicionados en el instante 0 seg (o en cualquier otro que decidamos "conscientemente" y no por haber hecho click accidentalmente en cualquier punto de la barra temporal) activemos el efecto gravitatorio:
Notaremos que el valor por defecto corresponde a la aceleración gravitatoria terrestre a nivel del mar. Por supuesto que este valor podrá ser manipulado en caso de estudios para la Luna o Marte u otro contexto con distintos valores de aceleración.
El cuadro de diálogo también permite especificar la dirección y el sentido de la misma, ya que no necesariamente deben coincidir el "la dirección vertical" del modelo 3D desde el punto de vista que adoptamos arbitrariamente. Por ejemplo, en la siguiente imagen figura por defecto el eje Y en sentido hacia abajo...
...y para este ejemplo lo cambiaremos por el eje Z en el sentido que sale de la pantalla. Si la dirección que deseamos utilizar no coincidiera con ninguno de los ejes del modelo, podríamos crear cualquier geometría (arista, eje, etc.) y seleccionarla en el espacio "Direction Reference" del cuadro "Gravity Parameters":
Para decidir el sentido debemos observar la flecha verde que aparece en la esquina inferior derecha de la pantalla, en correspondencia con el vector de aceleración:
Una vez aceptado el cuadro de diálogo, aparecerá en el árbol de operaciones del Motion un nuevo elemento "Gravity" con una barra de color verde que indica que el efecto se encuentra activo (ya que también es posible suprimirlo).
Una vez calculada la simulación estará disponible para su revisión instante a instante y/o su grabación como video:
Desde 0 seg, y cada 0.1 seg, podemos apreciar cómo se incrementa la velocidad del movimiento (mayores espacios recorridos para iguales intervalos de tiempo):
Hasta el momento no hemos prestado atención a la asignación de un material específico, ni al crear el modelo 3D ni en las últimas instancias de animación y movimiento gravitatorio (que no se ve afectado por la masa y por ello todos los dígitos experimentan iguales velocidades, a pesar de sus diferentes volúmenes).
Pero, para subsiguientes análisis la masa es un parámetro importante y tendremos que prestar atención a su valor real.
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Step 3: contacto entre partes
Bajo el efecto de la gravedad que definimos en el paso previo, empezaremos a experimentar con el contacto entre partes.
Seleccionaremos solo dos partes que sabemos que están en contacto, a fin de apreciar los efectos de un contacto más realista entre las mismas. Por razones de velocidad de cálculo, siempre que sea posible evitaremos pedir que simule contacto entre piezas que sabemos que no se tocan o cuyo realismo en el contacto no nos interesa. En este sencillo caso seleccionamos dos piezas que se convierten en el único par de contactos que el sistema calculará.
Luego de aceptar este cuadro y calcular la simulación podemos inspeccionar cuadro a cuadro el resultado de simular un contacto más realista entre estas piezas. Entre 0 y 0.07 seg no se aprecia a simple vista el movimiento:
Pero a partir de allí los desplazamientos se hacen evidentes a simple vista y también las diferencias entre las piezas que no simulan contacto y las que sí lo hacen:
Podemos suponer que el rozamiento es responsable del frenado del dígito "1" e incluso, por una distribución desigual en virtud de su forma, también se produce un giro al salir de su cubo.
En este punto pareciera que el procedimiento está muy simplificado y no tiene complicaciones, pero a la vez no provee demasiados datos de control. Por ejemplo, sobre las propiedades (rozamiento, dureza superficial, etc.) de los materiales.
Convendrá detenerse un poco y revisar algunas cuestiones que no tienen que ver con la física sino con los parámetros de cálculo, por un lado, y por el otro, hacer pruebas definiendo otros materiales y prestando atención a cualquier variación en los resultados.
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Step 4: propiedades del estudio motion
Es buen momento para explorar al menos algunas propiedades de los estudios motion y percibir su influencia en los resultados para tomar consciencia de que una simulación computacional refleja la física de los fenómenos pero inevitablemente influenciada por los métodos numéricos que aplica.
Empecemos a explorar el menú de configuración de propiedades de los estudios:
Lo primero que notamos es que hay dos solapas independientes para especificar propiedades del entorno Animation y del entorno Basic Motion:
Como ya se ha sugerido antes, recurramos a la ayuda contextual para empezar a comprender de qué se tratan estas propiedades:
Ambos tipos de estudio (animación y movimiento básico) permiten especificar la cantidad de capturas de pantalla durante el movimiento, lo cual incide en la suavidad que se observa en los movimientos. Por ejemplo, en la prueba anterior con contacto entre sólidos vimos que hasta el instante 0.07 seg no se apreciaban cambios de posición en las piezas. Veamos si un incremento en la cantidad de 10 veces en las "frames" cambia de algún modo esta situación:
Para apreciar aún más cualquier diferencia, grabemos estas animaciones a 0.1X (velocidad reducida 10 veces). Primero se muestra el caso 160 frames per second y debajo el de 16 frames per second:
Claramente la suavidad del movimiento se incrementa con la cantidad de frames, así como el tiempo de cálculo. Sin embargo, esto es solo una cuestión visual porque el fenómeno físico calculado no ha cambiado. Es decir, todas las piezas llegan a las mismas posiciones al finalizar el tiempo de simulación, lo cual indica que internamente los cálculos son igualmente precisos (también ellos tienen sus propios parámetros para controlar precisión).
Veamos ahora el resultado de incrementar al máximo la calidad de la malla (Geometry Accuracy):
Este resultado puede parecer contradictorio, pero ¿no es lógico? Si nuestro modelo 3D es un encastre perfecto (con juego nulo) entre el dígito y su cubo, entonces al recrear con total precisión estas formas, y bajo la acción de una fuerza pequeña (como la inducida por la gravedad a una pieza de poca masa), tiene lógica que ambas piezas permanezcan "encastradas". En tanto que, cuando sus mallas se representaron en forma menos precisa, probablemente tenían muchos menos puntos de contacto entre sí y un menor efecto de rozamiento:
Retornemos la precisión a su valor inicial y probemos qué sucede con el parámetro "3D Contact Resolution" llevándolo a su máximo valor:
Nuevamente sucede que un alto valor genera el frenado de la pieza, en esta oportunidad por tolerar "prácticamente nada" de penetración entre mallas.
Con las geometrías CAD perfectas, estas cuestiones no existirían, pero la simulación utiliza mallas que aproximan las geometrías con mayor o menor precisión, y por tanto aparecen los efectos de curvas teóricas que se convierten en aristas facetadas cuyos nodos, incluso, puede superponerse (penetrar) las mallas de otras piezas con la que no había ningún solapamiento al considerar sus geometrías perfectas.Para incrementar aún más nuestra sorpresa, podemos probar algo que no funcionó antes: incrementar al máximo la precisión de la geometría, pero reducir 1 punto la resolución del contacto (la tolerancia a solapamientos):
Veamos con cuidado el resultado de esta simulación:
Como aspecto positivo podemos ver que el dígito "1" ya no se queda bloqueado... pero, si al salir de su cubo está sometido solo a la gravedad ¿por qué se acelera más que los otros dígitos que, inclusive, ya tenían una mayor velocidad inicial?
Es bastante desconcertante comprobar que el dígito "1", inicialmente con dificultades para salir de su cubo debido al rozamiento, se acelera más que el resto y llega a una posición final mucho más lejana que los otros. ¿Qué está pasando aquí? ¿Cómo fue posible manipular tanto la "física del fenómeno" a partir de unos pocos parámetros de la simulación numérica?
Estos comentarios no pretenden confundir sino de hacer tomar consciencia de que "una simulación numérica" puede o no reproducir "un fenómeno físico real" dependiendo de la especificación de sus parámetros. Es evidente que necesitamos conocer más y tener mayor control de la simulación. Al no tener a la vista las propiedades del material que hemos asignado (coeficiente estático y dinámico de rozamiento, coeficiente de impacto superficial, etc.) es difícil que podamos saber si este "comportamiento desconcertante" surgió de "un empuje adicional" provocado por las mallas que se penetraron mutuamente y liberaron fuerzas elásticas (en función de esos parámetros superficiales que no hemos podido ver ni modificar).
Tal nivel de control es provisto por Motion en su modo de trabajo "Motion Analysis" que está disponible al activar el Add-In SOLIDWORKS MOTION y que veremos en futuros tutoriales. Mientras tanto, tengamos en cuenta que el Basic Motion puede servir como validación virtual pero de forma muy limitada (y eventualmente riesgosa si "nuestra validación" se obtiene manipulando parámetros matemáticos que pueden alejar el resultado numérico de la auténtica realidad física).
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Step 5: próximos pasos
Parece conveniente abordar el modo de funcionamiento más avanzado del Motion en los próximos tutoriales, sabiendo que todo lo visto en Animation y Basic Motion todavía será válido en el modo de trabajo "Motion Analysis" que, además, nos proveerá mucha más información, niveles de control y recursos de simulación (fuerzas, momentos, etc.) y de observación (gráficas de posición, velocidad, aceleración, fuerzas y momentos, etc.).
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