Desarrollo y validación de metodología numérico-experimental para análisis de grandes deformaciones en flexión

Abstract

Los mecanismos flexibles constituyen una alternativa innovadora a mecanismos convencionales al transmitir movimiento mediante deformación elástica, ofreciendo ventajas en precisión, durabilidad y miniaturización. Su análisis numérico requiere formulaciones de grandes deformaciones que capturen no linealidades geométricas. Este trabajo evaluó la efectividad de diferentes métodos de simulación disponibles en ANSYS para el análisis de grandes deformaciones mediante validación experimental con correlación digital de imágenes (DIC). La metodología integró simulación numérica empleando Static Structural y Explicit Dynamics, y validación experimental mediante ensayos de flexión en tres puntos con DIC 2D. Se evaluaron tres geometrías distintivas (probetas de acero MN65 y acero de ballesta automotriz Fiat126 en configuraciones recta y curva), alcanzando deflexiones del 6–10 % de la luz total. Los resultados demostraron que ambas formulaciones predicen con precisión aceptable las deflexiones verticales (errores 3–8 % para Explicit Dynamics, 19–33 % para Static Structural en configuraciones óptimas; R² > 0,96), siendo Explicit Dynamics consistentemente superior para todas las geometrías evaluadas. En geometrías complejas, Explicit Dynamics alcanzó el error mínimo del estudio (3,79 % versus 19,21 % de Static Structural). Se estableció que la representación de las condiciones de contorno es el factor dominante sobre la densidad de mallado. La comparación entre formulaciones de grandes y pequeñas deformaciones reveló que, mientras las deflexiones verticales muestran diferencias marginales (< 2 % en error), los desplazamientos horizontales experimentan degradación severa con incrementos de error superiores al 100 % al desactivar Large Deflection, validando experimentalmente la necesidad de formulaciones no lineales para análisis de trayectorias completas. El protocolo metodológico desarrollado, que incluye caracterización del límite de detección del sistema de medición, estudios paramétricos de optimización de configuraciones, y estrategias de comparación cuantitativa mediante extracción de datos en fibra central, proporciona bases sólidas para el diseño y análisis de mecanismo flexibles. Las recomendaciones establecidas priorizan optimización de condiciones de contorno sobre refinamiento de malla, sugieren Explicit Dynamics como formulación preferida para análisis de grandes deformaciones, y contribuyen al desarrollo de metodologías confiables para aplicaciones en mecanismos flexibles de alta precisión. Compliant mechanism offer an innovative alternative to conventional mechanisms by transmitting motion through elastic deformation instead of rigid joints, providing advantages in precision, durability, and miniaturization. Their numerical analysis requires large deformation formulations to capture geometric nonlinearities. This work evaluated the effectiveness of different simulation methods available in ANSYS for large deformation analysis through experimental validation using Digital Image Correlation (DIC). The methodology integrated numerical simulation employing Static Structural and Explicit Dynamics, and experimental validation through three-point bending tests with 2D DIC. Three distinct geometries were evaluated: steel specimens (MN65 steel and automotive leaf spring steel Fiat126 in straight and curved configurations), reaching deflections of 6–10% of the total span. The results demonstrated that both formulations predict vertical deflections with acceptable accuracy (errors 3–8% for Explicit Dynamics, 19–33% for Static Structural in optimal configurations; R^2>0.96). Explicit Dynamics proved consistently superior for all geometries evaluated. In complex geometries, Explicit Dynamics achieved the study's minimum error (3.79% versus 19.21% for Static Structural). The representation of boundary conditions was established as the dominant factor over mesh density. The comparison between large and small deformation formulations revealed that while vertical deflections showed marginal differences ($<2\%$ in error), horizontal displacements experienced severe degradation with error increases exceeding $100\%$ upon deactivating the Large Deflection option, experimentally validating the necessity of nonlinear formulations for full trajectory analysis. The developed methodological protocol, which includes characterization of the measurement system's detection limit, parametric studies for configuration optimization, and quantitative comparison strategies using data extraction at the central fiber, provides solid bases for the design and analysis of compliant mechanism. The established recommendations prioritize optimization of boundary conditions over mesh refinement, suggest Explicit Dynamics as the preferred formulation for large deformation analysis, and contribute to the development of reliable methodologies for high-precision compliant mechanism applications.