Análisis de Elementos Finitos: ¿Qué es y cómo funciona?

¿Alguna vez te has preguntado cómo los ingenieros y fabricantes prueban la durabilidad, resistencia y seguridad de sus diseños? Si alguna vez has visto un comercial de autos, podrías creer que los ingenieros y diseñadores destruyen continuamente sus productos para probar su resistencia. Podrías concluir que los fabricantes repiten este proceso hasta que el diseño pueda soportar una cantidad tremenda de daño y alcance un punto aceptable de durabilidad. Aunque cuesta millones a las empresas probar y destruir sus conceptos, ¿es esta la única manera de demostrar la durabilidad de un producto? La respuesta a eso es sí y no. Aunque los ingenieros casi siempre prueban el diseño final de un producto haciéndolo interactuar con fuerzas físicas reales, los ingenieros y fabricantes también utilizan software de ingeniería asistida por computadora (CAE) para optimizar la resistencia y durabilidad antes de probarlo realmente. El proceso de usar software para probar cómo un producto reacciona a fuerzas del mundo real se llama análisis de elementos finitos (FEA). ¿Qué es el análisis de elementos finitos? El análisis de elementos finitos utiliza ecuaciones matemáticas complejas, modelos y simulaciones para entender cómo los objetos interactúan con fuerzas físicas. Esto ayuda a los ingenieros a entender la durabilidad de los objetos y cómo optimizarla. Aunque el FEA contiene una serie de pasos complejos, se puede desglosar en un solo objetivo: probar los efectos de los factores de estrés en un objeto. ¿Por qué usar el análisis de elementos finitos? Hay varias maneras en que el análisis de elementos finitos puede ayudar a los ingenieros y fabricantes a acelerar las funciones principales de sus trabajos diarios. El análisis de elementos finitos reduce drásticamente los costos de fabricación. Históricamente, los ingenieros y fabricantes tenían que rediseñar manualmente los objetos una y otra vez hasta que los ingenieros estuvieran seguros de que el diseño final permanecería intacto bajo estrés físico. Esto requería muchos rediseños, lo que alargaba el proceso de diseño, costando mucho dinero. Sin embargo, con el análisis de elementos finitos, los diseñadores pueden probar la durabilidad dentro del espacio virtual del software de ingeniería asistida por computadora. Esto reduce significativamente los tiempos de entrega de los proyectos, lo que ahorra dinero y tiempo a los fabricantes mientras reduce el desperdicio de material. El resultado final es un diseño seguro y duradero. Cómo realizar un análisis de elementos finitos El análisis de elementos finitos es un método de análisis estructural que utiliza procesos matemáticos. El FEA requiere que descompongas un objeto más grande y complicado en secciones más manejables. A medida que sigues dividiendo la estructura, obtienes una mejor idea de cómo el objeto responderá a los factores de estrés. Este método de descomponer una estructura para el FEA se conoce como el método de elementos finitos (FEM). Paso 1: Modelado Mientras modelas el objeto, debes omitir las características geométricas sofisticadas y ver la estructura básica del objeto. Presta atención a qué características están presentes por razones estructurales frente a la atracción estética. Entiende por qué estás eliminando un aspecto geométrico mientras mantienes otro. Paso 2: Definición de materiales Como sugiere el nombre del paso, las propiedades del material deben definirse aquí. Estas dependen del tipo de análisis que se esté llevando a cabo. Juega con diferentes materiales para verificar cuál se ajusta a las necesidades requeridas. Paso 3: Definición de cargas Tu estructura no puede existir en un vacío. Este paso te ayuda a identificar qué fuerzas externas están actuando sobre la estructura. ¿Cómo afecta a un componente frente a otro? Paso 4: Condiciones de frontera Como hemos hecho en problemas matemáticos antes, establecer condiciones para las cuales existirá la estructura se hace principalmente para reducir la complejidad del problema. Si conocemos las condiciones de antemano, nos ayuda a ahorrar mucho tiempo al calcular. Paso 5: Mallado La geometría de tu estructura se divide en formas más pequeñas llamadas, redoble de tambores por favor, elementos finitos. El mallado simplemente significa conectar los cálculos de estos elementos finitos para crear una estructura de malla. Nota: cuanto más densa sea tu estructura de malla, más precisos serán tus resultados. Sin embargo, a medida que agregas puntos nodales, los cálculos complejos aumentarán. Paso 6: Solución En pocas palabras, las ecuaciones diferenciales parciales se convierten en ecuaciones algebraicas. Esto ayudará a representar ecuaciones como matrices. Las matrices singulares se ensamblan luego en una matriz global, que luego se resuelve para variables desconocidas. En este punto, tu software de computación FEM habrá creado una representación para tu objeto. Sigue verificando diferentes diseños para ver cuál se adapta a tus requisitos. Ejemplos del método de elementos finitos Aunque el método de elementos finitos puede parecer complejo en teoría, los casos de uso práctico lo hacen mucho más fácil de entender. Un caso de uso principal del método de elementos finitos es probar la resistencia y durabilidad de un puente. Cuando los ingenieros diseñan un puente, la estética tiende a llevarse toda la gloria. Como consumidores y habitantes de la ciudad, priorizamos el atractivo visual de una pieza de arquitectura sobre su seguridad y durabilidad. Es por eso que uno de los puentes más famosos del mundo es el hermoso Puente Golden Gate en San Francisco. Es una obra maestra arquitectónica que fue el puente colgante de un solo tramo más largo del mundo en el momento de su construcción. Conectó el condado de Marin con la ciudad de San Francisco y era visualmente atractivo. Pero, ¿con qué frecuencia la gente piensa en cuánto planeamiento se necesitó para diseñar una estructura tan grande? ¿Cómo construyeron los ingenieros un puente que ha resistido más de 80 años sin software de computadora para ayudarlos? La respuesta está en el método de elementos finitos. Cuando pensamos en el Puente Golden Gate, uno puede apreciar todos los diferentes elementos que los ingenieros tuvieron que tener en cuenta. El puente es efectivamente una plataforma de puente, pilones, cables, vigas y cimientos combinados en un solo objeto capaz de soportar 887,000 toneladas. A continuación, los ingenieros tuvieron que probar cómo este puente reaccionaría a los terremotos y los fuertes vientos comunes en el Área de la Bahía. La mejor manera de hacer esto fue desglosar cómo cada elemento respondería a las fuerzas físicas para construir todo el puente. Por ejemplo, el sistema de celosía debajo del puente se agregó para endurecer la plataforma y reducir la tensión de la carretera en el propio puente. Sin él, el puente colapsaría. Los ingenieros incluso colocaron amortiguadores en cada extremo del puente para ayudarlo a soportar fuerzas sísmicas. Sin los amortiguadores, el puente podría colapsar en un terremoto. Pensar que los ingenieros del Puente Golden Gate tuvieron que hacer todo esto manualmente es asombroso. Aún así, lo que es aún más impresionante es que lograron todo esto en solo cuatro años, confiando en el método de elementos finitos. Avancemos hasta hoy; tenemos software de ingeniería asistida por computadora que permite a los ingenieros realizar análisis de elementos finitos antes de que comience la construcción. Mientras que los ingenieros de antaño tenían que pensar en todos estos elementos de antemano, los ingenieros de hoy pueden optimizar y garantizar la seguridad de sus diseños utilizando software. Es por eso que la construcción del Puente Golden Gate se vería completamente diferente hoy. Con el software CAE, los usuarios pueden jugar con la geometría de la construcción para construir estructuras duraderas y seguras. Una vez que hayas terminado de diseñar una estructura u objeto, el software realiza el análisis de elementos finitos. En el caso de un puente, esto implica principalmente el estrés directo que el peso tendría en la estructura. El software puede entonces identificar qué elementos del puente fallarían bajo tensiones específicas y si el puente colapsaría. Usando el análisis de elementos finitos, los ingenieros pueden identificar rápidamente áreas que necesitan ser rediseñadas. Ahora es el momento de obtener noticias y entretenimiento SaaS-y con nuestro boletín de 5 minutos, G2 Tea, que presenta líderes inspiradores, opiniones audaces y predicciones atrevidas. ¡Suscríbete a continuación! Software de análisis de elementos finitos Como hemos hablado antes, el software asistido por computadora ayuda con el análisis de elementos finitos. Pero, ¿cómo identificamos un buen software CAE? El software CAE debe cumplir con los siguientes requisitos para ser considerado dentro de su categoría. - Permitir a los usuarios crear simulaciones a través de una interfaz gráfica de usuario (GUI) - Permitir la prueba de componentes dentro de una simulación mientras se tienen variables ambientales personalizables - Ayudar a optimizar procesos y desarrollo de productos A continuación se presentan los cinco principales software CAE utilizados para el análisis de elementos finitos. Estos se enumeran según las tendencias de software observadas al publicar este artículo. 1. MATLAB MATLAB es una herramienta de programación, modelado y simulación desarrollada por MathWorks. Lo que les gusta a los usuarios: "Lo que más me gusta de Matlab es que es simple de usar y tiene una excelente asistencia comunitaria. Hay varios métodos de procesamiento de señales e imágenes disponibles. Las operaciones matemáticas y las operaciones de matrices se vuelven simples y ayudan a simplificar el trabajo y la investigación." - Reseña de MATLAB, Vandan C Lo que no les gusta a los usuarios: "La licencia y el costo son un poco elevados, y el tamaño de los datos de la aplicación también es pesado, por lo que ejecutar el proyecto lleva demasiado tiempo y hace que el flujo de trabajo sea tedioso. Aún así, da resultados definitivos después de esperar, lo que hace que todo valga la pena." - Reseña de MATLAB, Sagar V. 2. Fusion 360 Fusion 360 es la primera y única solución de desarrollo de productos CAD, CAM, CAE y PCB en la nube integrada para diseñadores de productos, ingenieros mecánicos, ingenieros electrónicos y maquinistas. Te permite conectar todo tu diseño para fabricar un proceso de desarrollo de productos para entregar productos de alta calidad al mercado más rápido y tener un impacto positivo en tu resultado final. Lo que les gusta a los usuarios: "Fusion es rentable, fácil de usar y se adapta fácilmente al tamaño del equipo. Tener solo un formato de archivo y un archivo para construir todo es excelente." - Reseña de Fusion360, Adam O. Lo que no les gusta a los usuarios: "Es un poco problemático. Algunos problemas requieren investigar en los foros para encontrar una solución alternativa hasta que se publique un parche. Algunos problemas persisten durante bastante tiempo, mientras que otros se solucionan instantáneamente." - Reseña de Fusion360, Justin H. 3. SOLIDWORKS SOLIDWORKS ofrece herramientas conectadas y fáciles de usar que te ayudan a innovar y acelerar cada aspecto de tu proceso de desarrollo de productos. Lo que les gusta a los usuarios: "El software me permite ver diferentes vistas en tiempo real mientras diseño, por lo que me ayuda a visualizar mejor mi parte y entender su función más claramente que nunca." - Reseña de SOLIDWORKS, Md. Sazzad M. Lo que no les gusta a los usuarios: "El diseño paramétrico no es tan valioso para Solidworks. Además, hacer bocetos a través de ecuaciones tampoco es fácil, y hay menos opciones. También hay pocas opciones para el modelado de superficies de clase A. Keyshot tampoco se incluye con Solidworks." - Reseña de SOLIDWORKS, Himanshu K. 4. Solid Exchange Solid Edge es una cartera de herramientas de software asequibles, fáciles de implementar, mantener y usar que avanzan en todos los aspectos del proceso de desarrollo de productos: diseño mecánico y eléctrico, simulación, fabricación, documentación técnica, gestión de datos y colaboración en la nube. Lo que les gusta a los usuarios: "Capacidades de modelado ricas en funciones, tecnología sincrónica, renderizado con KeyShot, núcleo Parasolid fuerte, simulación súper fácil (análisis FEA)." - Reseña de Solid Exchange, Florian S. Lo que no les gusta a los usuarios: "El entorno de animación y bocetos podría recibir algunas mejoras, y podrían agregar más funciones para trabajar con mallas junto con el modelado B-rep." - Reseña de Solid Exchange, Flavio H. 5. Altair SimSolid Al realizar análisis estructurales en ensamblajes CAD completamente caracterizados en minutos, SimSolid es una tecnología de simulación revolucionaria para diseñadores, ingenieros y analistas. Elimina la preparación de geometría y el mallado: las dos tareas más lentas, extensas en experiencia y propensas a errores realizadas en una simulación estructural convencional. Lo que les gusta a los usuarios: "Altair SimSolid está construido sobre tecnología avanzada de simulación de ingeniería que lo hace ideal para analizar productos complejos del mundo real. Su enfoque único de solución todo en uno ofrece velocidad y precisión, mientras que sus capacidades de mallado y modelado ahorran tiempo y simplifican la construcción de modelos. También es un conjunto de herramientas integrado completo y poderoso que permite a los profesionales de la ingeniería diseñar en 3D fácilmente." - Reseña de Altair SimSolid, Yashovardhan J Lo que no les gusta a los usuarios: "No hay permiso para modificaciones geométricas una vez que el modelo ha sido importado. La introducción de herramientas de modelado geométrico en SimSolid aumentaría la eficiencia del flujo de trabajo de análisis." - Reseña de Altair SimSolid, Giulio D. Análisis finito para un beneficio infinito Aunque aprender a realizar análisis de elementos finitos requiere paciencia y práctica, la recompensa puede ser inmensa. Ya sea que trabajes en las industrias automotriz, energética o de ingeniería civil, el análisis de elementos finitos ayudará a mejorar la seguridad y durabilidad de tus diseños. ¿Quieres saber más sobre principios de ingeniería y diseño? Lee sobre qué es el Modelado de Información de Construcción y cómo está ayudando a ingenieros y arquitectos por igual. Este artículo fue publicado originalmente en 2019. Ha sido actualizado con nueva información.