FEA / Análisis de elementos Finitos

El análisis de elementos finitos (FEA) es el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual, con el propósito de encontrar y resolver potenciales (o actuales) problemas estructurales o de rendimiento. FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM), que es utilizado por ingenieros y científicos parar matemáticamente modelar y resolver numéricamente problemas de complejas estructuras, fluidos y de multifísica. El software FEA puede ser utilizado en una amplia gama de industrias, pero es más comúnmente utilizado en las industrias aeronáutica, biomecánica y de automoción.

Uno de los modelos de elementos finitos (FE) cuenta con un sistema de puntos, llamados "nodos", que constituyen la forma del diseño. Conectados a estos nodos están los mismos elementos finitos que forman la malla de elementos finitos y contienen el material y las propiedades estructurales del modelo, la definición de cómo va a reaccionar a ciertas condiciones. La densidad de la malla de los elementos finitos puede variar a través del material, en función del cambio esperado en los niveles de estrés de un área en particular. Partes que experimentan grandes cambios en stress por lo general requieren una densidad de malla superiores a los que la experiencia de variación supone poco o ningún esfuerzo. Los puntos de interés pueden incluir los puntos de fractura del material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos, y áreas de alto estrés.

Los modelos FE pueden ser creados usando elementos en una dimensión (1D haz), dos dimensiones (2D shell) o tridimensionales (3D sólido). Mediante el uso de vigas y conchas en lugar de elementos sólidos, un modelo representativo se puede crear con menos nodos sin comprometer la precisión. Cada combinación de modelos requiere una diversa gama de propiedades que se definen como:

  • Áreas de la sección
  • Momentos de inercia
  • torsión constante
  • Espesor de la chapa
  • resistencia a la flexión
  • corte transversal

Para simular los efectos de los entornos reales de trabajo en la FEA, los distintos tipos de carga se puede aplicar a la modelo de elementos finitos, incluyendo:

  • nodal: fuerzas, momentos, los desplazamientos, velocidades, aceleraciones, temperatura y flujo de calor
  • Elemental: carga distribuida, presión, temperatura y flujo de calor
  • Las cargas de aceleración del cuerpo (la gravedad)

Los tipos de análisis son:

  • estática lineal: análisis lineal con las cargas aplicadas y las limitaciones que son estáticas
  • estática y la dinámica no lineal: los efectos debidos al contacto (donde una parte del modelo entra en contacto con otra), las definiciones de material no lineal (plasticidad, elasticidad, etc) y el desplazamiento de gran tamaño (las cepas que superan la teoría de baja cilindrada que limitan un enfoque de análisis lineal)
  • Modos Normal: frecuencias naturales de vibración
  • Respuesta dinámica: las cargas o movimientos que varían con el tiempo y la frecuencia
  • Pandeo: carga crítica en la que una estructura se vuelve inestable
  • La transferencia de calor: el cambio de conducción, radiación

Los resultados típicos calculados por el programa incluyen:

  • nodal desplazamientos, velocidades y aceleraciones
  • Las fuerzas elementales, deformaciones y tensiones

Beneficios de la FEA

FEA puede ser utilizado en el diseño de nuevos productos, o para refinar un producto ya existente, para asegurar que el diseño será capaz de realizar las especificaciones antes de la fabricación. Con FEA puede:

  • Predecir y mejorar el rendimiento y fiabilidad del producto
  • Reducir la creación de prototipos físicos y pruebas
  • Evaluar los diferentes diseños y materiales
  • Optimizar el diseño y reducir el uso de materiales

Software FEA

Estos son algunos ejemplos de aplicaciones de software FEA:

Simcenter 3D is a unified, scalable, open and extensible environment for FEA with connections to design, 1D simulation, test and data management. Simcenter speeds the FEA process by combining best-in-class geometry editing, associative simulation modeling and multi-discipline solutions embedded with industry expertise. Simcenter 3D integrates fast and accurate solvers that power structural, acoustics, flow, thermal, motion and composites analyses, as well as optimization and multiphysics simulation.

NX Nastran is a finite element solver that analyzes stress, vibration, structural failure/durability, heat transfer, noise/acoustics and flutter/aeroelasticity.

LMS Samtech contains a finite element method (FEM) solver suite to simulate critical performance engineering attributes for mechanical systems. It is designed to fulfill the precise requirements of applications such as wind turbine development, rotor dynamics, structural and thermal analyses, and composites. Its high-end solvers handle both nonlinear FEM and multi-body simulation. The software also features a high-level CAE integration platform for managing the aviation engineering process.

STAR-CCM+ is a stand-alone simulation solution for computational fluid dynamics (CFD), computational solid mechanics (CSM), heat transfer, particle dynamics, reacting flow, electrochemistry, electromagnetics, acoustics and rheology. STAR-CCM+ delivers accurate and efficient simulation technologies through a single integrated user interface and automated workflows. This facilitates the analysis and exploration of complex real-world problems.

HEEDS provides an efficient and easy to use design exploration framework. Workflows are easily automated through integration with your current design and simulation tools. HEEDS automatically explores the design space to quickly identify solutions that meet your goals and constraints such as reducing product costs while keeping stresses below acceptable limits.

Femap es un preprocesador y posprocesador nativo de Windows, con solucionador neutro e independiente de CAD para la ingeniería avanzada FEA. Proporciona a los ingenieros y analistas una solución de modelado FEA que les permite realizar las más complejas tareas de manera fácil, exacta y económica.

Solid Edge Simulation is a built-in FEA tool for design engineers to validate part and assembly designs digitally within the Solid Edge environment. Based on proven Femap finite element modeling technology, Solid Edge Simulation significantly reduces the need for physical prototypes, thereby reducing material and testing costs, while saving design time.

Los siguientes componentes de software son utilizados por los desarrolladores de software FEA como base para sus aplicaciones:

Parasolid es el software 3D de modelado geométrico, que permite a los usuarios de los productos de Parasolid modelar piezas complejas y ensamblajes. Se utiliza como motor de la geometría en cientos de diferentes CAD, CAM y CAE.

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