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Análisis de elementos finitos

El análisis de elementos finitos (FEA) es el modelado y simulación virtual de productos y ensamblajes para el rendimiento estructural, acústico, electromagnético o térmico. FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (MEF).

¿Qué es el análisis de elementos finitos?

El análisis de elementos finitos es el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual para encontrar y resolver problemas potenciales (o existentes) de rendimiento del producto. FEA es la aplicación práctica del FEM, que es utilizado por ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver numéricamente problemas complejos estructurales, acústicos, electromagnéticos, térmicos, de fluidos y multifísicos. El software FEA se puede utilizar en una amplia gama de industrias, pero se usa más comúnmente en las industrias aeronáutica, automotriz, electrónica, maquinaria industrial, marina y productos de consumo.

Un modelo de elementos finitos (FE) comprende un sistema de puntos llamados "nodos", que forman la forma del diseño. Conectados a estos nodos están los elementos finitos que forman la malla de elementos finitos y contienen las propiedades materiales y estructurales del modelo, definiendo cómo reaccionará a ciertas condiciones. La densidad de la malla de elementos finitos puede variar a lo largo del material, dependiendo del cambio anticipado en los niveles de tensión de un área en particular. Las regiones que experimentan grandes cambios en la tensión generalmente requieren una densidad de malla más alta que aquellas que experimentan poca o ninguna variación de tensión. Los puntos de interés pueden incluir puntos de fractura de material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos y áreas de alta tensión.

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Rotating machine structural simulation visual from the Simcenter 3D software.
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Descubra los beneficios

FEA es una metodología bien establecida que se utiliza a menudo para reemplazar o complementar los métodos experimentales y analíticos para ayudar al diseño y análisis de ingeniería de productos cotidianos. En comparación con la creación de prototipos y los experimentos, las simulaciones basadas en FEA ofrecen las siguientes ventajas.

Aumentar el rendimiento

El análisis de elementos finitos le permite analizar y explorar rápidamente las posibilidades de ingeniería para aumentar el rendimiento del producto.

Reduce el tiempo

El análisis de elementos finitos le ayuda a llevar al mercado diseños de productos optimizados más rápido que un método de construcción y prueba.

Reducción de costes

Al aprovechar el análisis de elementos finitos, puede reducir significativamente el costo de desarrollo de su producto en comparación con los procesos tradicionales de prueba basados en prototipos físicos.

Pasos en el proceso de simulación de FEA

Independientemente del software utilizado, la mayoría de las simulaciones de análisis por elementos finitos siguen estos pasos generalizados.

Modelo 3D del bastidor de un coche con un mapa de calor visual del software Simcenter 3D.

Pre-processing

La etapa de preprocesamiento implica la edición de la geometría y su preparación para la simulación. En un proceso denominado mallado, una herramienta de preprocesamiento convierte la geometría de diseño en pequeños elementos finitos antes de aplicar las propiedades del material, las cargas, las restricciones y los parámetros de simulación.

Preprocesamiento y posprocesamiento de FE

El software de simulación CFD comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador CFD.

Solving

El software de simulación FEA comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador. Este paso puede requerir mucho tiempo o recursos informáticos. Para simulaciones complejas, cada vez más empresas están recurriendo a la computación en la nube como una solución rentable a este problema.

Simulación mecánica

Análisis lineal de una estructura mecánica visual a partir del software Simcenter 3D.

Post-processing

Una vez completada la resolución, el siguiente paso es analizar y visualizar los resultados de la simulación de forma cualitativa y cuantitativa mediante informes, monitores, gráficos, imágenes 2D/3D y animaciones. En esta etapa también se incluye la verificación y validación de los resultados.

Preprocesamiento y posprocesamiento de FE

Tipos de análisis FEA

Análisis 1D (modelos de vigas)

El análisis 1D se refiere a la aplicación de modelos creados únicamente por elementos unidimensionales compuestos por solo dos nodos, como los elementos de vigas. El análisis 1D puede ser bueno para observar el análisis en etapa inicial de estructuras que suelen ser complicadas de modelar, como la carrocería de un automóvil o el fuselaje. El modelo de haz 1D puede ayudar a los ingenieros a evaluar rápidamente la dinámica del cuerpo antes de que la geometría completa esté lista para un análisis de nivel más profundo.

Análisis 2D (modelos de vaciado)

Los ingenieros mallan la geometría con elementos bidimensionales, como un elemento cuádruple o triangular para cuerpos de paredes delgadas, como piezas hechas de chapa metálica. A continuación, las propiedades del elemento definen el grosor del elemento de vaciado que el solucionador utilizará para calcular la tensión, las deformaciones y otros resultados. Los preprocesadores FEA tienen algoritmos de mallado rápido que ayudan a los ingenieros a crear una malla de vaciado en la geometría.

Análisis 3D (modelos sólidos)

Para la geometría sólida y gruesa, como un bloque de motor, los ingenieros utilizan elementos tridimensionales sólidos para representar la geometría. Los elementos tetra, piramidales y hexagonales se crean en todo el cuerpo sólido. Los preprocesadores FEA tienen las herramientas que los ingenieros necesitan para crear modelos de malla sólida.

FEA multifísica

El FEA moderno es algo más que simular un único dominio de la física de forma individual. Hoy en día, FEA se ha vuelto mucho más multidisciplinar al permitir a los ingenieros acoplar diferentes físicas, como la interacción fluido-estructura (FSI), la simulación termomecánica, la dinámica multicuerpo con cuerpos flexibles estructurales basados en FE, electromecánica-térmica y más. La simulación multifísica es de fundamental importancia en productos cada vez más complejos que requieren una ingeniería holística entre dominios para lograr el máximo rendimiento.

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Imagen de un modelo 3D creado con el software de Simcenter en 3D.
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Imágenes del software Simcenter 3D que representan un modelo de simulación del diseño de un tractor.

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Preguntas más frecuentes

¿Es preciso el análisis de elementos finitos?

El análisis de elementos finitos (FEA) se ha utilizado con éxito para la ingeniería de productos durante décadas. Junto con eso, se desarrollaron continuamente enfoques de modelado de alta fidelidad y otros más pragmáticos, lo que le permite obtener resultados suficientemente precisos más rápido.

Hoy en día, los ingenieros pueden y deben elegir el nivel de precisión que mejor se adapte a sus necesidades para responder a las preguntas de ingeniería con el mínimo esfuerzo computacional. El nivel de precisión va desde técnicas de modelado de alta fidelidad que permiten la predicción del comportamiento real dentro de un pequeño porcentaje o incluso menos hasta métodos rápidos que permiten predicciones rápidas de tendencias.

Hoy en día, los procesos de certificación y verificación de las herramientas de simulación FEA están bien establecidos. Seguirán siendo un ingrediente fundamental para el progreso de FEA, su fiabilidad y confianza en los gemelos digitales y su establecimiento en áreas novedosas. Si bien la simulación predictiva reducirá continuamente la necesidad de costosas mediciones y creación de prototipos, seguirá requiriendo métodos rigurosos de elementos finitos y la validación de las mejores prácticas a través de experimentos. 

¿Es difícil aprender FEA?

Aprender FEA requiere tiempo, dedicación, estudio minucioso y práctica. Es fundamental comprender la física fundamental subyacente de su dominio, comprender los métodos numéricos y sus limitaciones y practicar el uso práctico de la herramienta de software FEA real. Gracias a la automatización, el aumento de la potencia de cálculo y la mejora continua de las interfaces de usuario en el software moderno de análisis por elementos finitos, las barreras para el análisis por elementos finitos de alta fidelidad disminuirán aún más en todos los niveles de usuario, lo que cambiará el alcance hacia la exploración de resultados y la toma de decisiones basadas en simulaciones. También es fundamental comprender la dinámica física fundamental que se está llevando a cabo para juzgar los resultados y tomar decisiones de ingeniería significativas basadas en los resultados de FEA.

¿Cuáles son las solicitudes de FEA?

El software FEA se utiliza en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería siempre que sea necesario comprender o predecir la física mecánica y su efecto en el diseño de un producto o sistema. En el diseño de productos industriales, el análisis de elementos finitos ha progresado hasta la simulación del comportamiento multifísico en geometrías complejas, lo que permite a las empresas comprender y optimizar completamente el diseño de sus productos virtualmente antes de construir un prototipo.

Las industrias en las que el análisis de elementos finitos se utiliza ampliamente incluyen:

  • Sector aeroespacial
  • Automoción
  • Las empresas de productos de consumo
  • Marino (diseño de buques, sistemas de propulsión y diseño de motores)
  • Electrónica
  • Energía (nuclear, petróleo y gas y generación de energía)
  • Servicios de construcción
  • Ciencias biológicas
  • Turbomaquinaria
  • Deportivo
  • Otras aplicaciones generales relacionadas con estructuras, vibraciones, electromagnetismo, sonido, calor y flujo de fluidos

¿Qué es el análisis FEM?

El método de elementos finitos significa lo mismo que el análisis de elementos finitos. La principal diferencia es que FEM se refiere más específicamente al método matemático. Pero muchas personas usan los términos FEM y FEA indistintamente.

A veces, los ingenieros usan FEM también para referirse al modelo de elementos finitos, que significa principalmente el modelo mallado (1D, 2D o 3D), que también puede incluir cargas y restricciones.

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