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Análisis de elementos finitos (FEA)

El análisis de elementos finitos (FEA) consiste en el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual, con el objetivo de encontrar y resolver posibles problemas estructurales o de rendimiento (o problemas ya existentes). El FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM), que utilizan los ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver numéricamente complejos problemas estructurales, de fluidos y multifísica. El software de FEA se puede utilizar en una amplia gama de sectores pero habitualmente se emplea en el sector de la aeronáutica, la biomecánica y la automoción.

Un modelo de elementos finitos (FE) consta de un sistema de puntos, denominados "nodos", que dibujan la forma del diseño. Conectados a estos nodos se encuentran los propios elementos finitos, que conforman la malla de elementos finitos y que contienen las propiedades estructurales y de material del modelo que definen cómo responderá este ante determinadas condiciones. La densidad de la malla de elementos finitos puede variar a lo largo del material, en función del cambio anticipado en los niveles de tensión de un área determinada. Las regiones que experimentan cambios importantes en la tensión suelen requerir una densidad de malla más elevada que aquellas que experimentan pocas variaciones en la tensión o incluso ninguna. Entre los puntos de interés se encuentran los puntos de fractura de un material probado previamente, las curvas, las esquinas, los detalles complejos y las áreas de tensión elevada.

Creación de modelos de elementos finitos

Mediante el uso de vigas y cáscaras en lugar de elementos sólidos, se puede crear un elemento representativo empleando menos nodos sin renunciar a la precisión. Cada esquema de modelado requiere la definición de una serie distinta de propiedades, como las áreas de sección, el grosor de la placa, los momentos de inercia, la rigidez del doblado, la constante torsional y el cizallamiento transversal.

Simulación de entornos de trabajo del mundo real

Para simular el efecto de los entornos de trabajo del mundo real en el FEA, se pueden aplicar varios tipos de carga al modelo FE, entre los que se encuentran las cargas nodales (fuerzas, momentos, desplazamientos, velocidades, aceleraciones, temperatura y flujo térmico), las cargas elementales (carga distribuida, presión, temperatura y flujo térmico), así como las cargas de cuerpo de aceleración (gravedad).

Entre los tipos de análisis FE se encuentran las estadísticas lineales, la estática y la dinámica no lineal, los modos normales, la respuesta dinámica, el pandeo y la transferencia de calor. Entre los resultados habituales calculados por el solver se encuentran los desplazamientos nodales, las velocidades y las aceleraciones, así como las fuerzas elementales, las deformaciones y las tensiones.

Ventajas del FEA

El FEA se puede utilizar en un nuevo diseño de producto o para perfeccionar un producto existente, con el objetivo de garantizar que el diseño sea capaz de ajustarse a las especificaciones antes de la fabricación. Con el FEA puede:

  • Predecir y mejorar el desempeño y la fiabilidad del producto

  • Reducir los prototipos físicos y las pruebas

  • Evaluar diferentes diseños y materiales

  • Optimizar diseños y reducir el uso de material