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¿Qué es el Software de Simulación por el Método de los Elementos Finitos?

La simulación por el método de los elementos finitos es un análisis numérico por ordenador que utiliza el método de los elementos finitos para optimizar el diseño y analizar el comportamiento de estructuras, fluidos, calor, electromagnetismo y otros campos.

El método de los elementos finitos es un método para obtener numéricamente soluciones aproximadas a ecuaciones diferenciales difíciles de resolver analíticamente. En el método de los elementos finitos, el dominio en el que se definen las ecuaciones se divide en partes más pequeñas (elementos) y se aproxima dentro de cada elemento mediante funciones sencillas.

A continuación, se obtiene la solución global de forma que se satisfagan condiciones como la continuidad y el equilibrio de fuerzas en los límites de cada elemento.

Comparado con el método de diferencias como método de análisis numérico, se caracteriza por facilitar el análisis de geometrías complejas y por facilitar la creación de programas de uso general.

Basado en el diseño resistente de estructuras, unido a los avances de la tecnología informática, ha evolucionado hacia el análisis dinámico, la conformación plástica, el comportamiento ante choques, el análisis de grandes deformaciones, los cálculos térmicos y de fluidos a gran escala, etc.

Usos del Software de Simulación por el Método de los Elementos Finitos

El software de simulación por el método de los elementos finitos tiene una amplia gama de aplicaciones en mecánica estructural y mecánica de fluidos, entre las que se incluyen.

1. Estructuras

En estructuras, las aplicaciones incluyen la predicción de la deformación de soldaduras y el cálculo de la deformación residual, el colapso de estructuras de entramado, el análisis de la propagación de grietas, la conducción del calor, el análisis térmico de tensiones y deformaciones en uniones de placas delgadas, y la simulación de grandes deformaciones por colisión en automóviles.

2. Electrónica

En el sector de la electrónica, esto incluye la comprensión de la resistencia a la fatiga térmica de los componentes electrónicos, la modelización de lámparas fluorescentes, el diseño de placas de circuitos impresos, las propiedades acústicas de los sistemas de altavoces y el análisis de las características de las antenas.

3. Arquitectura e Ingeniería Civil

Las aplicaciones prácticas en arquitectura e ingeniería civil incluyen las características vibratorias de los edificios altos, las características acústicas de las salas, el diseño de la resistencia de presas y terrenos, el análisis de los movimientos de deslizamiento de tierras y la simulación de la amplificación de las ondas sísmicas por la geología superficial.

4. Fluidos y Térmica

En el campo de los fluidos y el calor, las aplicaciones incluyen la mecánica de fluidos y el flujo viscoso, el comportamiento de grandes deformaciones de polímeros y la simulación de la solidificación en fundición.

Principio de la Simulación por el Método de los Elementos Finitos

Tomemos como ejemplo el campo de la mecánica de materiales, en el que el método de los elementos finitos es el más utilizado. Los programas informáticos comerciales de análisis por elementos finitos suelen incluir la parte de creación del modelo, la parte de ejecución de la simulación y la parte de posprocesamiento como un conjunto, pero también existen programas informáticos que sólo incluyen la parte de ejecución de la simulación (solver) o programas informáticos dedicados a la parte de creación del modelo.

También existen paquetes de software integrados con los programas 3DCAD o 2DCAD, que están ganando popularidad ya que pueden ser manejados fácilmente por los diseñadores.

1. Parte de Pre-procesamiento y Modelización

La creación del modelo es el proceso de creación de la geometría para la simulación CFD. En muchos casos, pueden utilizarse formatos de archivo como STEP, IGES y Parasolid creados en CAD 3D.

Para realizar los cálculos, la geometría del modelo se representa mediante una malla. La creación de una malla limpia es un factor importante para aumentar la velocidad y la precisión del análisis.

Los programas de creación de modelos disponen de una función que permite al usuario seleccionar fácilmente el tamaño, etc. y generar automáticamente una malla de alta calidad.

2. Parte de Ejecución de la Simulación

Esta sección se refiere a la parte comúnmente conocida como solver. Hoy en día, los solvers están equipados con la capacidad de resolver modelos más complejos y de realizar cálculos a mayor velocidad en respuesta a las mejoras en el rendimiento de los ordenadores. En los solvers, los cálculos se realizan siguiendo el siguiente procedimiento

• Las componentes de desplazamiento de los nodos que constituyen el elemento se representan por { ue }.
• Se crea una función de forma [ N ] que determina el desplazamiento de un punto arbitrario del elemento a partir de las componentes de desplazamiento de los nodos. Se interpola mediante una expresión lineal o cuadrática.
• Construya una matriz desplazamiento-deformación [ B ] que determine la deformación { ε } de un punto arbitrario del elemento a partir de las componentes de desplazamiento de los nudos. El desplazamiento se diferencia por la distancia.

1. Construir una matriz tensión-deformación [ D ] para hallar la tensión { σ } a partir de la deformación { ε } en un punto arbitrario del elemento. Se puede obtener a partir de la mecánica de materiales, por ejemplo, el módulo de Young y la relación de Poisson.
2. { σ } = [ D ] { ε } = [ D ] [ B ] { ue } da la tensión { σ } a partir de la componente de desplazamiento { ue } en el punto nodal.
3. A partir del principio del trabajo virtual (cuando un objeto está en equilibrio bajo una fuerza externa y sometido a un pequeño desplazamiento virtual, el trabajo interno en el objeto: deformación × tensión debida al desplazamiento virtual) y el trabajo externo realizado por la fuerza externa (fuerza externa × desplazamiento virtual) son iguales), se crea una matriz de rigidez [ Ke ].

3. Parte de Postprocesado

Los resultados del análisis pueden visualizarse, por ejemplo, mediante un modelo 3D, lo que permite una comprensión más intuitiva de los resultados del análisis.

Más Información sobre los Software de Simulación por el Método de los Elementos Finitos

Comparación del Software de Simulación por el Método de los Elementos Finitos

Los software de simulación por el método de los elementos finitos abarcan una amplia gama de temas y, por tanto, difieren en cuanto a funcionalidad y facilidad de uso.

A grandes rasgos, existen tres tipos principales:

1. Software para diseñadores que es fácil de usar en términos de creación de modelos, post-procesamiento, etc., para que los diseñadores puedan utilizarlo fácilmente.
2. Software de uso general para análisis complejos y avanzados
3. Software especializado en electromagnetismo, vibraciones, análisis estructural, etc.

El tipo 1, como ya se ha mencionado, incluye software integrado con CAD 3D y software que reduce costes centrándose en funciones de análisis 2D. En cambio, están diseñados para que su uso sea casi intuitivo sin necesidad de tener conocimientos de simulación.

Los tipos 2 tienen funciones de sub-rutina que permiten a los usuarios escribir sus propios programas para análisis avanzados, y funciones multifísicas que pueden manejar varias físicas simultáneamente, como análisis térmico, estructural y de fluidos, etc. Los tipos 3 tienen más funciones específicas de cada campo, por ejemplo, muchos modelos de materiales.