Desde el punto de vista más técnico, un cálculo por elementos finitos es un método de resolución de problemas complejos, por el cual se consigue una solución numérica aproximada de un problema físico sobre un medio continuo, cuyo comportamiento lo determinan distintas ecuaciones diferenciales.
Para llegar a esta solución aproximada se divide el medio continuo (el componente o estructura objetivo de análisis) en pequeñas secciones. Estas secciones son denominados Elementos. Por su parte, los vértices que determinan el área del elemento se denominan Nodos.
La división del cuerpo a partir de estos elementos y nodos se denomina Malla. Al dividir el cuerpo en esta malla se consigue una discretización del problema.
De esta forma simplificamos el problema en base a que la solución del problema solo se conoce en los puntos discretos (los nodos) y la solución en el resto de dominio (los elementos) se calcula por interpolación a partir de los puntos discretos que lo conforman
¿Cómo se aplica un cálculo con elementos finitos en ingeniería mecánica?
Su finalidad es la validación de un producto mediante la simulación, que consiste en aplicar la teoría de los elementos finitos resumida en los párrafos anteriores sobre una geometría de estudio.
La geometría que se quiere validar estará previamente diseñada en algún software CAD como puede ser SolidWorks, Inventor, SolidEdge …
Para realizar uno de estos cálculos, debemos de contar con un software de cálculo con elementos finitos, como puede ser ABAQUS, FEMAP, ANSYS… Estos softwares cubren casi la totalidad de casos de estudios mediante la programación de distintos algoritmos de cálculo.
Partiendo de la geometría objeto de análisis y conociendo el entorno al que es sometida (cargas y restricciones de movimiento) se deben realizar distintas operaciones en el software para poder obtener unos resultados que indiquen si el diseño puede soportar las solicitaciones aplicadas sobre él.
Los distintos pasos que seguir son los siguientes:
• Adaptación de la geometría
• Material
• Mallado
• Contactos
• Aplicación de las condiciones de contorno
• Cálculo
• Obtención de resultados
Es decir, pongamos que hemos desarrollado una nueva unión para nuestra estructura metálica. Esta unión se diseña en un programa CAD para que su fabricación sea perfecta.
Como somos muy cuidadosos, al terminar el diseño, calculamos su resistencia frente a las cargas externas usando un programa de elementos finitos. En función de los resultados que obtengamos en el cálculo sabremos si el diseño es válido y podremos dormir plácidamente cada noche sabiendo que nuestra unión no se romperá.
¿Qué ventajas tiene?
Las ventajas de calcular un componente o estructura son varias, en primer lugar se va ahorrar mucho dinero y tiempo, ya que en la fase de prototipado del diseño ya sabremos que su comportamiento será el idóneo y solo se tendrán que hacer pequeños ajustes.
De esta forma vamos a evitar pasar por distintos tipos de prototipo con su respectivo ahorro.
No sólo ahorrarás dinero, sino que además podrás buscar la solución más óptima con ese tiempo ahorrado, pues podrás hacer distintas iteraciones hasta llegar al diseño que mejor se adapte a tus necesidades.
Por último, hay que destacar que estas operaciones no solo las podrás aplicar en nuevos diseños si no que podrás mejorar diseños que estén en uso y optimizarlos al máximo.
Tendrás la seguridad, de que tu producto no tendrá un mal funcionamiento.
¿Qué inconvenientes?
Los inconvenientes no son muchos, incluso me atrevería a decir que es uno y se trata de quién hace el cálculo. Cualquiera puede obtener un mapa de tensiones en un software actual de elementos finitos, la dificultad está en hacerlo bien.
Conclusiones
Como se ha comentado anteriormente, son muchos los detalles a tener en cuenta para que un cálculo hecho mediante elementos finitos describa a la perfección lo que ocurre en la realidad. Cualquier error, por pequeño que nos parezca puede hacer que el resultado obtenido no tenga ningún valor…
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