Seguro que ya sabrás que un cálculo por elementos finitos se realiza para validar una estructura, una pieza o cualquier otro componente, los cuales tendrán un diseño previo, es decir una geometría para calcular.
El cálculo por elementos finitos se basa en una malla, compuesta por nodos y elementos. Esta malla se creará sobre la geometría de cálculo, por lo tanto, debemos de simplificar al máximo esta geometría (sin perder calidad en el cálculo) para agilizar el proceso lo máximo posible.
Esto pasa por realizar las siguientes operaciones con el objetivo de hacer más fácil el mallado posterior y por tanto ahorrar tiempo en el cálculo, sin perder precisión.
- Eliminar elementos comerciales que no aportan valor al cálculo
- Eliminar pequeños redondeos
- Eliminar pequeños agujeros que no tengan relevancia en el cálculo
- Trabajar con elementos tipo barra
- Trabajar con elementos tipo Shell
- Trabajar con elementos tipo solid
A continuación, explicamos en detalle, todas estas operaciones, para adaptar de forma precisa, una geometría CAD a un cálculo por elementos finitos.
Eliminar elementos comerciales
Normalmente cualquier diseño contendrá en él varios elementos comerciales con una función muy determinada. Si estos elementos comerciales no tienen un papel fundamental en cómo se desarrolla el cálculo, lo mejor es eliminarlos. Estos elementos comerciales, pueden ser:
• Sensores
• Chapas que hacen la labor de embellecedores
• Tornillos
• Tuercas
• Arandelas
PD: Destacar que es importante saber que relevancia tienen estos elementos, si estamos analizando una unión atornillada en detalle, obviamente no eliminaremos los tornillos.
Eliminación de redondeos
Todo diseño tendrá en alguna de sus partes algunas aristas redondeadas, ya sea porque su fabricación se ha realizado con chapa plegada o porque se quieren evitar aristas vivas en el diseño.
Sin embargo, debemos eliminar estos detalles en el cálculo, a no ser que estos redondeos afecten en gran medida a los resultados.
La finalidad de esta operación es conseguir una malla lo más uniforme posible y es por ello por lo que se evitan estas formas curvas.
Eliminación de pequeños agujeros
Es muy probable que el diseño que queramos calcular tenga pequeños agujeros, que serán necesarios para que pasen cables, o se sostengan pequeños elementos.
También podemos considerar el eliminar los agujeros uniones atornilladas de un modelo de cálculo muy grande y que serán analizada en detalle a posteriori con otro cálculo más preciso de la unión.
Elementos barra
En modelos muy grandes compuestos por la instalación de muchas vigas es muy útil la utilización de elementos barra para estos componentes. De esta forma se simplifica el diseño pasando de una viga, con sus diferentes dimensiones, a una línea.
A esta línea se le darán los atributos necesarios (tipo sección, inercias…) para que se comporte de forma correcta en el cálculo.
Esta simplificación tiene la equivalencia a cuando manualmente analizamos una barra con distintas condiciones de apoyo, nosotros la representamos como una línea, calculamos sus esfuerzos y a partir de estos y de sus momentos de inercia etc calculamos las tensiones, desplazamientos etc.
Extracción de las superficies medias. Elementos shell
Es muy habitual que el diseño a analizar esté formado por varias chapas plegadas, vigas etc. En estos casos lo ideal es extraer de estos cuerpos sus superficies medias, quedando el cuerpo representado por una superficie que a simple vista no tiene espesor.
Esta operación se realiza para trabajar en el mallado con elementos tipo shell, los cuales tienen en cuenta a la hora de calcular los distintos espesores de los cuerpos simplificados.
Con esta operación se ahorran un gran número de elementos pues no tenemos que mallar el espesor del cuerpo.
Hay que destacar que está operación sólo se podrá ejecutar en aquellos cuerpos en los que el espesor sea 1/10 de la menor de las dos dimensiones restante (largo y ancho)
Elementos Solid
En caso de no poder utilizar elementos Shell por las dimensiones de los componentes, se usarán elementos Solid, es decir se utilizará la geometría 3D del CAD aplicando las operaciones de limpiado previas que hemos comentado.
Conclusiones
Aplicar todas estas técnicas tiene como objetivo simplificar al máximo posible la geometría del cálculo, para que la malla sea lo más uniforme posible y tenga el mínimo número de elementos que sean capaces de representar de forma verídica el comportamiento del componente que estamos analizando.
Algunas de estas operaciones pueden no ser 100 % necesarias en cálculos con geometrías pequeñas y poco complejas de resolver, sin embargo, cuando estamos ante modelos de cálculo con cientos de cuerpos y sobre los que además se tienen que llevar a cabo cálculos complejos, la simplificación de la geometría y por tanto del mallado es vital para que los tiempos de computación del ordenador no se disparen y ser lo más eficientes posibles a la hora de realizar iteraciones o cambios de diseño.
Así que ya sabes, simplifica al máximo la geometría de tu cálculo, pero sin perder calidad en los resultados
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