Un cálculo por elementos finitos se divide en distintas partes o etapas, todas y cada una de ellas fundamentales para obtener unos buenos resultados en una simulación.
A continuación, hacemos un breve repaso de cada una de ellas, reflejando sus aspectos más fundamentales.
• Adaptación de la geometría
• Material
• Mallado
• Contactos
• Aplicación de las condiciones de contorno
• Cálculo
• Obtención de resultados
• Conclusiones
Creación/adaptación de la geometría
Para realizar un cálculo por elementos finitos necesitamos una geometría de estudio. Según qué tipo de cálculo vamos a hacer deberemos procesar la geometría de una forma u otra.
Por ejemplo, en caso de estar en fase de diseño de un nuevo componente, no vamos a tener un diseño 3D creado con todo tipo de detalle, quizá sólo tengamos una idea de por dónde irán los tiros.
En estos casos lo más óptimo será crear desde una geometría de cálculo lo más simplificada posible para poder hacer iteraciones sobre que perfiles comerciales escoger, que espesores utilizar, dónde se necesita más material…
Si por el contrario estamos analizando un componente o estructura que ya está diseñado y definido actuaremos de forma distinta.
Partiendo de la geometría dibujada para producción mediante un software CAD, modificaremos y simplificaremos aquellas partes que así lo necesiten. Como norma general la geometría de diseño para producción no suele ser válida para su uso en el cálculo. Esto se debe a que un diseño para fabricación contará con muchos detalles, como pueden ser redondeos de aristas, pequeños agujeros de paso para cables, componentes comerciales y un largo etc.
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 simplificarla al máximo (sin perder calidad en el cálculo) para agilizar el proceso de cálculo.
Esto pasa por eliminar elementos comerciales que no aportan valor al cálculo, eliminar pequeños redondeos, eliminar pequeños agujeros que no tengan relevancia en el cálculo y convertir a elementos Shell o barras.
Todas estas operaciones tienen el objetivo de hacer más fácil el mallado posterior.
Material
El material sobre el que se hace el estudio es vital, pues será quien determine los límites de resistencia del diseño, deberemos de definir el material con más o menos precisión según el nivel de detalle de los resultados que queremos obtener.
Para ello tendremos que definir el módulo elástico, el coeficiente de poisson, la densidad, el límite elástico y un largo etc de parámetros.
Profundizaremos en la definición de materiales en siguientes posts.
Mallado
Sobre la geometría adaptada o creada previamente, aplicaremos el mallado. Como sabes, al tratarse de un cálculo discreto, la solución solo se conoce en los nodos de la malla (puntos de integración), por lo tanto será obvio que, contra más elementos mejor será la calidad de los resultados.
Esto es totalmente cierto, sin embargo, hay que encontrar un equilibrio entre el número de elementos y nodos utilizados y el tiempo de cálculo, ya que el tiempo de computación del cálculo es dependiente del número de elementos utilizados.
Es por ello por lo que tendremos que utilizar distintas estrategias de mallado para conseguir buenos resultados con un tiempo de cálculo aceptable.
Contactos
Los contactos entre cuerpos definen cómo se relacionan entre sí las distintas piezas de un componente. Pueden existir zonas soldadas o atornilladas, también zonas que solo estén en contacto al aplicar una determinada carga o incluso zonas que trabajen por deslizamiento.
Todas estas interacciones deberán ser definidas en los contactos, pues si no modelamos bien estos, de poco servirán los resultados obtenidos.
Para ello los softwares de elementos finitos permiten la utilización de distintos tipos de contacto y también de algoritmos para simular de la mejor forma posible la interacción entre componentes.
Aplicación de las condiciones de contorno
La aplicación de las condiciones de contorno se refiere a simular sobre el software lo que sucede en la realidad. Es decir, en este punto se aplican todas las cargas que tenga que soportar el diseño, como también se definen sus restricciones de movimiento y contactos.
Este punto es fundamental, pues de él dependerá que el comportamiento global del diseño sea el adecuado. Si realizas todos los pasos anteriores a la perfección y cometes errores en la aplicación de las condiciones de contorno tu cálculo será un fracaso.
Como ves, un error en este punto puede tirar por la borda todo tu trabajo, por eso debes saber como aplicar las condiciones de contorno correctamente.
Cálculo
Una vez definidos todos los parámetros se debe ejecutar el cálculo. Existen diversos tipos de cálculos en función de las aplicaciones y los resultados que queremos obtener.
La tipología de cálculos principales que se pueden estudiar sobre un componente mecánico es:
- Estático lineal
- Estático no lineal (materiales, contactos y geometría)
- Análisis de frecuencias propias
- Estabilidad global/local
- Uniones atornilladas y soldadas
- Fatiga
Obtención de resultados
Es la última parte del proceso y es la que nos permitirá validar el diseño, así como saber si hemos hecho el cálculo correctamente. Para ello introduciremos distintos resultados, como pueden ser tensiones, desplazamientos, extracción de reacciones…
Todos estos resultados nos permitirán conocer dos puntos fundamentales
El primero, si el cálculo está bien hecho, pero… ¿Cómo podemos saber entonces si el cálculo está bien?
Como ingenieros no nos podemos limitar a tomar por buenos los resultados obtenidos sin antes hacer un repaso detallado de cada aspecto del cálculo. Para ello comprobaremos si las tensiones tienen unos valores esperados o si se concentran en lugares lógicos. También deberemos comprobar si la forma en que trabaja es correcta. Y así un largo etc.
El segundo es validación del producto.
Es decir, una vez que sabemos que el cálculo está hecho correctamente, pasaremos a comprobar todos los parámetros que debemos de cumplir con el diseño, como pueden ser las tensiones y desplazamientos máximos.
Conclusiones
Como has podido ver, todas las partes que definen un cálculo tienen un relevancia importante en la validación de tus diseños.
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