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Análisis de elementos finitos

El análisis de elementos finitos (FEA) consiste en el modelado virtual y la simulación de productos y ensambles para determinar su rendimiento estructural, acústico, electromagnético o térmico. El FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM).

¿Qué es el análisis de elementos finitos?

El análisis de elementos finitos es el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual para encontrar y resolver problemas potenciales o existentes de rendimiento del producto. El FEA es la aplicación práctica del FEM, que utilizan los ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver de manera numérica complejos problemas estructurales, de fluidos y multifísica. El software de FEA puede utilizarse en una amplia gama de industrias, en especial aeronáutica, automoción, electrónica, maquinaria industrial, naval y bienes de consumo.

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 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 destacados 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.

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Análisis de elementos finitos para la dinámica estructural de una caja de cambios para la cadena cinemática de un vehículo de motopropulsión eléctrica en el software Simcenter 3D.
Imagen de Simcenter Nastran, un avanzado solver de métodos de elementos finitos (FEM).

Aprovechar el FEA para mejorar el rendimiento del producto

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Descubre las ventajas

El análisis de elementos finitos (FEA) es una metodología consolidada que suele utilizarse para sustituir o complementar métodos experimentales y analíticos que ayudan al diseño de ingeniería y al análisis de productos cotidianos. En comparación con la creación de prototipos y los experimentos, las simulaciones basadas en FEA ofrecen las siguientes ventajas:

Aumenta el rendimiento

El análisis de elementos finitos permite analizar y explorar con rapidez las posibilidades de ingeniería para aumentar el rendimiento del producto.

Reduce el tiempo

El análisis de elementos finitos ayuda a comercializar diseños de productos optimizados más deprisa que un método de construir y probar.

Reducción de costes

Con el análisis de elementos finitos, puedes reducir de forma considerable el coste del desarrollo de productos comparado con los tradicionales procesos de prueba basados en prototipos físicos.

Pasos del proceso de simulación basado en FEA

Sea cual sea el software que se utilice, la mayoría de las simulaciones de FEA sigue estos pasos generalizados.

Modelo en 3D de la estructura de un vehículo con asignación térmica en el software Simcenter 3D.

Preprocesamiento

La etapa de preprocesamiento consiste en editar la geometría y prepararla para la simulación. En un proceso denominado mallado, una herramienta de preprocesamiento convierte la geometría del diseño en pequeños elementos finitos antes de aplicar las propiedades de los materiales, las cargas, las restricciones y los parámetros de simulación.

El software de simulación de CFD comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas mediante el solver CFD.

Resolución

El software de simulación de FEA comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas mediante el solver. Este paso puede requerir mucho tiempo o numerosos recursos informáticos. En simulaciones complejas, cada vez son más las empresas que recurren a la informática en la nube como solución rentable a este problema.

Imagen del análisis lineal de una estructura mecánica en el software Simcenter 3D.

Posprocesamiento

Una vez que finaliza la resolución, hay que analizar y visualizar los resultados de la simulación cualitativa y cuantitativamente mediante informes, monitores, ploteos, imágenes en 2D/3D y animaciones. En esta fase también se incluye la verificación y la validación de los resultados.

Tipos de análisis FEA

Análisis en 1D (modelos de vigas)
El análisis en 1D se refiere a la aplicación de modelos creados solamente por elementos unidimensionales compuestos por dos nodos, como elementos de vigas. El análisis en 1D puede ser bueno para el análisis en fase inicial de estructuras que suelen ser complicadas de modelizar, como la carrocería de un coche o el fuselaje de una aeronave. El modelo de vigas en 1D puede ayudar a los ingenieros a evaluar rápidamente la dinámica de la carrocería antes de que la geometría completa esté lista para un análisis de nivel más profundo.

Análisis en 2D (modelos de carcasas)
Los ingenieros mallan la geometría con elementos bidimensionales, como un elemento cuádruple o triangular para cuerpos de paredes finas, como las piezas de chapa. A continuación, las propiedades del elemento definen el espesor del elemento de la carcasa que el solver utilizará para calcular esfuerzos, deformaciones y otros resultados. Los preprocesadores de FEA disponen de algoritmos de mallado rápido que ayudan a crear una malla de carcasa de la geometría.

Análisis en 3D (modelos sólidos)
En geometría sólida y voluminosa, como un bloque motor, los ingenieros utilizan elementos sólidos tridimensionales para representar la geometría. Se crean elementos tetraédricos, piramidales y hexagonales en todo el cuerpo sólido. Los preprocesadores de FEA disponen de las herramientas que necesitan los ingenieros para crear modelos de malla sólida.

FEA multifísico
El actual FEA consiste en algo más que simular un único dominio físico. Hoy en día, los sistemas de FEA mucho más multidisciplinares al permitir acoplar distintas físicas, como la interacción fluido-estructura (FAI), la simulación térmica-mecánica, la dinámica multicuerpo con cuerpos flexibles basada en FE estructural, la electromecánica-térmica y mucho más. La simulación multifísica tiene una importancia fundamental en productos cada vez más complejos que requieren una ingeniería integral entre dominios para maximizar el rendimiento.

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Imágenes del software Simcenter 3D que representan un modelo de simulación del diseño de un tractor.

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