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Análisis de elementos finitos

El análisis de elementos finitos (FEA) es el modelado y simulación virtual de productos y ensamblajes para el rendimiento estructural, acústico, electromagnético o térmico. FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (MEF).

¿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. FEA es la aplicación práctica del FEM, que es utilizado por ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver numéricamente problemas complejos estructurales, acústicos, electromagnéticos, térmicos, de fluidos y multifísicos. El software FEA se puede utilizar en una amplia gama de industrias, pero se usa más comúnmente en las industrias aeronáutica, automotriz, electrónica, maquinaria industrial, marina y productos de consumo.

Un modelo de elementos finitos (FE) comprende un sistema de puntos llamados "nodos", que forman la forma del diseño. Conectados a estos nodos están los elementos finitos que forman la malla de elementos finitos y contienen las propiedades materiales y estructurales del modelo, definiendo cómo reaccionará a ciertas condiciones. La densidad de la malla de elementos finitos puede variar a lo largo del material, dependiendo del cambio anticipado en los niveles de tensión de un área en particular. Las regiones que experimentan grandes cambios en la tensión generalmente requieren una densidad de malla más alta que aquellas que experimentan poca o ninguna variación de tensión. Los puntos de interés pueden incluir puntos de fractura de material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos y áreas de alta tensión.

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A finite element analysis for structural dynamics of a gearbox for an electric vehicle powertrain visuals from the Simcenter 3D software.

Descubra los beneficios

FEA es una metodología bien establecida que se utiliza a menudo para reemplazar o complementar los métodos experimentales y analíticos para ayudar al diseño y análisis de ingeniería de productos cotidianos. En comparación con la creación de prototipos y los experimentos, las simulaciones basadas en FEA ofrecen las siguientes ventajas.

Aumentar el rendimiento

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

Reduce el tiempo

El análisis de elementos finitos le ayuda a llevar al mercado diseños de productos optimizados más rápido que un método de construcción y prueba.

Reducción de costes

Al aprovechar el análisis de elementos finitos, puede reducir significativamente el costo de desarrollo de su producto en comparación con los procesos tradicionales de prueba basados en prototipos físicos.

Pasos en el proceso de simulación de FEA

Independientemente del software utilizado, la mayoría de las simulaciones de análisis por elementos finitos siguen estos pasos generalizados.

Modelo 3D del bastidor de un coche con un mapa de calor visual del software Simcenter 3D.

Preprocesamiento

La etapa de preprocesamiento implica la edición de la geometría y su preparación para la simulación. En un proceso denominado mallado, una herramienta de preprocesamiento convierte la geometría de diseño en pequeños elementos finitos antes de aplicar las propiedades del material, las cargas, las restricciones y los parámetros de simulación.

El software de simulación CFD comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador CFD.

Resolver

El software de simulación FEA comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador. Este paso puede requerir mucho tiempo o recursos informáticos. Para simulaciones complejas, cada vez más empresas están recurriendo a la computación en la nube como una solución rentable a este problema.

Análisis lineal de una estructura mecánica visual a partir del software Simcenter 3D.

Posprocesamiento

Una vez completada la resolución, el siguiente paso es analizar y visualizar los resultados de la simulación de forma cualitativa y cuantitativa mediante informes, monitores, gráficos, imágenes 2D/3D y animaciones. En esta etapa también se incluye la verificación y validación de los resultados.

Tipos de análisis FEA

Análisis 1D (modelos de vigas)

El análisis 1D se refiere a la aplicación de modelos creados únicamente por elementos unidimensionales compuestos por solo dos nodos, como los elementos de vigas. El análisis 1D puede ser bueno para observar el análisis en etapa inicial de estructuras que suelen ser complicadas de modelar, como la carrocería de un automóvil o el fuselaje. El modelo de haz 1D puede ayudar a los ingenieros a evaluar rápidamente la dinámica del cuerpo antes de que la geometría completa esté lista para un análisis de nivel más profundo.

Análisis 2D (modelos de vaciado)

Los ingenieros mallan la geometría con elementos bidimensionales, como un elemento cuádruple o triangular para cuerpos de paredes delgadas, como piezas hechas de chapa metálica. A continuación, las propiedades del elemento definen el grosor del elemento de vaciado que el solucionador utilizará para calcular la tensión, las deformaciones y otros resultados. Los preprocesadores FEA tienen algoritmos de mallado rápido que ayudan a los ingenieros a crear una malla de vaciado en la geometría.

Análisis 3D (modelos sólidos)

Para la geometría sólida y gruesa, como un bloque de motor, los ingenieros utilizan elementos tridimensionales sólidos para representar la geometría. Los elementos tetra, piramidales y hexagonales se crean en todo el cuerpo sólido. Los preprocesadores FEA tienen las herramientas que los ingenieros necesitan para crear modelos de malla sólida.

FEA multifísica

El FEA moderno es algo más que simular un único dominio de la física de forma individual. Hoy en día, FEA se ha vuelto mucho más multidisciplinar al permitir a los ingenieros acoplar diferentes físicas, como la interacción fluido-estructura (FSI), la simulación termomecánica, la dinámica multicuerpo con cuerpos flexibles estructurales basados en FE, electromecánica-térmica y más. La simulación multifísica es de fundamental importancia en productos cada vez más complejos que requieren una ingeniería holística entre dominios para lograr el máximo 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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