Análisis de elementos finitos para niños
El análisis por elementos finitos (FEA, siglas en inglés de Finite Element Analysis) es una técnica de simulación por computador usada en ingeniería. Usa una técnica numérica llamada método de los elementos finitos (FEM).
Existen muchos paquetes de software, tanto libres como no libres. El desarrollo de elementos finitos en estructuras, suele basarse en análisis energéticos como el principio de los trabajos virtuales.
Contenido
Historia
El análisis de elementos finitos desde su enfoque matemático fue desarrollado en 1943 por Richard Courant, quien usó el Método de Ritz del análisis numérico y el cálculo variacional para obtener soluciones aproximadas para sistemas oscilatorios. Desde un punto de vista ingenieril, el análisis de elementos finitos se origina como el método de análisis estructural de matrices de desplazamiento, el cual surge luego de varias décadas de investigación, principalmente en la industria aeroespacial británica, como una variante apropiada para computadores. Para finales de los años de la década de 1950, los conceptos claves de matriz de rigidez y ensamble de elementos existe en las formas como se conocen hoy en día., la demanda de la NASA repercutió en el desarrollo del software de elementos finitos NASTRAN en 1965.
Aplicaciones
En estas aplicaciones, el objeto o sistema se representa por un modelo geométricamente similar que consta de múltiples regiones discretas simplificadas y conectadas — véase: Método de los elementos finitos. Ecuaciones de equilibrio, junto con consideraciones físicas aplicables así como relaciones constitutivas, se aplican a cada elemento, y se construye un sistema de varias ecuaciones. El sistema de ecuaciones se resuelve para los valores desconocidos usando técnicas de álgebra lineal o esquemas no lineales, dependiendo del problema. Siendo un método aproximado, la precisión de los métodos FEA puede ser mejorada refinando la discretización en el modelo, usando más elementos y nodos.
Comúnmente se usa FEA en determinar los esfuerzos y desplazamientos en sistemas mecánicos. Es además usado de manera rutinaria en el análisis de muchos otros tipos de problemas, entre ellos Transferencia de calor, dinámica de fluidos, y electromagnetismo. Con FEA se pueden manejar sistemas complejos cuyas soluciones analíticas son difícilmente calculables.
Tendencias actuales de FEA en la industria
Modelado Dinámico
Hay una creciente demanda por modelado dinámico en FEA en la industria de vehículos pesados. Muchas compañías de vehículos pesados se están alejando del tradicional análisis estático y están haciendo uso de software de simulación dinámica. La simulación dinámica incluye la aplicación de FEA en un sentido más realista para tener en cuenta los efectos complicados de analizar varios componentes y ensambles con características reales.
Modelado de ensambles
La simulación dinámica, usada en conjunción con el modelado de ensambles, introduce la necesidad de unir componentes de distintos materiales y geometrías. Así que, las herramientas para la ingeniería asistida por computador deben tener capacidades comprensivas para utilizar fácilmente fiables conectores en los modelos, los cuales pueden incluir uniones que permiten movimiento relativo entre los componentes, remaches, y soldaduras.
Modelos típicos de MSS están compuestos de cuerpos rígidos (ruedas, ejes, cuadros, motores, cabina, y remolque) conectados por uniones ideales y elementos de fuerza. Las uniones y los eslabones pueden ser modelados como eslabones rígidos, resortes o amortiguadores para así simular las características dinámicas de los componentes de un camión real.
La transferencia de fuerza a través de los componentes de un ensamble por conducto de conectores, los hace susceptibles a esfuerzos altos. Es más sencillo y fácil el idealizar conectores como uniones rígidas en estos sistemas. Esta idealización provee un estudio básico del comportamiento del ensamble en términos de entender las características del sistema; los ingenieros deben modelar uniendo parámetros como lo son las piezas de enlace en forma precisa para cuando se realice el análisis de esfuerzos puedan determinarse posibles fallas.
"El representar conectores como uniones rígidas asume que los conectores transfieren las cargas a través de los componentes sin deformarse ni sin ellos pasar por estrés. Esta idealización no realista lleva a predicciones incorrectas de estrés en las regiones locales a los conectores, exactamente las cuales son los lugares donde más posiblemente la falla se iniciará." Comprensiblemente, la inclusión detallada de cada punto de connexión y/o mecanismo en un ensamble es impráctico para ser modelado, Así es que representaciones mejoradas de conectores que son simples de usar y fiables deben ser investigados para su uso caso por caso.
Técnicas actuales de modelado en la industria
Ingenieros en varias compañías automotrices actualmente moldean sus vehículos usando especializado software dinámico de FEA. Cada modelo contiene un cuerpo y chasis flexible, resortes, barras de rodaje, ejes cabina y suspensión del motor, el mecanismo de dirección y viraje y cualquier componente dependiente en la frecuencia como lo son las montas hechas de hule. Detalles adicionales como los frenos y fuerzas de un motor fuera de balance pueden ser incluidas en una forma dependiendo a "como se requiera".
La simulación dinámica de FEA permite que una variedad de maniobras sea probada con precisión. Pruebas como lo son cortando la esquina, volcado, cambio de línea en tránsito, vueltas en J, análisis de vibración, colisiones y frenado en línea pueden ser llevados a cabo en forma precisa utilizando la simulación dinámica en el análisis de elementos finitos.
Cargas con variables tiempo y no lineales permiten a los ingenieros hacer avanzados y realistas análisis de los elementos finitos, así permitiéndoles localizar las condiciones críticas y determinar características en el desempeño.
Como un resultado de las capacidades de prueba dinámica mejoradas, los ingenieros pueden determinar las características óptimas e ideales (ultimate performance) de desempeño del diseño del vehículo sin la necesidad de tomar riesgos físicos. Como un resultado de FEA dinámico, la necesidad de costosas pruebas destructivas se ha minorizado en gran forma.
FEA en la industria de camiones
La industria de camiones se ha hecho más como las otras industrias tales como la industria automotriz con respecto a la participación del análisis de elementos finitos en el proceso de diseño. Pero, por la necesidad de los manufacturadores de camiones de proveer una variedad de configuraciones de cuerpos de camión, es poco factible que los camiones se inclinen hacia un proceso de FEA unificado y estilizado, como el que se presencia en la industria automotriz. El proceso de diseño no ha alcanzado el nivel requerido de maduración para que sea dirigido por la simulación. Más aún, la tradicional filosofía de diseño de intento y prueba en las técnicas de diseño de camiones tomando precedencia todavía están muy arraigadas en la industria de camiones. Aunque la industria se mantiene lejos de adoptar un proceso de diseño integrado de principio a fin, el análisis de elementos finitos está creciendo rápidamente en los papeles de diseño y desarrollo del producto en la industria camionera. Otro aspecto que se ha hecho importante en la industria es el del área de actualización del modelo de elementos finitos que es un proceso que hace reflejar al elemento finito en una mejor forma la información medida.
Paquetes de Elementos Finitos
- ANSYS
- CAELINUX
- Nastran/Patran
- Dlubal RFEM
- Anexo:Software de Elementos Finitos
Véase también
En inglés: Finite element method Facts for Kids
- Método de los elementos finitos en la mecánica estructural
- Método de los elementos finitos
- Método de Rayleigh-Ritz
- Métodos de Meshfree
