Parte 1 ¿Qué es CAE -FEM-?

Contenido

1. ¿Qué es CAE?

2. Requisitos previos para aprovechar todo el potencial de CAE

3. ¿Qué es el método de elementos finitos (FEM)?

4. Resumen

¿Qué es CAE?

En los últimos años, el análisis CAE se ha convertido en una herramienta indispensable para el diseño mecánico. En pocas palabras, CAE (que significa ingeniería asistida por computadora) es una técnica que utiliza computadoras para tomar mejores decisiones de diseño durante el proceso de desarrollo de productos. Lo hace ayudando a evaluar la idoneidad de los candidatos de diseño y brindando sugerencias sobre cómo mejorarlos.

Antes de que se utilizaran las computadoras en la fabricación, los detalles finos de las formas y estructuras de los productos solo se podían investigar mediante la construcción de prototipos reales. Se debían construir y probar una serie tras otra de prototipos para comprobar su durabilidad y otras propiedades antes de poder comenzar la producción en masa, un proceso que era costoso y requería mucho tiempo.

Fue en este contexto que CAE se desarrolló originalmente en los EE. UU., con los primeros paquetes de software comerciales que aparecieron en la década de 1970 y el campo se desarrolló rápidamente a medida que las capacidades de las computadoras crecieron durante la década de 1980 y más allá. Hoy, las técnicas CAE se utilizan desde las primeras etapas del proceso de diseño y desarrollo, para construir modelos matemáticos y físicos, para predecir las especificaciones, el rendimiento y la calidad del producto mediante herramientas de software y para optimizar los diseños de productos.

Aunque las técnicas CAE se utilizaron originalmente para diseñar productos basados en metales, como cohetes y aviones, hoy en día estos métodos se han convertido también en herramientas esenciales para el desarrollo de productos plásticos. Esta serie comienza con una introducción general a la CAE y luego pasa a tratar temas más especializados: diferencias en las propiedades de varios plásticos, simulaciones de procesos de fabricación y simulaciones de análisis estructural para productos plásticos.

■ ¿Cómo se utilizan las herramientas CAE?

Hoy en día, todo el proceso de diseño y desarrollo de productos está digitalizado, lo que se describe con los términos CAD y CAM. Esto permite una integración perfecta de CAE.

​​Los sistemas CAD (Computer-Aided Design) ayudan a gestionar el proceso de diseño de productos. Las herramientas CAD 3D que se utilizan hoy en día permiten el diseño de superficies de forma libre, lo que supone una mejora significativa respecto de la generación anterior de herramientas CAD 2D, que carecían de los grados de libertad suficientes para gestionar tal complejidad. Al utilizar datos CAD 3D en las líneas de producción de las fábricas, se ha hecho posible incluso diseñar moldes de productos mediante técnicas CAD.

​​Los sistemas CAM (fabricación asistida por computadora) preparan la información necesaria para fabricar productos, como los datos de control para las máquinas herramienta de control numérico (NC). Las máquinas herramienta de control numérico (NC) son instrumentos controlados por computadora para el procesamiento automatizado de productos. Mientras que el mecanizado convencional implicaba que los maquinistas humanos giraran manualmente los diales y tiraran de las palancas para hacer cortes y perforar agujeros, las herramientas NC pueden programarse con datos de control numérico para automatizar la posición y las dimensiones de los cortes, y todos los demás aspectos del proceso de fabricación.

En resumen, los datos de diseño preparados mediante técnicas CAD se pueden convertir en datos de control numérico para sistemas CAM que permitan el funcionamiento automatizado de las máquinas herramienta. Las herramientas CAD y CAM suelen empaquetarse juntas en productos de software conocidos como sistemas CAD/CAM. La enorme reducción de los pasos de procesamiento analógico convencionales ha permitido una ingeniería de mayor precisión y procesos operativos más eficientes.

Un flujo de diseño/desarrollo típico podría consistir en utilizar herramientas CAD para diseñar productos y moldes, aplicar análisis CAE para revisar los datos de diseño y eliminar problemas de fabricación del producto y luego enviar los datos a máquinas herramienta NC basadas en CAM para fabricar los productos.

El uso de CAE permite evaluar los candidatos a diseño de productos utilizando datos de diseño generados por CAD, antes de fabricar nada. Mientras que antes el diseño de productos exigía un engorroso ciclo de prueba y error (que implicaba el ajuste manual de prototipos fabricados y dependía de la experiencia y la intuición de artesanos expertos), hoy todo el proceso se puede analizar mediante simulaciones por ordenador. Los ciclos de prueba y error no solo se aceleran, sino que el análisis CAE también permite una comprensión más detallada de los resultados de lo que suele ser posible con las pruebas puras.

 

■ ¿Qué es posible con CAE?

Pero, ¿qué tipos de análisis son posibles con CAE? Las herramientas CAE actuales abarcan una amplia gama de dominios de aplicación, cada uno de los cuales se aborda mediante una serie de paquetes de software personalizados. Más específicamente, CAE se utiliza en todos los sectores de la tecnología moderna (desde productos mecánicos hasta sistemas eléctricos y electrónicos, diseños arquitectónicos, procesos químicos, procedimientos médicos y más), así como en el estudio de fenómenos naturales, enriqueciendo muchos aspectos de nuestra vida diaria.

Por ejemplo, en el diseño mecánico y campos relacionados, se utiliza el análisis estructural basado en CAE para garantizar que las partes móviles de los productos no interfieran con otros componentes, sin necesidad de fabricar prototipos.​

Fuente: Modelo en el video de “Análisis de contacto”, “Análisis de daños y disrupciones” (Consultado el 26 de febrero de 2021). https://www.mscsoftware.com/product/marc

*Modelo en el video de “Análisis de Contacto”, “Análisis de Disrupción y Daños” (Consultado el 26 de febrero de 2021).
https://www.mscsoftware.com/product/marc

 

Incluso dentro del subcampo particular de la fabricación basada en moldeo, existen paquetes de software comerciales especializados para moldeo por inyección de plástico, fundición de metales, fundición a presión, matrices de prensado y otros sectores específicos. La técnica CAE más comúnmente utilizada para el moldeo por inyección de plástico es el análisis de fluidos, que permite a los diseñadores simular si los materiales plásticos se pueden inyectar correctamente en los moldes.​

■ Una herramienta esencial para la fabricación moderna

El uso de herramientas CAE para evaluar los datos de diseño generados por CAD reduce las iteraciones de creación de prototipos, lo que reduce drásticamente los plazos de desarrollo y los costos. A medida que avanza el software y las computadoras se vuelven más potentes y menos costosas, los diseñadores equipados con CAD pueden usar herramientas CAE para diseñar y analizar productos por sí mismos, sin depender de ingenieros expertos para realizar análisis especializados. La llegada de los sistemas CAD/CAM y CAE en 3D ha tenido un efecto transformador en la estructura de la industria manufacturera.

En el mundo actual, en medio de tiempos de desarrollo cada vez más cortos y una creciente demanda de reducción de costos, es seguro decir que el análisis CAE se ha convertido en una herramienta absolutamente indispensable para la fabricación moderna.​

Requisitos previos para aprovechar todo el potencial de CAE

Por más potentes y convenientes que puedan ser las técnicas CAE, dominar el arte de la CAE moderna requiere algo más que simplemente aprender algunas herramientas de software. Uno podría esperar que los resultados de un análisis CAE pudieran ser tan simples como para que cualquier persona los pudiera entender de inmediato, independientemente de su formación o experiencia, pero esto está lejos de ser así. En cambio, la capacidad de interpretar con precisión los resultados CAE e incorporarlos a los diseños requiere no solo conocimientos de cómo usar el software, sino también conocimientos básicos de la disciplina de ingeniería de la mecánica de materiales y una comprensión profunda de las técnicas CAE básicas.​

 

■ Fundamentos de mecánica de materiales

La mecánica de materiales es una disciplina que investiga cómo los componentes estructurales se deforman y se rompen bajo distintos tipos de fuerzas aplicadas. En la mecánica de materiales, las fuerzas se representan mediante vectores. Si bien las fuerzas (como la gravedad) siempre actuarán sobre un cuerpo, están equilibradas para un cuerpo estructural que se encuentra en reposo.

Las fuerzas que actúan sobre los componentes estructurales incluyen tanto fuerzas externas (o cargas) como fuerzas internas que surgen dentro de los componentes para resistir fuerzas externas. Los tipos de fuerzas externas incluyen cargas de tracción, cargas de compresión, cargas de corte, cargas de flexión y cargas de torsión. Las fuerzas internas se caracterizan utilizando las nociones de tensión y deformación. La tensión se define como fuerza interna por unidad de área de superficie. Debido a que las fuerzas internas que actúan sobre los cuerpos son invisibles, los cálculos se llevan a cabo considerando conceptualmente cortes transversales a través de los cuerpos y utilizando las nociones de secciones transversales virtuales y coeficientes de sección transversal. Considerar las fuerzas por unidad de área de superficie permite separar la influencia de las propiedades del material de la influencia de la geometría. Por lo tanto, si se conocen las propiedades del material, un diseñador puede centrarse únicamente en la geometría de la pieza, al desarrollar una pieza.

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Como ejemplo, considere una varilla con una sección transversal circular que se tira tanto desde la izquierda como desde la derecha para producir una carga de tracción P de 100 N. Suponiendo una sección transversal virtual con un área de sección transversal de 20 mm ²​, la tensión σ está dada por

　　　　　　σ=100/20 N/mm2=5 N/ ^mm2 =5MPa

σ=100/20 N/mm²=5  N/mm²=5MPa

​es decir, la tensión que surge dentro de la varilla es σ=5 N/mm ​²​. Como resulta que tiene la misma unidad que la presión, la deformación a menudo también se expresa en MPa .

La deformación mide el grado en que los materiales se deforman. Debido a que la deformación se puede medir numéricamente utilizando un extensómetro (hoy en día también midiendo la distorsión de la muestra en un video (DIC)), la deformación se usa comúnmente para la caracterización de laboratorio de cuerpos reales, mientras que la tensión se usa comúnmente en el proceso de diseño.​

Aunque los cálculos de mecánica de materiales se pueden realizar a mano para cuerpos simples, la mayoría de los cuerpos del mundo real tienen estructuras complejas que son extremadamente difíciles de analizar mediante cálculos manuales. Por ejemplo, la tensión en el cuerpo que se muestra a la izquierda en la figura siguiente no es difícil de determinar a mano. Sin embargo, la adición de un solo orificio al cuerpo, como se muestra a la derecha, hace que los cálculos de mecánica de materiales sean extremadamente complicados debido a la concentración de tensión en la proximidad del orificio.

Para estos casos, utilizamos herramientas CAE. Las técnicas CAE permiten analizar con facilidad incluso cuerpos con formas complejas.

 

■ Los tres enfoques principales de CAE

Los análisis CAE se realizan mediante el uso de varias técnicas para subdividir cuerpos y estructuras en unidades pequeñas que son fáciles de analizar, lo que produce sistemas acoplados de ecuaciones que pueden resolverse numéricamente. Existen tres técnicas CAE principales en uso común hoy en día para simular fluidos viscosos y materia sólida: el método de diferencias finitas, el método de elementos de contorno y el método de elementos finitos.​​​​​​

(1) El método de diferencias finitas (FDM) es el más antiguo de los métodos analíticos que todavía se utilizan en la actualidad. Esta técnica, ampliamente utilizada para el análisis de fluidos, procede discretizando los objetos de interés en una red ortogonal conocida como cuadrícula de diferencias finitas. Una desventaja de las técnicas FDM es que no son adecuadas para el análisis de cuerpos con límites curvos u otras condiciones de límite complicadas.

(2) El método de elementos de contorno (BEM) es una técnica en la que solo se discretizan los límites de las regiones materiales para el análisis computacional. Este enfoque se utiliza comúnmente para estudiar configuraciones de campos electromagnéticos.​​

(3) El método de elementos finitos (FEM) es el enfoque analítico más utilizado en la actualidad. En este enfoque, los cuerpos de interés se subdividen en conjuntos de formas simples, como triángulos o rectángulos. Debido a que este enfoque es capaz de modelar no solo sistemas 2D sino también 3D, se utiliza ampliamente para fines como análisis estructural, análisis térmico, análisis de tensiones y análisis vibracional.​

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¿Qué es el método de elementos finitos (FEM)?

■ Las técnicas FEM se utilizaron por primera vez en el diseño estructural de aviones.

El método de elementos finitos se desarrolló originalmente en la década de 1950 para analizar la resistencia de las estructuras aerodinámicas en el diseño de aviones. Con la llegada de los motores a reacción, las estructuras de los aviones se volvieron extremadamente complejas, por lo que se requirió un cálculo de la resistencia estructural con suficiente precisión.

También fue en esta época cuando las computadoras digitales de uso general se volvieron ampliamente disponibles, permitiendo realizar cálculos numéricos rápidamente.

 

■ La filosofía básica del método de elementos finitos

El método de elementos finitos procede subdividiendo cuerpos y regiones materiales en conjuntos de formas simples, como triángulos y rectángulos; dicha subdivisión se conoce como discretización de malla. Cada componente individual de una malla se conoce como elemento y cada uno de los vértices que comprenden los elementos se conoce como nodo.​.

En los análisis tridimensionales, los cuerpos se subdividen en elementos tridimensionales (sólidos).

Si se consideran las fuerzas externas (como la gravedad o la presión) que actúan sobre cada elemento, se obtienen ecuaciones para ese elemento; dado que cada elemento está conectado a múltiples nodos, las fuerzas externas que actúan sobre cada elemento individual se transmiten a través de los nodos a sus vecinos y de allí a toda la estructura. Al ensamblar las ecuaciones de todos los elementos se obtiene un sistema simultáneo de ecuaciones lineales, que se pueden resolver para obtener el desplazamiento o la tensión de cada elemento. En resumen, el método de elementos finitos resuelve problemas difíciles descomponiéndolos en un conjunto de ecuaciones simples y resolviéndolas. Por supuesto, cuando el método se utiliza para analizar problemas complicados, el número de ecuaciones acopladas puede ser bastante grande (miles o incluso millones), lo que requiere cálculos matriciales basados en computadora para obtener soluciones.

 

■ Características principales del método de elementos finitos (FEM)

Los nodos asignados a los vértices de cada elemento se conocen como elementos de primer orden. En algunos casos, los nodos también se asignan a puntos intermedios dentro de las formas, lo que da lugar a elementos de segundo orden. La precisión de los cálculos se puede mejorar aumentando el número de nodos.

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Alternativamente, la precisión también puede mejorarse refinando la discretización de la malla para aumentar el número de elementos en el modelo. Cualquiera de estas mejoras hace que la solución aproximada de elementos finitos se acerque a la solución teórica exacta del problema, a expensas de requerir más tiempo de cálculo. Por otro lado, no importa cuán minuciosamente refinemos nuestro modelo, en general será imposible reproducir las formas reales de cuerpos complejos. En última instancia, el análisis CAE no es más que una técnica para convertir problemas complicados en modelos computacionalmente manejables para producir soluciones aproximadas.

No hace falta decir que los procesos de diseño del mundo real deben completarse en un tiempo finito. Debido a que el análisis de elementos finitos y otras técnicas CAE se utilizan para acortar los plazos de desarrollo, los requisitos de precisión que se deben imponer a un análisis determinado deben elegirse de manera apropiada para el propósito del análisis y el contexto en el que se lleva a cabo.

 

Resumen

La introducción de los análisis CAD/CAM y CAE en 3D ha transformado el mundo del diseño y la fabricación de productos. Hoy en día, estas técnicas se utilizan no solo para aviones y automóviles, sino también para productos de plástico y una amplia gama de otros fines; se han convertido, sin lugar a dudas, en herramientas indispensables para la fabricación moderna.

Al mismo tiempo, aprovechar al máximo estas potentes herramientas requiere más que simplemente comprar computadoras e instalar software: explotar todo el potencial de las técnicas CAE requiere una comprensión profunda de sus principios básicos, fundamentos teóricos e implementaciones prácticas.

 

Siguiente parte: “Puntos clave del CAE de Plástico -Diferencia del Metal-”.

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