¿Qué es FEA (Análisis de elementos finitos) en CAD?

EN ESTE ARTÍCULO:

• Qué es FEA (Análisis de elementos finitos)
• Principios del software de simulación y análisis de elementos finitos
• Un proceso general en FEA
• Tipo de método de elementos finitos
• Aplicaciones de análisis de elementos finitos en CAD
• Por qué es útil el software FEA
• El resultado final

Los ingenieros tienen la posición poco envidiable de ser totalmente responsables de la integridad y seguridad de todos los productos y estructuras que diseñan. Pequeños errores en el diseño a menudo conducen a desastres inminentes (que con frecuencia llegan a los tribunales y son objeto de litigio).

Esta es la razón por la que los productos y las estructuras pasan por una serie de pruebas de estrés y optimización antes de implementarse en el mundo real. Pero hacerlo durante cientos de iteraciones (ya escala) puede ser prohibitivamente costoso. Por lo tanto, los ingenieros a menudo buscan técnicas de modelado de simulación (como el análisis de elementos finitos) para automatizar y simplificar estas pruebas.

Esto ayuda a reducir el uso de materiales para la creación iterativa de prototipos, que de otro modo se utilizarían en la actualización.

El análisis de elementos finitos es una de las técnicas más comunes que utilizan los ingenieros y diseñadores de CAD para simular la "tensión" en sus diseños.

¿Qué es FEA (análisis de elementos finitos)?

El análisis de elementos finitos (FEA) es una técnica numérica utilizada para resolver problemas de ingeniería con una serie de cálculos basados ​​en la física.

Por ejemplo, un ingeniero que diseñe un puente deberá predecir el comportamiento de la estructura bajo carga. El sistema de ecuaciones que describe la distribución de las tensiones estructurales puede conocerse, pero no puede resolverse fácilmente (o directamente) para una estructura complicada como un puente.

Por lo tanto, el sistema debe descomponerse en pequeños elementos (los “elementos finitos”), cuyos cálculos se pueden realizar y resolver fácilmente.

Los elementos finitos pueden ser de una, dos o tres dimensiones.

Principios del software de simulación y análisis de elementos finitos

El método de elementos finitos se usa generalmente en FEA para calcular soluciones aproximadas de problemas de contorno (problemas de campo) en ingeniería.

“El campo” normalmente representa una estructura física como dominio principal.

Las “variables de campo” son las variables de interés que se rigen por una ecuación diferencial. Deben lograr una condición límite para valores específicos de las variables (o variables relacionadas)

Un "nodo" es un punto específico en el elemento finito que contiene el valor de la variable de campo, que normalmente se calcula explícitamente. Estos valores luego se usan para calcular valores en puntos no nodales a través de la interpolación de valores en los nodos usando funciones de forma.

Un proceso general en FEA

1. Preprocesamiento para Fabricación

Esta etapa requiere que defina el problema de dominio, las propiedades del material, las propiedades geométricas, el modelo de malla, las condiciones de contorno y los tipos de elementos. Por lo general, en esta etapa, el ingeniero simplificará el problema tanto como sea posible para obtener resultados rápidos pero precisos.

Por ejemplo, antes de la simulación, un modelo CAD puede tener muchos filetes, agujeros u otras características que no son esenciales para la simulación, pero que consumen recursos computacionales y aumentan los tiempos de renderizado. Los ingenieros suelen eliminar estas características para acelerar sus simulaciones.

Esto se puede hacer manualmente (con los diseñadores ingresando y eliminando estas características una por una) o automáticamente usando la eliminación de CAD en el software Spatial. Una gran ventaja de automatizar este proceso es la reducción del error humano.

Las soluciones 3D InterOp y Modeler de Spatial habilitan el reconocimiento de funciones y una fácil anulación

2. Solución

Aquí, se realizan cálculos para los valores desconocidos de las variables de campo. Puede usar estos valores para calcular variables derivadas, como tensiones y fuerzas de reacción.

3. Posprocesamiento

Ordenar, graficar e imprimir es el conjunto final de actividades donde los resultados seleccionados se implementan como soluciones para su análisis de elementos finitos.

Tipos de método de elementos finitos

Las deficiencias en el modelado FEA para algunos campos (como la mecánica de fluidos) han requerido varias mejoras en el proceso de solución al tiempo que aumentan la diversidad en la aplicación del análisis de elementos finitos.

Algunos de los tipos comunes incluyen;

• El método finito extendido (XFEM)

Problemas tales como daños, fracturas o fallas no pueden ser manejados directamente por el método de elementos finitos.

XFEM, que utiliza el método de Galerkin y las funciones de paso de Heaviside, permite la expansión de las funciones de forma. Cada uno de los nodos recibe grados adicionales de libertad en los puntos de discontinuidad para su consideración.

• El método generalizado de elementos finitos

En este tipo, las funciones de forma se multiplican por la partición de la unidad mientras se definen por coordenadas globales. Esto evita volver a mallar mientras puede formar funciones de elementos locales.

Aplicaciones de análisis de elementos finitos en CAD

FEA se encuentra entre las funciones más potentes y de uso común en el diseño CAD.

Es parte integral de CAD para analizar un objeto mediante el uso de elementos finitos que incluyen pequeñas formas rectangulares y triangulares. Para analizar el objeto completo, se analiza cada elemento finito en la red de objetos completa y los resultados se combinan para trazar el comportamiento general de un objeto complejo. Cada elemento se puede analizar para ciertos umbrales de propiedad como tensión-deformación, dinámica, propiedades térmicas o cualquier otra característica (dependiendo de dónde se aplique).

En un flujo de trabajo CAD, puede definir cada elemento y estructura de red según lo requiera en su diseño.

Por qué es útil el software FEA

FEA permite a los ingenieros realizar la simulación de un modelo diseñado en lugar de tener que crear un modelo físico con fines de prueba.

FEA ofrece más ventajas.

FEM durante el análisis permite el modelado de un número diverso de tipos de materiales y la capacidad de monitorear cómo los efectos confinados impactan en una pequeña área de diseño en geometría complicada.

Los ingenieros pueden utilizar software especializado en modelado de elementos finitos para una amplia gama de tareas.

La dinámica de fluidos, la deformación de un vehículo por colisión y la tensión en los huesos humanos son algunas de las aplicaciones prácticas del software de modelado de elementos finitos por parte de los ingenieros.

El resultado final

FEA es predictivo pero no afirmativo.

No asegura que un diseño resistirá las tensiones simuladas con certeza. Solo les da a los ingenieros una vista de cómo el diseño puede reaccionar a las tensiones impuestas mientras reduce el costo de las pruebas físicas.

Para la experiencia general de FEA, hay una serie de software CAD con esta característica que podría ayudarlo a diseñar estructuras mejores y más precisas en cualquier campo de la ingeniería en el que se encuentre.