Entendiendo FEA: Análisis de Elementos Finitos en CAD – Principios, Aplicaciones y Software

"El campo" normalmente representa una estructura física como dominio principal.

"Variables de campo" son las variables de interés gobernadas por una ecuación diferencial. Deben alcanzar una condición de frontera 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 se usan luego para computar valores en puntos no nodales mediante interpolación de valores en los nodos usando funciones de forma.

Proceso general en FEA

1. Preprocesamiento para manufactura

Esta etapa requiere definir el problema de dominio, propiedades de material, propiedades geométricas, modelo de malla, condiciones de frontera y tipos de elemento. Típicamente en esta etapa, el ingeniero simplificará el problema lo máximo posible para obtener resultados rápidos pero precisos.

Por ejemplo, antes de simulación, un modelo CAD puede tener muchos redondeos (fillets), agujeros u otras características que no son esenciales para la simulación —pero que consumen recursos computacionales y aumentan tiempos de render. Ingenieros típicamente eliminan estas características para acelerar sus simulaciones.

Esto puede hacerse manualmente (diseñadores entrando y eliminando características una a una) —o automáticamente usando CAD defeaturing en software de Spatial. Una gran ventaja de automatizar este proceso es la reducción de error humano.

2. Solución

Aquí se computan los valores incógnitos de las variables de campo. Podrías usar estos valores para computar variables derivadas como tensiones y fuerzas de reacción.

3. Postprocesamiento

Ordenar, graficar e imprimir es el conjunto final de actividades donde tus resultados seleccionados se implementan como soluciones a tu análisis de elementos finitos.

Tipos de método de elementos finitos

Deficiencias en modelado FEA para algunos campos (como mecánica de fluidos) han pedido varias mejoras al proceso de solución mientras aumentan la diversidad en aplicación del análisis de elementos finitos.

Algunos tipos comunes incluyen:

• Método de elementos finitos extendido (XFEM)

Problemas como fractura por daño o fallo no pueden manejarse directamente por el método de elementos finitos.

XFEM —que usa el método de Galerkin y funciones escalón de Heaviside— permite expandir funciones de forma. A los nodos se les dan grados de libertad extra en puntos de discontinuidad para consideración.

• Método de elementos finitos generalizado

En este tipo, las funciones de forma se multiplican por la partición-de-unidad mientras se definen por coordenadas globales. Esto evita re-mallado mientras puedes formar funciones de elemento locales.

Aplicaciones del Análisis de Elementos Finitos en CAD

El FEA está entre las características más potentes y usadas en diseño CAD.

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

En un flujo de trabajo CAD, puedes definir cada elemento y estructura de red como requieras en tu diseño.

Por qué el software FEA es útil

El FEA permite a ingenieros conducir simulación de un modelo diseñado en lugar de tener que crear un modelo físico para pruebas.

El FEA ofrece más ventajas.

El MEF durante análisis permite modelado de diversa cantidad de tipos de material, y la capacidad de monitorizar cómo efectos confinados impactan un área pequeña de diseño en geometría compleja.

Ingenieros pueden usar software especializado para modelado de elementos finitos para amplia gama de tareas.

Dinámica de fluidos, deformación de vehículo por colisión y estrés en huesos humanos son algunos usos prácticos de software de modelado de elementos finitos por ingenieros.

Conclusión

El FEA es predictivo pero no afirmativo.

No determina que un diseño soportará los esfuerzos simulados con certeza. Solo da a ingenieros una visión de cómo el diseño puede reaccionar a los esfuerzos impuestos mientras recorta coste de pruebas físicas.

Para la experiencia FEA global, hay varios software CAD con esta característica que podrían ayudarte a diseñar estructuras mejores y más precisas en cualquier campo de ingeniería.