Guía para principiantes sobre el análisis de elementos finitos (FEA)

El análisis de elementos finitos, también conocido como FEA, es la simulación virtual de un componente físico utilizando una técnica matemática llamada Método de elementos finitos (FEM). Las raíces de FEA se remontan al siglo XVI, y el primer uso verdadero de FEA se remonta al trabajo de Schellback en 1851. Durante los siguientes cien años, FEA fue utilizado principalmente por matemáticos y otros académicos. Con el avance de las computadoras digitales, los desarrollos reales de FEA comenzaron a aparecer en las industrias automotriz, aeroespacial y de ingeniería civil.

FEA ahora puede llegar a más usuarios que nunca. El software de análisis de elementos finitos de hoy en día es intuitivo de usar, accesible a través de dispositivos electrónicos e increíblemente rápido y potente. Para descubrir más sobre qué es FEA y cómo funciona, sigue leyendo.

¿Qué es el análisis de elementos finitos?

FEA es el proceso de crear una simulación digital de un producto que pronto será real. Mientras que el análisis de elementos finitos una vez requería que usted pusiera lápiz sobre papel, hoy en día FEA se lleva a cabo en el entorno virtual de un programa de computadora. El software basado en computadora FEA puede modelar virtualmente geometrías y componentes complejos, lo que permite a los científicos e ingenieros predecir mejor cómo funcionarán estos productos en la vida real.

En el proceso de diseño y fabricación, FEA puede ayudarlo a comprender las propiedades físicas de una pieza, como su resistencia al impacto, los elementos térmicos y la dinámica transitoria, para predecir su fuerza, movimiento y otros comportamientos. FEA también puede visualizar las características de un material en particular bajo condiciones específicas como deflexión, vibración y otros factores estresantes. A través de estas predicciones, FEA le permite identificar posibles problemas de rendimiento y encontrar soluciones antes de que se cree el componente.

Existen diferentes tipos de análisis de elementos finitos, que incluyen:

• Análisis de ingeniería térmica :determine cómo las variaciones de temperatura afectarán el rendimiento de la pieza
• Cálculos de dinámica de fluidos :comprender el impacto estructural de la densidad de un fluido, un rasgo especialmente importante en la industria del petróleo y el gas
• Cálculos sísmicos de ingeniería :Prediga el rendimiento de la pieza bajo diversas vibraciones y frecuencias del suelo
• Análisis modal :Anticipe cómo las vibraciones forzadas externas, como el viento o la velocidad de desplazamiento, afectan el rendimiento de la pieza
• Análisis estático lineal :aplique proporciones lineales de un modelo a pequeña escala a la estructura de tamaño completo para anticipar escenarios

¿Cómo funciona el análisis de elementos finitos?

El análisis de elementos finitos es un proceso increíblemente matemático, por lo que lo explicaremos en términos sencillos. En pocas palabras, FEA descompone una estructura compleja en porciones más pequeñas y manejables. A medida que divida la estructura en secciones más pequeñas, obtendrá más conocimiento sobre cómo la estructura más grande responderá a los factores estresantes.

El primer paso del proceso FEA es determinar la ubicación de los nodos en la estructura, que son puntos únicos en una representación 2D o 3D de su diseño. Después de seleccionar sus nodos o puntos nodales, conéctelos dibujando líneas entre ellos. Esto creará una estructura de malla que forma la forma final del diseño. Las regiones encerradas por la malla contienen una colección de elementos finitos, de donde proviene el nombre "análisis de elementos finitos".

Al abordar las pequeñas secciones que componen la malla de su estructura, puede determinar con mayor precisión cómo actuará toda la estructura en determinadas circunstancias. Tenga en cuenta que cuanto más densa sea su estructura de malla, más precisos serán sus resultados, pero sus cálculos aumentarán en complejidad a medida que agregue puntos nodales.

¿Cómo se utiliza el análisis de elementos finitos en la fabricación?

En la fabricación, el FEA se utiliza para determinar las respuestas potenciales de un componente a los factores de estrés físicos externos e internos. El software de análisis de elementos finitos está diseñado para tener en cuenta la geometría, el material, el entorno y otros factores al probar virtualmente su simulación FEA. Esto le permite predecir cómo funcionará un componente en condiciones esperadas e inesperadas.

Dado que FEA existe en un mundo virtual, puede optimizar significativamente el proceso de creación de prototipos. En lugar de tener que construir prototipo tras prototipo, FEA le permite probar fácilmente un componente muchas veces y realizar cambios entre iteraciones. Esto le ahorra tiempo, recursos, costos y esfuerzo al diseñar un componente. El software FEA está diseñado para ser lo más realista posible, lo que permite que estos potentes programas anticipen con precisión el rendimiento de la pieza.

La creación rápida de prototipos virtuales respaldada por FEA es especialmente importante en la industria aeroespacial. Debido a que los componentes aeroespaciales deben sobrevivir al estrés extremo del espacio exterior, como la presión del aire, la inercia, las fuerzas de impacto y las altas temperaturas, es fundamental que sigan pautas de fabricación muy estrictas. Con FEA, puede anticipar con precisión cómo reaccionará un componente ante estas condiciones extremas. FEA también puede predecir años o incluso décadas de uso, una herramienta útil para los componentes aeroespaciales que podrían estar en órbita durante muchos años.

A lo largo del proceso de fabricación, FEA le permite ahorrar tiempo y dinero, reducir el desperdicio de energía y materiales, y recopilar comentarios instantáneos y precisos sobre cómo el estrés físico podría afectar su componente. En general, FEA contribuye a un ciclo de diseño más rápido y menos intensivo con mayor productividad.

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