ELEMENTOS FINITOS

El análisis de elementos finitos es una técnica numérica muy extendida en el desarrollo de nuevos productos de alto valor añadido o responsabilidad. Esta técnica se refiere a multitud de aplicaciones industriales, aunque quizás la más conocida sea su aplicación al cálculo de estructuras, por ser el primer campo de aplicación y también donde se usa de una manera más intensiva.

El primer software para el análisis de elementos finitos fue desarrollado por la NASA en 1965, NASTRAN (NASA STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM) dentro de un proyecto financiado por el gobierno americano para realizar cálculos estructurales en proyectos aeronáuticos y de espacio. En la actualidad se disponen de numerosos “solvers” estructurales para realizar el análisis de elementos finitos, entre los que cabe destacar NASTRAN, Abaqus Standard y Ansys como “solvers” implícitos y Abaqus Explicit, LS-Dyna, PamCrash y Radioos como “solvers” explícitos.

HERRAMIENTAS PARA EL ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS

En ICEMM trabajamos siempre con las herramientas líderes en software de simulación, disponiendo en la actualidad de licencias de Abaqus Standard/Explicit y MSC Nastran para análisis de elementos finitos aplicados al análisis estructural tanto lineal como no-lineal, análisis dinámicos implícitos y explícitos, análisis de fatiga y fractura, y análisis térmicos.

La aplicación del método de elementos finitos no es exclusiva al análisis de estructuras, sino que tiene aplicación en otras áreas de simulación como el análisis CFD (Computational Fluid Dynamics), el análisis acústico y el análisis electromagnético, si bien es cierto que para el análisis CFD es más común el empleo de técnicas basadas en el Método de Volúmenes Finitos, FVM (Finite Volume Method).

En ICEMM dentro de nuestra estrategia basada en la innovación y búsqueda de nuevos retos tecnológicos hemos comenzado a desarrollar proyectos de simulación acústica para ayudar a la industria a la reducción de la huella acústica en sus desarrollos. Para ello contamos con Actran, el principal software de simulación acústica del mercado. Actran es un software de análisis de elementos finitos que nos permite resolver de manera eficiente problemas de propagación acústica, vibro-acústica y aero-acústica en todo el rango de frecuencias.

CÓMO REALIZAMOS EN ICEMM NUESTROS ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS

El proceso que seguimos siempre en ICEMM cuando tenemos que hacer un análisis de elementos finitos, es reunirnos con nuestro cliente para valorar la idoneidad del método al problema a resolver. 

Es importante identificar con nuestros clientes si el método es de aplicación (no siempre es lo más adecuado, sobre todo si el problema puede resolverse de manera analítica, muchos más fácil, económico e igual de confiable), establecer las hipótesis a realizar y estudiar bien los inputs de los que se dispone (en muchas ocasiones es necesario simplificar el análisis, siempre del lado de la seguridad, por falta de datos). También es importante evaluar el nivel de responsabilidad del estudio, ya que el estándar de calidad no es el mismo en la industria aeronáutica, nuclear o ingeniería civil, que en la industria fotovoltaica, por ejemplo.

Una vez definido el alcance de la simulación según los puntos anteriores, podemos ponernos a trabajar en el modelo de simulación. Para realizar el análisis de elementos finitos, además de contar con “solvers” de primer nivel, necesitaremos determinar los siguientes puntos:

  • Herramientas de pre y post-proceso: la creación del modelo de elementos finitos consume muchos recursos en términos de horas de ingeniería en la fase de pre-proceso, lo cual impacta en el coste de desarrollo. Para optimizar esos tiempos en ICEMM contamos con las mejores herramientas de mallado existentes. Para geometrías complejas usamos Hypermesh, y para geometrías más simples Abaqus CAE. Actualmente estamos introduciendo MSC Apex, de Hexagon, una herramienta que nos ha sorprendido gratamente en las tareas de limpieza de geometría y mallado, y que complementará nuestras capacidades actuales.
  • Tamaño de malla y tipo de elementos: sobre este punto, muchas referencias bibliográficas hablan sobre los estudios de sensibilidad que es necesario hacer, tanto para el tamaño de malla como el tipo de elemento según el problema a estudio. Este proceso, que es correcto, supone un coste elevado en términos de tiempo y recursos. Sin embargo, en ICEMM y tras 18 años de experiencia hemos establecido procedimientos propios basados en nuestra experiencia y en procedimientos de grandes empresas aeronáuticas y de automoción, que permite predefinir estos parámetros, permitiendo optimizar los costes asociados. En nuestro blog podéis leer un par de entradas referidas a estos temas:
  • Cargas: uno de los puntos clave en cualquier análisis de elementos finitos, si las cargas están mal, los análisis de elementos finitos estarán también mal. En este apartado asesoramos a nuestros clientes para definir correctamente las cargas a aplicar, ya sea porque vienen definidas por normativa o porque deban calcularse previamente por ser dependientes del comportamiento de la estructura (cargas dinámicas) o porque se acoplan con ésta (cargas aeroelásticas).
  • Condiciones de contorno: este punto es a priori sencillo de definir, sin embargo, nos encontramos con muchos errores en informes externos por falta de experiencia del ingeniero que está realizando el estudio. Al igual que el punto anterior, si las condiciones de contorno están mal, los resultados del análisis de elementos finitos estarán también mal. Las condiciones de contorno hay que definirlas según las restricciones reales y en caso de que no se puedan representar, siempre del lado de la seguridad.
  • Materiales: la dificultad de definir correctamente los materiales viene relacionada con la complejidad del análisis de elementos finitos que queremos hacer. Si estamos haciendo un análisis lineal con materiales isótropos, no nos va a ser difícil definir correctamente el material ya que disponemos de amplias bases de datos contrastadas con los datos necesarios. Sin embargo, si queremos definir comportamientos no lineales del material, dependientes del tiempo, temperatura o velocidad de deformación, materiales compuestos, daño o fractura, ahí la cosa cambia porque muchas veces no están definidas las propiedades en ninguna base de datos y hay que utilizar publicaciones técnicas contrastadas o realizar ensayos del material.

¿CUÁNTO CUESTA REALIZAR UN ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS?

La respuesta a esta pregunta depende de lo que busque el cliente. Si sólo quiere un informe sencillo con “colores” para cubrir el expediente de algún desarrollo y realizado con un software de elementos finitos “simple”, la respuesta es no, se pueden encontrar estudios muy económicos. En este caso ICEMM no es el proveedor que necesita. 

Si por el contrario busca un análisis de elementos finitos de calidad que se ajuste a los requerimientos y que dé plena confianza de los resultados obtenidos, el coste del análisis de elementos finitos puede ser elevado, aunque siempre dependerá del alcance del mismo. 

Hay que tener en cuenta que en estos casos se incurre en licencias de software de elementos finitos muy costosas que rondan los 20-22.000€/año para un “solver” FEM de primer nivel con un único core (si tenemos modelos muy grandes habrá que utilizar más capacidad de cálculo para tener resultados en tiempo razonable y adquirir más licencias), más 14-15.000€/año para un pre-procesador de calidad, más la máquina de cálculo (20.000€ para un servidor de potencia media-alta con 2 sockets) más las horas de ingeniería. 

Es importante indicar que grandes modelos de simulación como los empleados en análisis de “crash” en el sector de automoción, pueden requerir de cientos de cores y “tokens” (licencias) para poder realizar las simulaciones en los tiempos requeridos. En la actualidad para abordar dichos problemas es más eficiente hacer uso de la computación Cloud que nos ofrecen nuestros partners tecnológicos en simulación CAE.

Aun con lo expuesto en los párrafos anteriores sobre el coste de este tipo de servicios, desarrollar un análisis de elementos finitos con la calidad que ofrece ICEMM es siempre garantía de retorno de la inversión, ya que permite a nuestros clientes generar diseños más eficientes, optimizados y seguros.

ICEMM, TU REFERENTE EN EL ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS

La excelencia de nuestros servicios se respalda mediante la contratación continua de reconocidas empresas industriales, tanto a nivel nacional como internacional, como Airbus, INDRA, Navantia, ELECNOR, SENER, entre otras. Además, empresas de menor escala, como LODEPA o Fagor Electrónica, confían en nuestros servicios para sus proyectos, consolidando a ICEMM como un referente en el ámbito del análisis de elementos finitos.

Es importante destacar también la experiencia de ICEMM en otras áreas de simulación, como la simulación de fluidos mediante técnicas CFD (Computational Fluid Dynamics) y el análisis de partículas acoplados o desacoplados con el fluido mediante simulación DEM (Discrete Element Method).

Dentro del área de simulación de fluidos, en ICEMM estamos especializados en análisis térmicos, climatización (incluido Data Centers), ventilación y evacuación de gases, hidráulicos y aerodinámicos.

En el área de simulación de partículas contamos con amplia experiencia en simulación de procesos con partículas y en el estudio de fluidificación de lechos partículas sólidas (reactores de biomasa, por ejemplo).

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