ICEMM – EXCELENCIA EN SIMULACIÓN
El método de elementos finitos es una técnica numérica que permite la resolución aproximada de ecuaciones diferenciales aplicadas a problemas complejos en la industria, principalmente en el área del análisis de estructuras y mecánica, aunque se aplica también en análisis de fluidos, acústicos, electromagnetismo, …
Dentro del campo estructural, la simulación por elementos finitos se aplica tanto a problemas sencillos cómo son los análisis estáticos lineales, como problemas mucho más complejos donde se involucran comportamientos complejos de los materiales (plasticidad, fractura, ductilidad, …), interacciones (contactos), grandes desplazamientos, respuesta dinámica lineal o no lineal, impactos de alta velocidad, … todo ello aplicado a prácticamente cualquier sector industrial: espacio y aeronáutica, naval, automoción, energía, desarrollo de equipos, …
¿QUÉ BUSCAMOS CUANDO REALIZAMOS UNA SIMULACIÓN POR ELEMENTOS FINITOS?
Los objetivos de las simulaciones por elementos finitos dentro de la ingeniería estructural y mecánica vienen definidos principalmente por los requerimientos del proyecto. Algunas de las casuísticas habituales son:
- Comprobación de resistencia estática: este caso es probablemente el uso más extendido, donde empleamos Simulaciones por Elementos Finitos para obtener los valores de desplazamientos de la estructura, y partir de ellos, obtener los valores de esfuerzos y tensiones en la estructura para las condiciones de carga definidas por el proyecto o por la normativa aplicable. Este tipo de modelos de elementos finitos suelen ser modelos lineales para comportamientos simples o no-lineales para comportamientos más complejos donde queremos incluir plasticidad, contacto u otras no linealidades. Estos modelos FEM se suelen construir siempre del lado de la seguridad, aunque ello implique ciertas desviaciones con respecto al comportamiento real de la estructura.
- Comprobación a fatiga: este tipo de problemas se puede abordar con dos enfoques diferentes. Un primer enfoque, donde empleamos un Modelo de Elementos Finitos “grosero” de la estructura sin mucho detalle, pero que representa correctamente la transmisión de fuerzas y rigidez de la estructura, y un segundo enfoque donde representamos en detalle la geometría de la zona a estudio. El enfoque con el modelo “grosero” nos permitirá obtener las tensiones en campo lejano, y mediante el empleo de factores de concentración de tensiones obtener las tensiones máximas (Peterson’s Stress Concentration Factors). El enfoque con el modelo detallado nos permite obtener las tensiones máximas directamente del Modelo de Elementos Finitos. Con esos valores de tensión máxima se procede al análisis de fatiga empleando las curvas S-N o E-N según el caso. Existen circunstancias, generalmente en problemas de fatiga multiaxial, donde es necesario evaluar criterios de fatiga más complejos siendo necesario el empleo de herramientas específicas como fe-safe.
- Comprobación a fractura: este tipo de Simulaciones por Elementos Finitos se realiza cuando la geometría o las cargas no permiten analizar la estructura por métodos tradicionales o analíticos. Las técnicas más habituales suelen ser XFEM y VCCT.
- Cálculo de vibraciones o respuesta dinámica: para este tipo de problemas realizamos Simulaciones por Elementos Finitos utilizando modelos FEM que representan con precisión la rigidez y masa de la estructura, lo que permite calcular las frecuencias propias y modos de vibración de esta. Esto nos posibilita determinar la respuesta dinámica de la estructura ante solicitaciones dinámicas provocadas por motores, vehículos, sismo, viento, …
- Análisis de impactos: la resolución de problemas de impacto de alta y media velocidad exige la resolución mediante técnicas de simulación por elementos finitos, no existiendo la posibilidad de abordarlos mediante técnicas analíticas. Son simulaciones complejas y muy demandantes computacionalmente que implican fenómenos de contacto, daño del material, …
- Correlación de ensayos: para estos casos la simulación por elementos finitos tiene como objetivo el obtener un resultado lo más ajustado posible al ensayo. Son modelos con un grado de detalle muy elevado y con comportamientos complejos para poder representar correctamente el comportamiento de la estructura
- Simulación de procesos: para predecir defectos, tensiones residuales, y otros problemas en procesos como el moldeo por inyección de plásticos o estampación de metales. Este tipo de modelos de elementos finitos son muy complejos en lo relativo a la definición del comportamiento del material y al modelado del proceso de fabricación.
- Simulación en biomecánica: los proyectos biomecánicos tienen 2 objetivos diferenciados, por un lado, comprobar que los dispositivos médicos o prótesis soportan las cargas de uso, siendo este caso similar a las comprobaciones estáticas y de fatiga indicadas anteriormente, o realizar la simulación por elementos finitos del comportamiento del material vivo, ya sean tejidos duros como los huesos o blandos cómo órganos o músculos. En este último caso el uso de un modelo constitutivo adecuado es fundamental para obtener resultados correctos o lo más cercanos a la realidad.
- Análisis térmicos: el cálculo de problemas de transmisión de calor mediante códigos de elementos finitos estructurales presenta una alternativa al empleo de complejos “solvers” CFD. Su aplicación principal es cuando el mecanismo de transmisión de calor es fundamentalmente por conducción, y la transmisión por convección está bien definida y no necesita de la resolución del comportamiento del fluido. Indicar que la transmisión de calor por radiación también puede ser evaluada mediante esta técnica. Generalmente se estudia el problema térmico y mecánico de manera desacoplada, pero puede haber casos donde sea necesario acoplarlo y resolver ambos problemas a la vez (por ejemplo, en el análisis de fluencia de estructuras sometidas a tratamientos térmicos para el cálculo de tensiones residuales)
ICEMM, UNA PROPUESTA DE VALOR
En ICEMM llevamos ya 20 años realizando simulaciones de elementos finitos en distintos sectores industriales, principalmente en:
- Aeronáutica – Estructura primaria en material metálico y compuesto – Análisis estáticos lineales y no lineales, dinámicos, de fatiga y fractura o tolerancia al daño
- Ferrocarril – Análisis dinámico y de fatiga de equipos embarcados – Cálculo de ruedas ferroviarias (normativa europea y americana, AAR)
- Naval – Análisis estáticos y de fatiga – Análisis de choque según MIL-STD-810 y MIL-DTL-901E (expertos en simulación de ensayos de choque con “lightweight”, “medium weight” y DSSM)
- Eólica – Análisis estáticos y de fatiga
- Solar – Análisis estáticos
- Biomecánica – Simulación en odontología – Implantes – Comportamiento óseo
- Automoción – Análisis estáticos
- Ingeniería civil – Análisis estáticos, de fatiga y dinámicos
- Estructuras hidráulicas – Análisis estáticos, de fatiga y dinámicos
Nuestro enfoque está centrado en el cliente y en las necesidades específicas del proyecto o desarrollo, donde aplicamos nuestra experiencia y capacidades técnicas para ayudar a obtener un producto más seguro y de máxima calidad con ayuda de la simulación por elementos finitos.
