Conocemos la importancia de validar la resistencia de nuestros diseños, sabemos que las herramientas de SOLIDWORKS Simulation nos facilitan en gran medida la toma de estas decisiones.

La variedad de estudios a realizarse en muy amplia, por mencionar algunos podríamos decir:

• Análisis de esfuerzos
• Fatiga
• Vibraciones
• Transferencia de calor
• Inyección de plásticos
• Deformaciones permanentes

De manera general, la manera en que abordamos estos estudios consta de tres pasos: 

Cada una de estas etapas es fundamental para obtener información importante y de utilidad en los análisis realizados. 

En la etapa de la configuración, representamos las condiciones que pretendemos simular, por ejemplo, la manera en que interactúan los componentes de un ensamble, es decir si están atornillados, uniones con soldadura, rodamientos, etc. También, en la etapa de la configuración especificamos las fuerzas, cargas, temperaturas, vibraciones que queremos representar.

Solución. Quizá la etapa en la que tenemos menor influencia, debido a que en este proceso entran en acción los solvers numéricos que resolverán el modelo matemático que se ha creado. Sin embargo, hay técnicas que dependen completamente de nosotros para lograr tener mejores resultados, es decir utilizar técnicas que nos permiten realizar la solución del análisis de una manera más eficiente.

Es justo sobre esas técnicas que en las que me quiero enfocar en este blog.  En dejar claros los pasos necesarios para tener una solución de nuestro análisis más eficiente, además de utilizar de manera provechosa los recursos de cómputo que tengamos disponibles y utilizar las herramientas de análisis por Elementos Finitos, como un verdadero profesional. 

No quiero asustar a nadie con la siguiente información, pero será algo técnica. Se que ustedes expertas y expertos usuarios de SOLIDWORKS sabrán utilizarla de manera sabia.

Como mencionamos al inicio, la solución consiste en la resolución de un modelo matemático. Este modelo matemático se “crea” cuando realizamos el mallado (en un lenguaje más técnico le llamamos Discretizado) lo cual consiste en la creación del Modelo de Elementos Finitos.

Este es un proceso en que un “modelo continuo”, es decir, la pieza o ensamble que vamos a analizar de “divide” en un número finito de elementos individuales.

Cada uno de estas “piezas” de la malla, son llamados ELEMENTOS, e interactúan entre sí a través de NODOS. Todo esto en su conjunto es la MALLA.

Como usuarios avanzados de SOLIDWORKS SIMULATION, debemos entender la manera en que interactúan estos elementos y las técnicas disponibles para crear una malla con la calidad apropiada para lograr obtener resultados de calidad.

Conozcamos entonces los conceptos fundamentales del mallado.

En la imagen anterior vemos la representación de elementos con sus nodos correspondientes. Como ya mencionamos la manera en que interactuar nos elementos entre sí, es a través de los nodos, y esta interacción se debe a la capacidad de “movimiento” que tienen los nodos. A esta capacidad de movimiento de los nodos le llamaremos Grados de Libertad, en muchas ocasiones llamado DOF, por sus iniciales en inglés (degrees of freedom).

Las direcciones de movimiento que pueden llegar a tener los nodos son hasta seis, tres traslacionales a lo largo de los tres ejes X, Y, Z así como la capacidad de girar alrededor de cada uno de estos ejes. Entonces, la capacidad de movimiento de un nodo podría ser de hasta seis grados de libertad. Tres de traslación y tres de rotación.

Antes de comentar acerca de la influencia de los grados de libertad en la resolución del modelo matemático, primero debemos explicar los diferentes tipos de elementos que tenemos disponibles.

Hemos mencionado que existen diferentes tipos de elementos, de los cuales podemos elegir que tipo de elemento a utilizar dependiendo de la geometría del modelo 3D sobre el cual vayamos a realizar el estudio. Mencionemos el tipo de elementos que podemos utilizar.

Elementos SÓLIDOS. Son elementos que tienen forma tetraédrica (pirámide de base de triangular, es decir tres dimensiones). Estos elementos tienen únicamente tres grados de libertad y son en traslación. Es decir, moverse a lo largo de cualquier eje (x,y,z).  

Los elementos solidos los utilizamos preferentemente en componentes robustos, o piezas que no son de espesores muy pequeños.

Cuando utilizamos este tipo de elementos es muy importe que al momento de crear la malla se generen cuando menos dos elementos a través del espesor de la geometría CAD.

Dentro de la clasificación de elementos sólidos existen dos tipos, los de primer orden (o alta calidad), los cuales tienen un total de 10 nodo y también es posible utilizar elementos solidos de baja calidad (calidad borrador), los cuales tiene sólo cuatro nodos.

El segundo tipo de serán los Elementos de Superficie Estos elementos de forma triangular, es decir son en dos dimensiones. Los nodos de estos elementos tienen seis graos de libertad (3 de traslación y tres de rotación). Con este tipo de elementos también es posible seleccionar elementos de primer orden (alta calidad) los cuales tienen 6 nodos o elementos de segundo orden (calidad borrador) que son elementos con tres nodos.

Estos elementos son altamente recomendados utilizar cuando los componentes que analizaremos son de espesores delgados, por ejemplo, alguna pieza hecha con superficies o chapa metálica.

El tercer tipo de serán los Elementos de Vigas. Estos elementos son unidimensionales, es decir es una línea unida por dos nodos. Al igual que en los elementos triangulares, estos nodos también 6 grados de libertad, tres en traslación y tres en rotación.

Generalmente utilizamos estos elementos para geometrías CAD que tiene sección trasversal constante, además que son “largos” comparados contra las dimensiones de su sección transversal, solemos utilizarlos para mallar geometrías como perfiles estructurales (vigas, ángulos, canales tipo C, etc.).  Es importe conocer que las propiedades de sección transversal se asignan de manera automática al momento de realizar la malla.

Ahora que conocemos los diferentes tipos de elementos que podemos utilizar, hablemos de la importancia de utilizarlos de manera adecuada.

Sabemos de manera general que entre más “fina” es la malla, más precisos serán los resultados, sin embargo, también será necesaria mayor intensidad de procesamiento de cómputo. Lo cual implica necesidad de mayor cantidad de memoria RAM, así como de tiempo necesario para resolver el problema.

Hemos mencionado la “resolución de un modelo matemático” para obtener los resultados de nuestro estudio, bien, esta solución se obtiene de resolver un sistema de ecuaciones matriciales (nadie se alarme, esto lo realiza el software de manera automática). Estos sistemas de ecuaciones se definen en cada uno de los nodos de la malla donde cada grada de libertad será una incógnita por resolverse.

Es esta la razón del porque los estudios con mallas finas son más precisos en resultados, así como también más complejos de resolverse. Nos encontramos entonces con una disyuntiva entre calidad de resultados contra tiempo de resolución.

Esta situación no debería representar ninguna complicación, pues existen técnicas que nos permiten equilibrar precisión y tiempo de solución de manera eficiente. Algunas de estas técnicas son:

• Utilizar el tipo de elementos apropiado según la geometría.
• Aplicar refinamientos de malla locales en zonas de interés.
• Utilizar los elementos de calidad borrador para obtener resultados preliminares o bien en componentes que no sean de mayor relevancia en los resultados.
• Seleccionar el solver más apropiado según el tipo de estudio que estemos realizando.

En el siguiente video quisiera mostrarte un ejemplo donde ponemos en práctica los conceptos que acabamos de plantear.

 Te dejo un enlace para la descarga del modelo 3D con para que puedas practicar, y si eres una apasionada o apasionado de la simulación y la ingeniería asistida por computadora, te recomiendo el curso de certificación en Análisis por Elementos Finitos con SOLIDWORKS SIMULATION, por supuesto en Instituto Intelligy.

Descargar pieza