Ingeniería

Elementos Finitos

Te has preguntado ¿Porqué los Elementos Finitos han extendido su uso en la Ingeniería moderna?. El MEF o Método de Elementos finitos es una metodología de cálculo que ha favorecido la rapidez con la que los ingenieros pueden tomar decisiones y/o solucionar problemas. Aunque muchos de los ingenieros de la «vieja escuela´´ al comienzo no confiaban en los resultados, se ha demostrado que el cálculo por elementos finitos utilizando ordenadores es fiable, y muy rápido.

¿Qué son los elementos finitos?

Es un método numérico mediante el que se le da solución a ecuaciones diferenciales, las cuales están relacionadas con problemas físicos de geometrías complejas. Se puede decir, que no se calcula una estructura si no un modelo matemático, el cual se idealiza partiendo de la discretización de un boceto.

Este método complejo de cálculos se descubrió en los años 50, pero debido a la gran complejidad y volumen de cálculos, no se pudo utilizar hasta que se desarrollaron sistemas informáticos que facilitan sus resolución, pudiendo realizar miles de cálculos por segundo.

Después de su puesta en marcha, se dispararon exponencialmente las aplicaciones que se le podían dar y se solucionaron muchos problemas en la ingeniería. Con los Elementos Finitos se lograron acelerar los tiempos de producción, usar los modelos en 3D digitales sin tener que hacer prototipos. etc. Además, de los estudios estructurales, de los que podemos obtener esfuerzos, desplazamientos y coeficientes de seguridad, etc… se pueden realizar estudios; sísmicos, de vibración, térmicos o fluidos.

Tecnologías paralelas como el escáner 3D reducen aún más el tiempo de modelado y análisis de las piezas a replicar o modificar. (Ingeniería Inversa). Puedes leer más sobre ingeniería inversa clicando sobre el enlace.

Procedimiento para el cálculo de los Elementos Finitos

1. Modelado y discretización.

El modelado se lleva a cabo en alguno de los muchos softwares profesionales disponibles para ello. En este punto, aclarar que no es necesario incluir hasta el último detalle o acabar con intrincadas geometrías, debido a que esto solo nos complicaría la resolución del problema. Lo más correcto sería simplificar el modelo, y eliminar todo aquello que no represente una alteración en las variables analizadas.

2. Realizar el mallado y aplicar cargas y restricciones.

Al discretizar la estructura, la deformación está definida por un número finito de parámetros (deformaciones y/o giros), que en conjunto conforman el vector de deformaciones, por lo que la estructura tiene tantas formas de deformarse como términos tenga dicho vector.

Lo expongo de otra forma más clara, al realizar el mallado sobre una superficie volumétrica lo que se hace es sustituir todo el volumen por un entramado de puntos o nodos, con cierta semejanza a una »red de pesca» como podemos ver en las imágenes.

esfera ESingenieria
femur

compresor
cranck chaft

3. Análisis de los resultados

Los cálculos se realizarán en cada nodo, todas las componentes resultantes intervienen en los nodos colindantes, y así sucesivamente. Desde aquí se pueden resolver las áreas analizadas y detectar los sectores críticos. Como en cada nodo se realizaron cálculos y se obtuvieron resultados, te podrías estar preguntando… ¿Cómo analizar toda esta cantidad de datos?. Para esto, existe una forma visual de entenderlos mediante una escala de colores que nos representan las zonas más críticas. Ver imagen. Además, el propio software utilizado nos puede mostrar el resultado de cualquiera de los puntos en concreto, o aún más interesante nos brinda los nodos con resultados máximos y mínimos.

compresor DP

Es imprescindible realizar una correcta interpretación de los resultados porque no todo sale reflejado en colores, o los posibles fallos que pueden derivarse del entorno en el que se encuentra. De igual forma es preciso determinar el tipo de análisis necesario. El Análisis Estático es solo realizado en un instante con unas características constantes pero el Análisis Dinámico nos puede dar otros resultados muy interesantes y el comportamiento en el tiempo del sistema analizado.

Podemos resumir que es una materia complicada y que requiere mucho análisis y experiencia, aunque el Método de Elementos Finitos seguirá desarrollándose, sin dudas es una de las herramientas más potentes de la ingeniería moderna.

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