Estudio de recursos finitos

FEA es el acrónimo de "estudio de recursos finitos". Con base en el procedimiento de recursos finitos (FEM), es una técnica que usa pcs para profetizar la conducta de diferentes tipos de sistemas físicos como la deformación de rígidos, conducción de calor y flujo de fluidos. El programa FEA , o programa FEM , es un instrumento bastante conocida usada por ingenieros y físicos pues posibilita la aplicación de leyes físicas a escenarios de la vida real con exactitud, versatilidad y practicidad. Posteriormente, discutimos todo lo cual se debe saber sobre FEA para principiantes. 

¿Cómo funciona FEA?

FEA es la aplicación del método de elementos finitos (FEM) a problemas prácticos. El método de los elementos finitos es un procedimiento matemático que se utiliza para calcular soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales. El objetivo de este procedimiento es transformar las ecuaciones diferenciales en un conjunto de ecuaciones lineales, que luego la computadora puede resolver de manera rutinaria.

Simulación de conexión de perno (Fuente: SimScale)

Las ecuaciones diferenciales resultan muy relevantes y permanecen presentes en varios inconvenientes de ingeniería pues representan el lenguaje en el cual se manifiestan las leyes físicas. Conectan cambios en las cambiantes internas de un objeto, como el movimiento, la temperatura o la presión, y su interacción con la geometría del objeto, las características físicas y las influencias externas que trabajan sobre él. La especificación descriptiva de cómo se hace esta transformación de una ley física en un grupo de ecuaciones lineales está más allá del alcance de este artículo, empero aquí existe una especificación general del proceso: 

1. El problema físico está bien definido, con leyes físicas establecidas que se aplicarán, en forma de ecuaciones diferenciales.
2. Se define la geometría del objeto a analizar, con el espacio ocupado por él llamado 'dominio' y la superficie que lo encierra llamada 'límite'.
3. Las influencias externas, que actúan sobre la frontera o el dominio, también están bien definidas, como fuerzas, presiones, temperaturas o fuentes de calor. Estos se conocen como "condiciones de contorno".
4. Las 'condiciones iniciales' del objeto también están bien definidas. Estos son el conjunto de valores de todas las variables internas en el primer momento del problema, por ejemplo, velocidades iniciales, pretensiones o la distribución de temperatura inicial.
5. Luego, el dominio se divide en pequeñas formas básicas, conocidas como "elementos". El conjunto de todos los elementos se conoce como 'malla'. Además, los puntos donde se encuentran los elementos vecinos se denominan "nodos". El tamaño de los elementos determinará la precisión de la solución aproximada, cuanto menor sea, mejor. Sin embargo, un mayor número de elementos utilizados aumentará la demanda de recursos computacionales como la memoria y el tiempo del procesador.
6. Luego, todas las ecuaciones y condiciones de contorno se "proyectan" en los nodos, lo que da como resultado un número finito, pero a menudo grande, de ecuaciones lineales.
7. La computadora resuelve las ecuaciones lineales y la lista de variables resultantes para cada nodo y elementos se escribe en archivos.
8. Los datos resultantes se utilizan para realizar análisis numéricos, visualizaciones y decisiones de diseño.

Mecánica de solidos 

El Análisis de Elemento Finito se puede apoyar con simulación de tensión plana, deformación plana y deformación plana generalizada; y simetría axial 2D, se pueden obtener el enfoque más general para analizar estructuras sólidas. Al usar una formulación geométricamente no lineal, se puede analizar situaciones con rotaciones y tensiones arbitrariamente grandes.

Existe una amplia variedad de modelos de materiales para describir con precisión su problema de mecánica sólida, y es fácil ampliar estas características mediante el modelado basado en ecuaciones. También se pueden definir las propiedades del material con expresiones constantes, espacialmente variables o no lineales; tablas de búsqueda; o combinaciones de estos.

El análisis de contactos puede incluir fricción estática y dinámica, adhesión y descohesión. Los objetos en contacto pueden tener desplazamientos relativos arbitrariamente grandes.

Vigas y cerchas

Análisis Estructural especializado para el modelado de vigas, que son estructuras delgadas que se pueden describir por completo mediante propiedades de sección transversal, como áreas y momentos de inercia. Se pueden utilizar las formulaciones para ambos rayos delgados (teoría de Euler-Bernoulli) y vigas gruesas (teoría de Timoshenko). Los acoplamientos predefinidos permiten mezclar vigas con otros tipos de elementos para estudiar refuerzos para estructuras sólidas y tipo concha.

Para el análisis de vigas existen varios tipos de secciones transversales integradas:

También es posible evaluar las propiedades de la sección transversal para secciones transversales 2D arbitrarias y usarlas como entradas para análisis de vigas.

Además, puede modelar estructuras delgadas que solo pueden soportar fuerzas axiales (trusses). Estos elementos también se pueden usar para modelar cables y refuerzos caídos.

Fatiga

A través del Análisis de Elemento Finito se pueden realizar varios análisis de Fatiga incluyendo fatiga por tensión, estrés y energía.

1. Ejemplos de simulación por Fatiga:
2. Fatiga de alto ciclo
3. Basado en el rango de estrés
4. Fatiga de bajo ciclo
5. Según el rango de deformación o la disipación de energía
6. Recuento del ciclo de Rainflow
7. Daño acumulativo
8. Fatiga multiaxial basada en métodos de plano crítico
9. Fatiga por vibración

¿Por qué es importante la FEA?

FEA es la tecnología de facto para el análisis detallado de esfuerzos y la predicción de deformaciones en casi todos los campos de la ingeniería. Y a medida que más herramientas de análisis se vuelven accesibles para diseñadores e ingenieros, tiene mucho espacio para hacer crecer su presencia. Como hemos podido comprobar, es muy versátil y potente, por lo que es una herramienta imprescindible en cualquier portafolio de diseño de producto.

La tendencia más reciente en el software FEA  son los servicios y herramientas de simulación alojados en la nube. Empresas como SimScale proporcionan herramientas de simulación que se ejecutan en el navegador web y utilizan servidores remotos para las tareas informáticas, lo que libera recursos locales y reduce la necesidad de instalaciones de hardware y software especiales potentes.

Referencias 

G. Giraldo. "FEA For Beginners – Finite Element Analysis | SimScale".

SimScale. https://www.simscale.com/blog/2019/05/fea-for-beginners/ (accedido el 19 de agosto de 2021).

S. Man. "Servicios de Análisis de Elemento Finito | SIM-MAN MEX". Simulation & 3D Manufacturing | SIM-MAN México. https://www.sim-man.com/servicios-de-simulacion/analisis-de-elemento-finito (accedido el 19 de agosto de 2021).