ANÁLISIS DE ELEMENTOS FINITOS. TÉCNICA EMPLEADA EN INGENIERÍA PARA EL DISEÑO DE PRODUCTOS FUNCIONALES
El diseño de productos funcionales es un trabajo que va más allá de la parte estética. De hecho, un diseño atractivo sirve de poco si al momento de la fabricación el producto final es inservible. Esto se ve reflejado principalmente en la resistencia final del producto, consecuencia directa de la mala elección de materiales, configuraciones o partes, entre otros factores.
Es normal ver en la web y en las redes sociales diseños espectaculares una gran variedad de productos que nunca ven la luz del día porque al momento de fabricarlos son poco eficientes y representan una pérdida a nivel comercial. Esto es algo que se puede evitar si desde el comienzo se tienen en cuenta las fases del diseño de productos para manufactura.
En el diseño de productos bien ejecutado, la generación de conceptos se encarga de ofrecer variantes de un producto que tiene como objetivo principal solventar las necesidades de un cliente o proyecto. Pero una vez seleccionado el concepto adecuado, es necesario optimizar el mismo para que cumpla con los requerimientos mecánicos necesarios para que sea resistente y duradero. Esto se logra gracias al análisis de las piezas o partes a fabricar e instalar.
En esta entrada, te vamos a enseñar sobre el análisis de elementos finitos. Una técnica ingenieril que sirve para probar los diseños en 3d antes de fabricarlos y de esta manera comprobar su viabilidad bajo condiciones de carga o servicio. Definamos primero qué es el análisis de elementos finitos:
¿Qué es el análisis de elementos finitos?
A nivel ingenieril todas las estructuras y productos existentes en el mundo están sometidos a fuerzas que interactúan con los mismos. Una carga, el peso de un cuerpo, la fuerza de impacto del viento, vibraciones, todo influye en un producto. Estas fuerzas afectan la resistencia general de cualquier elemento, los deforman de manera parcial o permanente y en caso de un exceso de fuerza, destruyen el producto. Esto por supuesto es algo indeseado para un proceso de manufactura y representa pérdidas de material que no valen la pena.
El análisis de elementos finitos es la técnica ideal para evitar estos errores indeseados. Se trata de un conjunto de pasos ejecutados sobre un modelo virtual que permite someter al mismo a las cargas equivalentes a las cuales estará sometidas en la realidad el producto. Esto permite analizar la respuesta del modelo a las cargas planteadas sin necesidad de construir un concepto para destruirlo.
Es importante aclarar que el análisis de elementos finitos hace referencia a los pasos aplicados, pero que en sí es el método de elementos finitos el encargado de aplicar estos pasos en el modelo 3d analizado. Esto por lo general se hace mediante programas de modelado 3d ingenieril que permite generar representaciones exactas de las piezas a analizar, con sus respectivos materiales asignados y las propiedades físicas y mecánicas de los mismos. Para entender esto mejor, hablemos del método de elementos finitos:
El método de elementos finitos
El método de elementos finitos es un método numérico de gran importancia en ingeniería. Este método sirve para la resolución de problemas matemáticos y físicos de gran complejidad, que de forma manual serían muy complejos y tediosos de resolver. Esto en gran parte, debido a las formas de las piezas en las que se aplican y distribuyen las cargas. Es sumamente complicado calcular los efectos de una fuerza en un elemento esbelto y para hacerlo este método ofrece una solución adecuada.
El método de elementos finitos funciona así: Toma un elemento o pieza con un volumen definido y lo subdivide o parte en una cantidad finita de pequeñas partes del mismo. Esto lo hace con el objetivo de estudiar de manera individual la acción de las fuerzas aplicadas en cada parte por separado, para luego unir los resultados y calcular el valor total. Esta tarea se ejecuta de manera automatizada mediante programas de modelado ingenieril en los que no es necesario hacer el cálculo individual sobre cada fragmento o elemento de la malla generada.
Por supuesto, en esta entrada te explicamos de manera simplificada y general el método de elementos finitos. En la realidad, la serie de cálculos aplicados por los programas de análisis FEA son complejos y requieren un estudio completo de las matemáticas y la ingeniería mecánica para comprender todas las variables que están involucradas para llevar a cabo este método.
Etapas del método de elementos finitos
El método de elementos finitos se ejecuta de manera idéntica independientemente del modelo en 3d a estudiar. Esto con el objetivo de ofrecer una serie de pasos consistentes que permitan obtener resultados objetivos y precisos luego del análisis. A continuación, te presentamos de manera resumida las etapas principales del método de elementos finitos:
– Definición del problema y su dominio.
– Identificación de las variables de estado.
– Formulación del problema.
– Generación de la malla.
– Aplicación de las cargas.
– Condiciones de bordes o fronteras.
Cada fase o etapa tiene sus propias fases y permiten analizar a detalle cada parte del elemento a fabricar. Los resultados obtenidos del método de elementos finitos nos permiten determinar la carga máxima que soporta el elemento y combinado con una simulación dinámica podemos calcular la vida útil del mismo y por lo tanto tomar decisiones con respecto al diseño, materiales empleados, viabilidad de manufactura y demás.
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