Análisis de elementos finitos

El análisis de elementos finitos (FEA) es el modelado virtual y simulación de productos y ensamblajes para rendimiento estructural, acústico, electromagnético o térmico. FEA es la aplicación práctica del método de elementos finitos (FEM).

¿Qué es el análisis de elementos finitos?

análisis de elementos finitos es el modelado de productos y sistemas en un entorno virtual para encontrar y resolver problemas potenciales (o existentes) de rendimiento del producto. FEA es la aplicación práctica de la FEM, que es utilizada por ingenieros y científicos para modelar matemáticamente y resolver numéricamente problemas estructurales, acústicos, electromagnéticos, térmicos, fluidos y multifísica complejos. El software FEA se puede utilizar en una amplia gama de industrias, pero se usa más comúnmente en las industrias aeronáutica, automotriz, electrónica, maquinaria industrial, marina y productos de consumo.

Un modelo de elementos finitos (FE) comprende un sistema de puntos denominado “nodos”, que forman la forma del diseño. Conectados a estos nodos se encuentran los elementos finitos que forman la malla de elementos finitos y contienen las propiedades materiales y estructurales del modelo, definiendo cómo reaccionará ante ciertas condiciones. La densidad de la malla de elementos finitos puede variar en todo el material, dependiendo del cambio anticipado en los niveles de tensión de un área en particular. Las regiones que experimentan grandes cambios en el estrés generalmente requieren una densidad de malla más alta que aquellas que experimentan poca o ninguna variación de tensión. Los puntos de interés pueden incluir puntos de fractura de material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos y áreas de alta tensión.

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Descubra los beneficios

FEA es una metodología bien establecida que a menudo se utiliza para reemplazar o complementar métodos experimentales y analíticos para ayudar al diseño de ingeniería y análisis de productos cotidianos. En comparación con la creación de prototipos y los experimentos, las simulaciones basadas en FEA ofrecen los siguientes beneficios.

Aumente el performance

El análisis de elementos finitos le permite analizar y explorar rápidamente las posibilidades de ingeniería para un mayor rendimiento del producto.

Reducción de tiempo

El análisis de elementos finitos le ayuda a llevar diseños de productos optimizados al mercado más rápido que un método de construcción y prueba.

Reducción de costos

Al aprovechar el análisis de elementos finitos, puede reducir significativamente el costo de desarrollo de productos en comparación con los procesos de prueba basados en prototipos físicos tradicionales.

Pasos en el proceso de simulación FEA

No importa el software utilizado, la mayoría de las simulaciones FEA siguen estos pasos generalizados.

Modelo 3D de un cuadro de automóvil con mapeo de calor visual de Simcenter 3D software.

Preprocesamiento

La etapa de preprocesamiento implica editar la geometría y prepararla para la simulación. En un proceso denominado mallado, una herramienta de preprocesamiento convierte la geometría de diseño en pequeños elementos finitos antes de aplicar las propiedades del material, las cargas, las restricciones y los parámetros de simulación.

Explore el procesamiento previo y posterior de FE

Resolver

El software de simulación FEA comienza a resolver iterativamente las ecuaciones discretizadas utilizando el solucionador. Este paso puede requerir mucho tiempo o recursos de computación. Para simulaciones complejas, más empresas están recurriendo a la computación en la nube como una solución rentable para este problema.

Explore los solucionadores de simulación FEA

Análisis lineal de una estructura mecánica visual a partir de Simcenter 3D software.

Post-procesamiento

Una vez finalizada la resolución, el siguiente paso es analizar y visualizar los resultados de la simulación cualitativa y cuantitativamente utilizando informes, monitores, gráficos, imágenes 2D/3D y animaciones. En esta etapa también se incluye la verificación y validación de los resultados.

Explore el procesamiento previo y posterior de FE

Tipos de análisis FEA

Análisis 1D (modelos de haz) El análisis 1D se refiere a la aplicación de modelos creados únicamente por elementos unidimensionales compuestos por solo dos nodos, como elementos de viga. El análisis 1D puede ser bueno para observar el análisis de etapa inicial de estructuras que son típicamente complicadas de modelar, como una carrocería de automóvil o un fuselaje. El modelo de haz 1D puede ayudar a los ingenieros a evaluar rápidamente la dinámica del cuerpo antes de que la geometría completa esté lista para un análisis de nivel más profundo.

Análisis 2D (modelos de carcasa) Los ingenieros combinan la geometría con elementos bidimensionales como un elemento cuádruple o triangular para cuerpos de paredes delgadas, como piezas hechas de chapa metálica. Las propiedades del elemento definen entonces el grosor del elemento de carcasa que el solucionador utilizará para calcular la tensión, las depresiones y otros resultados. Los preprocesadores FEA tienen algoritmos de mallado rápido que ayudan a los ingenieros a crear una malla de shell en geometría.

Análisis 3D (modelos sólidos) Para una geometría sólida y gruesa, como un bloque de motor, los ingenieros utilizan elementos tridimensionales sólidos para representar la geometría. Los elementos tetra, piramidales y hexágonos se crean en todo el cuerpo sólido. Los preprocesadores FEA tienen las herramientas que los ingenieros necesitan para crear modelos de malla sólida.

Multifísica FEA La FEA moderna es más que simplemente simular un solo dominio de física individualmente. Hoy en día, FEA se ha vuelto mucho más multidisciplinar al permitir a los ingenieros unir diferentes físicas, como la interacción fluido-estructura (FSI), la simulación térmico-mecánica, la dinámica multicuerpo con cuerpos flexibles estructurales basados en FE, electromecánico-térmico y más. La simulación multifísica es de fundamental importancia en productos cada vez más complejos que requieren ingeniería holística entre dominios para lograr el máximo rendimiento.