La elección entre el análisis de elementos finitos implícito y el explícito influye en la forma en que se resuelve una simulación, en el esfuerzo computacional que requiere y en los tipos de comportamiento estructural que puede reproducir de manera eficiente. No se trata simplemente de una elección entre análisis estático y dinámico.
Los métodos implícitos se utilizan habitualmente para cargas estáticas y otros problemas en los que el solucionador puede alcanzar el equilibrio de forma fiable. Los métodos explícitos suelen ser más adecuados para eventos breves, como impactos o colisiones, especialmente cuando las condiciones de contacto cambian rápidamente. Ambos métodos pueden gestionar comportamientos no lineales, y ninguno de ellos se limita a una sola clase de problemas.
La distinción relevante radica en cómo cada método contribuye a la solución. Una vez que esto queda claro, resulta más sencillo relacionar la elección del solucionador con el problema de ingeniería concreto.
Vaya más allá del resultado del solucionador
¿Ya está realizando análisis explícitos con LS-DYNA en Ansys Mechanical? SDC for Ansys le permite utilizar esos resultados para las comprobaciones pertinentes de resistencia, pandeo, fatiga y pernos, sin necesidad de volver a crear manualmente el flujo de trabajo de verificación.
La principal diferencia entre el análisis por elementos finitos implícito y el explícito
Un solucionador implícito tiende hacia el equilibrio en cada incremento de carga o de tiempo. En el análisis no lineal, puede ser necesario realizar varias iteraciones para corregir la solución hasta que se cumplan los criterios de equilibrio. Esto requiere un esfuerzo computacional, pero a menudo permite al solucionador utilizar incrementos relativamente grandes. Si el contacto cambia bruscamente o la estructura se vuelve inestable, esas iteraciones pueden resultar difíciles de hacer converger.
Un solucionador explícito adopta un enfoque diferente. Avanza la respuesta utilizando la información conocida de los incrementos de tiempo actuales y anteriores, sin realizar iteraciones de equilibrio no lineales en cada paso. Cada incremento es relativamente poco costoso. El inconveniente es que el paso de tiempo debe mantenerse por debajo del límite de estabilidad numérica, que puede ser extremadamente pequeño. Es posible que unos pocos elementos pequeños determinen incluso el paso de tiempo de todo el modelo.
El coste total depende del problema. Un análisis implícito puede requerir un número menor de incrementos, pero más costosos; un análisis explícito puede requerir un número muy elevado de incrementos más económicos. Ambos métodos requieren, además, una resolución temporal suficiente para captar con precisión la respuesta física.
Característica
Análisis por elementos finitos implícito
Análisis por elementos finitos explícito
Enfoque de resolución
Resuelve ecuaciones acopladas en cada incremento; los problemas no lineales suelen requerir iteraciones de equilibrio
Avanza mediante integración temporal directa sin iteraciones de equilibrio en cada paso
Principal restricción numérica
Convergencia y precisión
Paso de tiempo estable y precisión
Incrementos de tiempo
A menudo son relativamente grandes
Por lo general, muy pequeños
Coste computacional
Mayor coste por incremento; a menudo, menos incrementos
Menor coste por incremento, con la posibilidad de que haya muchos más incrementos
A menudo adecuado para
cargas estáticas y cuasiestáticas; contacto gradual; dinámica de larga duración
ensayos de impacto, colisión y caída, cambios rápidos en el contacto y algunos problemas de fallo
Cuándo utilizar el análisis implícito
El análisis por elementos finitos implícito suele ser un buen punto de partida cuando la estructura se somete a cargas de forma gradual y el objetivo principal es determinar su respuesta de equilibrio. Entre los ejemplos más comunes se incluyen los bastidores de equipos, los soportes de acero, los ensamblajes atornillados, las cargas de presión y los casos de carga operativa. La dinámica implícita también puede resultar eficaz para respuestas de mayor duración que no requieran pasos de tiempo muy pequeños.
Considere un armazón de soporte que soporta equipos y cargas operativas. Un análisis estático implícito permite calcular tensiones, desplazamientos y fuerzas en los elementos sin simular el proceso de carga completo en tiempo real. Dichos resultados pueden utilizarse posteriormente para realizar comprobaciones de resistencia o de pandeo basadas en la normativa correspondiente. Esto difiere de la simulación del comportamiento real de pandeo o colapso del armazón.
Un solucionador implícito también puede gestionar materiales no lineales, grandes deformaciones y contactos. La dificultad no radica en la presencia de la no linealidad en sí misma, sino en si el solucionador es capaz de seguir la respuesta cambiante y alcanzar el equilibrio en cada incremento.
Cuándo utilizar el análisis explícito
El análisis por elementos finitos explícito suele elegirse cuando la inercia y las escalas de tiempo físicas cortas son factores importantes. Entre los casos típicos se incluyen los impactos, los ensayos de caída, las colisiones, los choques y los contactos repetidos o que cambian rápidamente. También puede resultar útil en casos de fractura progresiva o erosión de elementos, en los que las iteraciones implícitas de equilibrio pueden resultar poco prácticas.
Una prueba de caída ilustra la diferencia. En el momento del impacto, las fuerzas de contacto cambian rápidamente, las ondas de tensión se propagan a través de la estructura y pueden producirse deformaciones plásticas locales o rebotes. La dinámica implícita puede representar este fenómeno, pero captarlo con precisión puede requerir ya incrementos de tiempo muy pequeños. En esa situación, la capacidad de un método implícito para adoptar incrementos más grandes y estables ofrece pocas ventajas, mientras que cada incremento sigue siendo más costoso.
El análisis explícito sigue requiriendo una verificación minuciosa. El hecho de que una simulación haya finalizado no garantiza que el resultado sea correcto: la sensibilidad de la malla, el comportamiento de los contactos, la distorsión de los elementos, el efecto «reloj de arena» y el balance energético pueden influir en el resultado.
Cuando cualquiera de los dos solucionadores puede funcionar
Existen numerosos problemas estructurales que se sitúan entre los casos evidentes de estática y de impacto. La deformación grande, por ejemplo, no requiere automáticamente un análisis explícito. Ambos métodos pueden manejar grandes desplazamientos y rotaciones. Lo que más importa es si la deformación va acompañada de contacto severo, inestabilidad o fallo, y si la solución implícita sigue siendo viable.
Tampoco todo problema de convergencia es motivo para cambiar de solucionador. Si un análisis implícito presenta dificultades cerca del pandeo o del «snap-through», la mejor solución puede consistir en utilizar incrementos más pequeños, el control de desplazamientos, métodos basados en la longitud del arco u otro procedimiento no lineal adecuado. No debe confundirse una comprobación de pandeo basada en un código con la simulación de la inestabilidad o el colapso.
El contacto requiere el mismo criterio. El contacto gradual suele funcionar eficazmente con el análisis implícito. Los impactos repetidos, el autocontacto, la separación y el recontacto, o los cambios rápidos en las zonas de contacto pueden favorecer la integración explícita.
¿Se puede utilizar el análisis explícito para problemas cuasiestáticos?
Sí. Los solucionadores explícitos se utilizan en ocasiones para cargas aplicadas lentamente, procesos de conformado o problemas de contacto severos que resultan difíciles de resolver de forma implícita. La dificultad radica en que un evento físicamente lento puede requerir un número excesivamente elevado de incrementos de tiempo explícitos. Los ingenieros pueden acortar la duración de la carga o utilizar el escalado de masa para reducir el tiempo de ejecución.
Ambas técnicas pueden influir en el resultado. Una carga más rápida puede introducir inercia o modificar la respuesta de un material sensible a la velocidad. El escalado de masa aumenta el incremento de tiempo estable al añadir masa, pero también modifica la inercia. Ninguna de estas opciones debe considerarse un parámetro inofensivo del solucionador.
Para obtener un resultado explícito cuasiestático, el ingeniero debe comprobar algo más que la forma deformada final. Entre las comprobaciones útiles se incluyen:
Comparación de la respuesta con una simulación de carga más lenta o con una escala de masa reducida.
Revisión de la energía cinética y la energía interna, incluyendo si las regiones locales muestran efectos dinámicos significativos.
Comprobación de las curvas de fuerza-desplazamiento, las reacciones y las oscilaciones no deseadas.
Supervisar las energías de reloj de arena, de contacto y otras energías numéricas, cuando proceda.
Una relación favorable entre la energía cinética y la energía interna constituye un indicio útil, pero, por sí sola, no demuestra que la simulación sea cuasiestática.
Análisis por elementos finitos implícito frente a explícito: guía para la toma de decisiones
Se trata de puntos de partida, más que de reglas fijas. La elección definitiva depende de la duración del evento, del contacto y del comportamiento del material, de los controles numéricos y de los resultados que necesite el ingeniero.
Problema de ingeniería
Posible punto de partida
Motivo
Estructura estática lineal o no lineal
Implícita
Solución de equilibrio eficiente cuando la convergencia es manejable
Ensamblaje con contacto o atornillado de variación gradual
Normalmente implícito
El contacto y la carga pueden seguirse de forma incremental
Dinámica de larga duración y baja frecuencia
Dinámica a menudo implícita
Unos incrementos de tiempo más amplios y precisos pueden reducir los costes
Caídas, choques o impactos de corta duración
Normalmente explícito
El contacto rápido y la respuesta de la onda de tensión requieren una resolución temporal precisa
Impactos repetidos o cambios bruscos en el contacto
A menudo explícito
Evita iteraciones de equilibrio complejas
Fractura progresiva o erosión de los elementos
A menudo explícita
Puede producirse tras un fallo de evolución rápida en el que las iteraciones implícitas presentan dificultades
Deformación importante sin contacto grave ni inestabilidad
Depende
La gran deformación por sí sola no determina el solucionador
Respuesta estática de «snap-through» o posterior al pandeo
Puede ser preferible el método implícito con controles adecuados
El control de desplazamiento o un procedimiento basado en la longitud del arco pueden seguir la trayectoria de equilibrio
Conformado cuasiestático con contacto intenso
Depende
El método explícito puede resultar práctico, pero es necesario comprobar la velocidad de carga, la inercia y el escalado de la masa
De los resultados de LS-DYNA a la verificación técnica
La elección del método de resolución constituye una decisión de ingeniería. Determinar si la respuesta calculada cumple los criterios de diseño aplicables es otra decisión distinta.
SDC for Ansys trabaja con los resultados de análisis disponibles en Ansys Mechanical; no realiza por sí mismo la solución explícita de LS-DYNA. Es compatible con los resultados de análisis explícitos de LS-DYNA configurados y resueltos a través del sistema LS-DYNA en Ansys Mechanical, con Ansys 2023 R2 o versiones posteriores. El alcance documentado incluye la verificación aplicable de la resistencia, la fatiga, los pernos y el pandeo en dichos resultados.
El intervalo de salida es importante. Un solucionador explícito puede calcular muchos más incrementos de los que almacena como estados de resultado. Si se produce un pico entre dos estados guardados, es posible que la verificación posterior no lo detecte. Por lo tanto, la salida debe planificarse en función de las magnitudes que sea necesario evaluar.
El cálculo técnico también debe ajustarse al caso concreto. Un único impacto no equivale automáticamente a un espectro de fatiga, y un cálculo de pandeo basado en normas no es lo mismo que simular un colapso. Las magnitudes resultantes, los estados temporales seleccionados y los supuestos de la norma pertinente siguen determinando lo que se puede verificar.
Convierta los resultados de LS-DYNA en una verificación de ingeniería
Los resultados del solucionador describen cómo responde una estructura. SDC for Ansys ayuda a los ingenieros a evaluar los resultados pertinentes de LS-DYNA en función de los criterios de diseño y a elaborar informes de verificación estructurados.
Sí. LS-DYNA admite métodos de resolución tanto implícitos como explícitos para aplicaciones estáticas y dinámicas. El flujo de trabajo de SDC for Ansys que aquí se describe se refiere específicamente a los resultados explícitos de LS-DYNA compatibles con Ansys Mechanical.
¿Se pueden utilizar métodos implícitos y explícitos en el mismo flujo de trabajo?
Sí. Una precarga implícita puede ir seguida de un impacto explícito, o una etapa de conformado explícita, de un cálculo implícito de la recuperación elástica. El procedimiento exacto depende del solucionador y de las variables de estado que deban transferirse entre etapas.
¿Es siempre más rápido el análisis por elementos finitos explícito?
No. Un incremento de tiempo explícito suele ser menos costoso, pero un análisis puede requerir un número muy elevado de incrementos. En el caso de problemas lentos o de larga duración, el análisis implícito puede resultar más eficiente. El análisis explícito suele ofrecer ventajas en el caso de eventos breves que ya requieren una resolución temporal precisa.
