¿Por qué necesita optimizar su modelo de elementos finitos?
Yurii Shumak
La optimización es una función del entorno de AEF que permite desarrollar el modelo estructural más rentable. Además, ayuda a ahorrar material y garantiza el cumplimiento de las normas industriales. Con la ayuda de la optimización, el ingeniero puede definir el mejor diseño posible, reducir la cantidad de material, evitar concentraciones de tensión, eliminar cuellos de botella y alcanzar los atributos de rendimiento deseables.
Tipos de optimización en el AEF
Existen dos enfoques para la optimización: paramétrico y no paramétrico. Con el paramétrico – la forma natural es detectada automáticamente por el software para que se ajuste a las capacidades de transporte de cargas pesadas manteniendo los costes al mínimo. La mayor ventaja de este enfoque es que el modelado puede iniciarse desde cero sin ningún diseño original. Supongamos que hay que elegir el mejor diseño en relación con el punto de partida. En ese caso, hay que seleccionar varios parámetros vitales o variables de diseño y definir un rango admisible para cada uno de ellos. Entonces se utiliza un enfoque paramétrico en el que cada parámetro se varía dentro del rango permisible para encontrar el diseño óptimo. Del mismo modo, se optimizan los parámetros estructurales minimizando el volumen final.
La optimización en elementos finitos también se clasifica por métodos basados en la optimización de las ubicaciones de las rejillas (optimización de la forma), las propiedades geométricas (optimización del tamaño) o las propiedades de los materiales (optimización de los materiales).
Optimización de la topología
Un caso particular de optimización de materiales con fracciones de material de los elementos entre 0 y 1 es la optimización topológica, un método matemático utilizado en el nivel conceptual del desarrollo del diseño. Este método pretende repartir la cantidad de material presente de forma más eficaz por el modelo y minimizar la energía de deformación.
Tiene en cuenta los límites establecidos por el diseñador, la carga aplicada y las limitaciones de espacio para crear un diseño.
Los resultados que surgen de la optimización de la topología suelen ajustarse para facilitar la fabricación. Al realizar la distribución de materiales, la función objetivo no tiene en cuenta la estética ni la facilidad de fabricación.
La ventaja más atractiva de la optimización topológica es su capacidad para reducir el peso innecesario. La optimización del tamaño significa que se necesita menos materia prima. Todas estas ventajas se traducen directamente en un ahorro real de costes, algo esencial en un mercado competitivo.
Optimización de la forma
La optimización de la forma asegura la elección de la mejor geometría de estructura posible para mejorar el comportamiento mecánico deseado respetando algunas restricciones. Además, con la ayuda de herramientas automatizadas de optimización del diseño, los ingenieros pueden buscar soluciones creativas que no son obvias ni siquiera para los especialistas más experimentados, sobre todo en los problemas de optimización de formas con cientos de variables de diseño potenciales.
Las herramientas de optimización de la forma estiman los efectos de modificar simultáneamente numerosos parámetros de diseño teniendo en cuenta no sólo los cambios dimensionales directos, sino los cambios generales en la forma.
La optimización de la topología implica normalmente supuestos de elementos finitos estáticos lineales, mientras que la optimización de la forma implica análisis de elementos finitos lineales y no lineales.
Optimización del dimensionamiento
Los paneles, las vigas y las juntas pueden dimensionarse a lo largo de las fases de diseño. La optimización del dimensionamiento (o las propiedades de las secciones transversales y el grosor de la optimización de elementos finitos) reduce el peso de muchos materiales y conceptos de paneles diferentes, produciendo diseños coherentes y producibles.
Gracias a la facilidad de cálculo de las sensibilidades a efectos de optimización del dimensionamiento, pueden tratarse incluso los problemas más complejos.
Ventajas de la optimización automática de estructuras
La optimización estructural automática ayuda a encontrar la solución de diseño óptima, que es una tarea muy difícil de conseguir. Ayuda a comprobar simultáneamente numerosos elementos de la estructura (vigas, placas, soldaduras) para comprobar que cumplen las normas. Proporciona a los ingenieros muchas opciones de modificación del modelo. Aunque las ventajas de las herramientas de optimización están bien reconocidas, estas herramientas aún no están integradas de forma eficaz en el flujo de trabajo de diseño de los ingenieros en ejercicio. Las herramientas de optimización y análisis estructural se utilizan eficazmente para proporcionar a los ingenieros de estructuras información de diseño complementaria.
Optimización estructural en SDC Verifier
La herramienta de optimización de SDC Verifier permite tomar decisiones de diseño basadas en la comprobación del código y combina toda la potencia de la optimización automática. La idea general del módulo de optimización es comprobar el diseño, para que las propiedades de los elementos cumplan las normas del sector. Sin el módulo de optimización, sólo es posible una comprobación de la situación, si algunos valores cumplen los requisitos o no. Para acelerar el proceso, vale la pena tomar el primer conjunto de cargas rectoras y luego reducir el número total de conjuntos de cargas a uno relevante, con el fin de utilizar sólo las cargas importantes y reducir el proceso de cálculo a una fracción del tiempo de cálculo original. En lugar de un único diseño, la mejor decisión de diseño para la estructura se toma calculando diferentes combinaciones de entrada de diseño.
Optimización de los largueros
La optimización permite a los ingenieros realizar análisis adicionales, por ejemplo, un conjunto de posibles tamaños y formas de miembros para cada parte del modelo con el miembro o selección de miembros más aplicable económicamente. Por lo tanto, en lugar de un modelo directo, SDC Verifier comprueba cada selección o si se trata de un componente o un material.
Para todos los miembros de la viga, SDC Verifier puede decidir qué forma es la más óptima basándose en los resultados de la tensión máxima o en los factores de utilización según las normas aplicables. La aplicación ofrece la mejor solución, en lugar de recalcular esa nueva forma, y actualiza automáticamente el diseño con los valores optimizados para disminuir el peso o cumplir las normativas.
Esto se consigue mediante la herramienta Optimización de la sección de la viga, que proporciona la automatización y las opciones necesarias para la optimización del modelo. A continuación, se procede con un caso de optimización de la sección de la viga para reducir la complejidad y el tamaño del modelo con el fin de lograr un análisis más rápido manteniendo la rigidez y el comportamiento estructural del modelo.
La regla de vigas se utiliza para optimizar la sección transversal, el límite elástico y el módulo de Young de vigas o barras. Se suele utilizar para la verificación de miembros de viga, incluidos los criterios de pandeo prescritos por las normas. La optimización de miembros de vigas se realiza de acuerdo con el Eurocódigo 3 de diseño contra incendios (EN 1993-1-2), el Eurocódigo 3 de verificación de miembros (EN 1993-1-1), ISO 19902, Norsok N004, AISC 360-10 Members, AISC ASD 89 (9ª, 1989), API RP 2A-LRFD (1ª, 1993), API RP-2A WSD (21ª, 2007), AIJ (Edición 2005, 2017), AS 3990 (1993).
Optimización de las placas
Los componentes de paredes delgadas, como las placas, suelen estar presentes en el diseño de estructuras ligeras porque son capaces de soportar cargas enormes en comparación con su peso propio relativamente bajo. Es importante encontrar el equilibrio entre el cumplimiento de las normas de la industria y los costes de la estructura (depende de la anchura y el grosor de las placas).
La herramienta de optimización SDC Verifier tiene dos posibilidades de optimización de placas: Regla de elemento de placa y Regla de pandeo de placa. Ambas Reglas se utilizan para optimizar el grosor de los elementos de la chapa o del armazón, el límite elástico, el módulo de Young, pero la Regla de elementos de la chapa se utiliza para optimizar las chapas según las normas de fatiga y las Reglas de pandeo de la chapa para las normas de pandeo de la chapa.
Las chapas pueden optimizarse de acuerdo con las Normas de Pandeo de Chapas (Pandeode Chap asABS (2004, 2014, 2022 y 2024), Pandeo de Chapas DNV CN30, DNV RP-C201, Pandeo de Chapas Eurocódigo 3 (EN1993-1-5)) y las Normas de Fatiga(DIN 15018, DVS 1608 y DVS 1612, DNV-RP-C203 Fatiga. EN13001, Eurocódigo 3 Fatiga (EN1993-1-9), FEM 1.001, FKM (5ª y 6ª ediciones).
Optimización de soldaduras
La regla de resistencia de la soldadura se utiliza para optimizar el tipo de soldadura de las piezas y sus dimensiones (tamaño de la pata, grosor de la garganta, etc.). Se suele utilizar para las normas de resistencia de las soldaduras. Las soldaduras pueden optimizarse según DNV OS-C101-LRFD, DNV OS-C201-WSD, Eurocódigo 3 Resistencia de la soldadura (EN1993-1-8).
Durante la optimización de las soldaduras, las piezas pueden optimizarse en función de los principales tipos de soldadura:
- Soldadura de doble penetración total
- Soldadura de doble penetración parcial
- Soldadura en ángulo doble
Tras la optimización, los ajustes óptimos de la pieza de soldadura se aplicarán en la herramienta de búsqueda de soldaduras.
Resumen
Entonces, ¿por qué es tan importante una optimización por AEF? En primer lugar, ayuda a garantizar que la estructura supera todos los pasos de verificación sin problemas y se corresponde con los requisitos estándar. Al mismo tiempo, todo el proceso se realiza de forma automática y ahorra tiempo humano en iteraciones intermedias, sobre todo si hay que cambiar algo. Además, ayuda a encontrar formas de reducir el peso y el coste de la estructura.
El software SDC Verifier es capaz de optimizar vigas, chapas y soldaduras y ofrece todas las ventajas de la optimización estructural automática. La herramienta de optimización de SDC Verifier forma parte del nivel SDC Verifier Enterprise.
