Del CAD al AEF: cómo la geometría salva la distancia entre diseño y análisis
Yurii Shumak
La transición del diseño asistido por ordenador (CAD) al análisis por elementos finitos (FEA) es un paso crucial en ingeniería, en el que los modelos de diseño se prueban para comprobar su rendimiento en el mundo real. La geometría es clave para vincular la fase de diseño con la de análisis. Sin embargo, esta transición implica varios pasos detallados, cada uno de ellos esencial para realizar simulaciones precisas.
Este artículo explorará el proceso de preparación de la geometría y el flujo de trabajo que conecta el CAD con el AEF, destacando los métodos clave y las mejores prácticas.
Comprender la transición del CAD al AEF
1. Exportación de geometría
El primer paso en el proceso de transición es exportar el modelo CAD a un formato de archivo que el software de AEF pueda leer e interpretar.
Formatos comunes de exportación:
- STEP (.stp): Los archivos STEP se utilizan ampliamente para intercambiar datos de modelos 3D entre sistemas CAD y de AEF. Transfieren la geometría final, como el historial de características o las relaciones paramétricas. A pesar de estas limitaciones, STEP es un formato neutro compatible con la mayoría del software CAD, lo que lo convierte en una opción ideal para los flujos de trabajo de definición basada en modelos (MBD) y la colaboración entre plataformas.
- IGES (.igs): IGES es otro formato estándar adecuado para modelos de superficie. Es compatible con muchas herramientas CAD y FEA y puede manejar geometrías de alambre y de superficie.
- STL (.stl): Los archivos STL se utilizan ampliamente en la impresión 3D y en los flujos de trabajo FEA para transferir geometría de superficies. Representan modelos como superficies trianguladas y carecen de inteligencia de diseño, como el historial de características o las relaciones paramétricas.
2. Simplificación geométrica
Una vez exportado el modelo, la geometría suele ser demasiado compleja para su análisis directo en el software de AEF. La preparación simplificada de la geometría hace que el modelo sea más factible desde el punto de vista computacional, conservando al mismo tiempo las características esenciales que afectan al rendimiento estructural.
De-featuring:
Se eliminan los detalles no esenciales como filetes, mezclas, pequeños orificios, bordes afilados, rasgos, grabados y cualquier característica no estructural que cree problemas con la generación de la malla pero que no influya en los resultados. Estos elementos no influyen significativamente en el análisis pero pueden complicar la generación de la malla, obligando a crear una malla muy fina. Esto, a su vez, aumenta la carga computacional y ralentiza significativamente el solucionador.
- En algunos casos, muchos componentes no estructurales que no contribuyen al rendimiento estructural (por ejemplo, los orificios de una sección interior de una pieza no suelen estar sometidos a grandes esfuerzos) se eliminan para optimizar el modelo.
Abstracción geométrica:
- De geometrías complejas a aproximaciones sencillas: Características como roscas, pequeñas crestas o nervaduras internas se sustituyen a menudo por formas más simples. Por ejemplo, un cilindro liso podría sustituir a una geometría de rosca compleja para las pruebas de esfuerzo, ya que la contribución de la zona roscada a la integridad estructural global puede no ser crítica en un contexto de elementos finitos.
- Simplificar los ensamblajes: No es necesario incluir todas las piezas de los grandes ensamblajes en el modelo de AEF. Los componentes o subconjuntos irrelevantes que no afectan al análisis global se suprimen o simplifican para reducir las demandas computacionales.
Sustitución de funciones:
- Las pequeñas características que podrían complicar el mallado pueden sustituirse por formas simplificadas. Por ejemplo, pueden omitirse pequeños orificios para pernos si la geometría precisa no es crítica para el resultado del análisis.
2. Asignación de material
Ahora, las propiedades del material se asignan a la malla. La precisión de los datos del material es esencial para garantizar que el análisis refleje el comportamiento real del material bajo carga.
Tipos de propiedades de los materiales:
- Propiedades elásticas: Incluyen el módulo de Young, la relación de Poisson y el módulo de cizalladura (G). El módulo de Young describe la rigidez del material, la relación de Poisson indica su capacidad para deformarse elásticamente y el módulo de cizalladura mide la respuesta del material al esfuerzo cortante. A menudo, el módulo de cizalladura se calcula automáticamente a partir del módulo de Young y la relación de Poisson.
- Propiedades plásticas: El límite elástico, la resistencia última a la tracción y los parámetros de endurecimiento por deformación, que definen el comportamiento elástico, plástico, elastoplástico, etc.
- Propiedades térmicas: En el análisis térmico, se aplican propiedades específicas de los materiales como la conductividad térmica, el calor específico y el coeficiente de expansión térmica.
Variabilidad del material:
- Los materiales pueden tener propiedades diferentes en distintas regiones del modelo. Por ejemplo, una parte del modelo es de acero mientras que otra es de aluminio.
3. Malla
El mallado es el paso crítico en el proceso del AEF. Divide la geometría en elementos más pequeños y discretos que pueden analizarse individualmente. La calidad del mallado repercute directamente en la precisión y el rendimiento del análisis.
Tipos de elementos:
- Elementos 1D (Vigas): A menudo utilizados por los ingenieros para estructuras como vigas y cerchas. Son eficaces para modelar componentes largos y esbeltos en los que las cargas de flexión y axiales son significativas.
- Elementos 2D (cáscaras): Se utilizan para estructuras de paredes delgadas, como placas y vigas. Los elementos de concha permiten un análisis eficaz de las superficies sin excesivos recursos computacionales.
- Elementos 3D:
- Elementos tetraédricos: Utilizados habitualmente para geometrías complejas que no se ajustan fácilmente a formas regulares. Son buenos para capturar geometrías irregulares pero requieren más recursos computacionales.
- Elementos hexaédricos: Suelen utilizarse para geometrías más estructuradas, como cubos o bloques. Proporcionan mayor precisión y son computacionalmente más eficientes.
Refinamiento de malla:
- Tamaño global de la malla: La malla se define normalmente por un tamaño de elemento global. Un tamaño de elemento mayor conlleva un menor número de elementos, lo que reduce el tiempo de cálculo, pero puede pasar por alto detalles más finos. Un tamaño de elemento menor aumenta la precisión y la carga computacional.
- Refinamiento localizado: Para las regiones en las que es importante que se produzcan tensiones elevadas o deformaciones significativas (como concentradores de tensiones, esquinas agudas o conexiones), la malla puede refinarse en zonas específicas.
Consideraciones sobre la calidad de la malla:
- Calidad de los elementos: Lo ideal es que los elementos tengan una buena forma. Los elementos mal formados, como los extremadamente alargados o muy sesgados, provocan imprecisiones en la simulación y pueden causar problemas de convergencia durante la fase de solución.
- Continuidad de la malla: Garantizar la continuidad de la malla manteniendo los nodos compartidos y una topología adecuada es crucial para obtener resultados válidos.
4. Condiciones límite y cargas
Una vez generada la malla, el modelo se preparará para el análisis definiendo las condiciones de contorno y aplicando las cargas.
Condiciones límite:
- Las condiciones de contorno definen cómo interactúa el modelo con su entorno. Por ejemplo, las piezas pueden limitarse para simular apoyos fijos (en los que el desplazamiento y las rotaciones están restringidos en ciertas direcciones) o permitirse el deslizamiento a lo largo de ciertos ejes, lo que puede incluir movimiento sin fricción, fricción parcial o condiciones de stick-slip en función del análisis (simulación, rodadura, deslizamiento, fricción, etc.).
- Estas condiciones deben simular las limitaciones reales de la estructura (es decir, los grados de libertad), que pueden variar en función de las condiciones de carga, como los extremos fijos, los soportes de pasador o los rodillos.
Cargas:
- Se aplican al modelo fuerzas externas, presiones y otras cargas (por ejemplo, cargas térmicas o centrífugas). Éstas simulan las fuerzas del mundo real que experimentará la estructura, como la presión del viento, el peso muerto o cualquier carga regular, ocasional o excepcional.
- Las cargas pueden aplicarse como cargas puntuales, cargas distribuidas o incluso cargas térmicas que afectan a las propiedades del material y provocan una dilatación térmica.
5. Selección del tipo de análisis adecuado
Antes de proceder a resolver el modelo, es esencial seleccionar el tipo de análisis adecuado en función de la naturaleza del problema. La elección del tipo de análisis influye significativamente en la precisión y la eficiencia computacional de la solución. Dependiendo de la complejidad del comportamiento estudiado, los ingenieros deben decidir entre:
- Análisis lineal: Adecuado para problemas en los que el comportamiento del material se mantiene dentro de los límites elásticos y la respuesta del sistema es proporcional a la carga aplicada.
- Análisis no lineal: Necesario cuando existe no linealidad geométrica o del material, como grandes deformaciones, plasticidad o condiciones de contacto.
- Análisis dinámico: Se utiliza para simular los efectos de cargas dependientes del tiempo, como vibraciones, actividad sísmica o impactos.
- Análisis de modos normales: Se aplica para determinar las frecuencias naturales y las formas modales de una estructura, a menudo se utiliza en estudios de vibraciones.
6. Resolución y postprocesado
Con el modelo totalmente configurado, el software de AEF realiza el cálculo para resolver las ecuaciones gobernantes, proporcionando los resultados necesarios para evaluar el diseño.
Resolviendo:
- El solucionador utiliza ecuaciones matemáticas basadas en el método de los elementos finitos para calcular los resultados relevantes, como desplazamientos, tensiones, deformaciones y otros factores clave. Este paso implica un esfuerzo computacional significativo, especialmente para modelos complejos con mallas finas.
Post-procesamiento:
- Una vez resueltos, los resultados se muestran en forma de diagramas, gráficos o animaciones. Éstos incluyen representaciones visuales de deformaciones, distribuciones de tensiones, gradientes de temperatura y otras magnitudes.
Retos para salvar la brecha entre la transición de la geometría CAD y FEA
Aunque el proceso de transición de CAD a AEF está bien establecido, surgen varios retos a la hora de preparar la geometría para un análisis preciso y eficaz. Estos retos pueden afectar significativamente a la fiabilidad de los resultados de la simulación y a la eficacia del flujo de trabajo global.
1. Simplificación de la geometría sin comprometer la precisión
Uno de los principales retos en la transición de CAD a elementos finitos es simplificar la geometría sin perder detalles críticos. Los modelos CAD suelen ser muy detallados y contienen elementos como pequeños orificios, intrincados filetes o características decorativas que no son relevantes para el análisis pero que pueden aumentar la carga computacional.
Es esencial encontrar el equilibrio adecuado entre la eliminación de detalles innecesarios y el mantenimiento de la integridad estructural del modelo. Una simplificación excesiva puede dar lugar a resultados inexactos, mientras que conservar demasiados detalles menores puede hacer que la simulación se vuelva innecesariamente compleja y lleve mucho tiempo.
2. Garantizar la calidad de la malla
El mallado desempeña un papel crucial en el proceso de AEF y su calidad repercute directamente en la precisión y la eficacia de la simulación. Un mallado de mala calidad puede provocar problemas de convergencia, resultados imprecisos o tiempos de cálculo excesivos.
Lograr un equilibrio entre la densidad de la malla y la eficiencia computacional requiere experiencia, ya que las zonas con altas concentraciones de tensión o características geométricamente complejas pueden requerir mallas más finas para captar un comportamiento preciso.
3. Pérdida de datos durante la exportación de geometrías
La exportación de geometría de CAD al software de AEF suele implicar la conversión del modelo a un formato de archivo diferente, como STEP, IGES o Parasolid. En ocasiones, este proceso puede provocar pérdidas de datos, como datos no geométricos (por ejemplo, materiales o relaciones paramétricas), o imprecisiones, lo que repercute en la preparación del AEF, especialmente si los formatos de archivo no son totalmente compatibles o si el proceso de conversión no se gestiona correctamente.
Las características pequeñas, como las curvas o las estructuras internas, pueden no traducirse con precisión, lo que provoca discrepancias entre el modelo CAD original y la geometría exportada al software de AEF. Asegurarse de que la geometría exportada conserva todas las características relevantes es crucial para el éxito del análisis.
4. Integración entre herramientas CAD y FEA
Un reto importante reside en la integración entre las herramientas CAD y FEA, que a menudo proceden de distintos proveedores de software con capacidades y limitaciones variables. Transferir sin problemas la geometría de un sistema a otro sin perder detalles importantes o introducir errores requiere un manejo cuidadoso.
Las diferencias en el modo en que las herramientas CAD y FEA interpretan los datos geométricos, sobre todo en áreas como las tolerancias y las propiedades de los materiales, pueden dar lugar a problemas de compatibilidad que deben resolverse antes de proceder al análisis.
5. Recursos informáticos para modelos de alta fidelidad
Los modelos de AEF de alta fidelidad, que capturan detalles intrincados de la geometría, pueden ser intensivos desde el punto de vista computacional. A medida que aumenta la complejidad del modelo, también lo hacen las demandas de recursos computacionales: potencia de procesamiento, memoria y tiempo. Para mitigarlo, se suelen utilizar técnicas como el mallado adaptativo, el submodelado y el análisis multiescala para reducir la carga computacional. Además, la combinación de modelos en software de diseño y análisis estructural SDC Verifier puede ayudar a agilizar el proceso, haciéndolo más eficiente sin comprometer la precisión.
Esto resulta especialmente problemático cuando se trabaja con grandes ensamblajes o piezas detalladas que requieren una alta resolución de malla o cuando se simulan escenarios con múltiples casos de carga. Sin una potencia de cálculo suficiente, las simulaciones pueden resultar poco prácticas o prohibitivamente caras.
6. Limitaciones y compatibilidad del software
Todos los problemas mencionados con la simplificación de la geometría y otros enumerados anteriormente no siempre son fáciles de resolver con el software CAD y FEA. Por ejemplo, mientras que el software de CAD puede manejar formas complejas y de forma libre con facilidad, las herramientas de AEF pueden requerir que estas formas se conviertan en formas más simples.
Los problemas de incompatibilidad, como los detalles geométricos, las propiedades de los materiales y el historial de características, pueden surgir cuando las funciones de exportación de archivos del software de CAD no son totalmente compatibles con los atributos necesarios para el análisis de elementos finitos, lo que hace necesario realizar ajustes manuales o utilizar herramientas de software intermedias adicionales.
Teniendo en cuenta todas estas cuestiones, el software de verificación estructural, como SDC Verifier, ayuda a garantizar que la transición de la geometría de CAD a AEF sea fluida y eficaz. Al ofrecer herramientas avanzadas para el mallado, la simplificación de la geometría y la integración con varios sistemas CAD, SDC Verifier ayuda a mitigar los retos asociados a la transición.
Conclusión
La transición de CAD a AEF es un paso vital pero intrincado en el flujo de trabajo de ingeniería, en el que la geometría del diseño se somete a una preparación rigurosa para garantizar un análisis preciso. Desde la exportación de la geometría hasta la simplificación de los modelos, el mallado y la aplicación de las condiciones de contorno, cada etapa exige precisión y experiencia.
A pesar de retos como mantener la precisión durante la simplificación, garantizar la calidad de la malla y superar los problemas de compatibilidad del software, herramientas como SDC Verifier agilizan significativamente el proceso. Al automatizar las tareas clave e integrarse perfectamente con los sistemas CAD, el software de verificación estructural permite a los ingenieros salvar la distancia entre el diseño y el análisis con confianza, ofreciendo resultados fiables incluso para los proyectos más complejos.
