Análisis de elementos finitos 1

Análisis de elementos finitos

Visualización de como un vehículo se deforma en un impactoasimétrico, obtenido usando elementos finitos.

El análisis por elementos finitos (FEA por sus siglasen inglés para: Finite Element Analysis) es una técnicade simulación por computador usada en ingeniería. Usauna técnica numérica llamada Método de loselementos finitos (FEM).

Existen muchos Paquetes de software, tanto librescomo no libres. El desarrollo de elementos finitos enestructuras, usualmente, se basa en análisis energéticoscomo el principio de los trabajos virtuales.[cita requerida]

Historia

El análisis de elementos finitos desde su enfoquematemático fue desarrollado en 1943 por RichardCourant, quien usó el Método de Ritz del análisisnumérico y el cálculo variacional para obtener soluciones aproximadas para sistemas oscilatorios. Desde un punto devista ingenieril, el análisis de elementos finitos se origina como el método de análisis estructural de matrices dedesplazamiento, el cual surge luego de varias décadas de investigación, principalmente en la industria aeroespacialinglesa, como una variante apropiada para computadores.[1] Para finales de los años de la década de 1950, losconceptos claves de matriz de rigidez y ensamble de elementos existe en las formas como se conocen hoy en día.,[2]

la demanda de la NASA repercutió en el desarrollo del software de elementos finitos NASTRAN en 1965.

AplicacionesEn estas aplicaciones, el objeto o sistema se representa por un modelo geométricamente similar que consta demúltiples regiones discretas simplificadas y conectadas — véase: Método de los elementos finitos. Ecuaciones deequilibro, junto con consideraciones físicas aplicables así como relaciones constitutivas, se aplican a cada elemento,y se construye un sistema de varias ecuaciones. El sistema de ecuaciones se resuelve para los valores desconocidosusando técnicas de álgebra lineal o esquemas no lineales, dependiendo del problema. Siendo un método aproximado,la precisión de los métodos FEA puede ser mejorada refinando la discretización en el modelo, usando más elementosy nodos.Comúnmente se usa FEA en determinar los esfuerzos y desplazamientos en sistemas mecánicos. Es además usado demanera rutinaria en el análisis de muchos otros tipos de problemas, entre ellos Transferencia de calor, dinámica defluidos, y electromagnetismo. Con FEA se pueden manejar sistemas complejos cuyas soluciones analíticas sondifícilmente encontradas.

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Revisión de la literatura del análisis por elementos finitos

Análisis estádistico no lineal de una estructura 3D sujeta a deformaciones plásticas,realizado en Code-Aster en CAELinux

La Ingeniería asistida por computadora(CAE, del inglés: Computer AidEngineering) es la aplicación de programascomputacionales de ingeniería para evaluarcomponentes o ensambles. Contienesimulación, validación y optimización deproductos y herramientas de manufactura.La aplicación principal de CAE, usada eningeniería civil, mecánica, aeroespacial, yelectrónica, se trata de FEA al lado delDiseño Asistido por Computador (CAD).

Análisis por elementos finitos

En general, hay tres fases en cualquier tareaasistida por computador:1. Pre-procesamiento. Definir el modelo de

elementos finitos y los factores ambientales que influyen en él.2. Solución del análisis. Solucionar el modelo de elementos finitos.3. Post-procesamiento de resultados usando herramientas de visualización.

Pre-procesamiento

El primer paso en FEA, pre-procesamiento, es construir un modelo de elementos finitos de la estructura a seranalizada. En muchos paquetes de FEA se requiere de la entrada de una descripción topológica de las característicasgeométricas de la estructura.[3] Ésta puede ser 1D, 2D, o 3D. El objetivo principal del modelo es replicar de manerarealista los parámetros importantes y características del modelo real.[3] La manera mas sencilla para conseguirsimilaridad en el análisis es utilizar planos pre existentes, modelos CAD, o datos importados de un ambiente FEA.Una vez se ha creado la geometría, se utiliza un procedimiento para definir y dividir el modelo en "pequeños"elementos. En general, un modelo de elementos finitos esta definido por una malla, la cual está conformada porelementos y nodos. Los nodos representan puntos en los cuales se calcula el desplazamiento (análisis estructural).Los paquetes de FEA enumeran los nodos como una herramienta de identificación. Los elementos estándeterminados por conjuntos de nodos, y definen propiedades localizadas de masa y rigidez. Los elementos tambiénestán definidos por la numeración de la malla, la cual permite referenciar la correspondiente deflexión o esfuerzo (enanálisis estructural) para una localización específica.[3]

Análisis (cómputo de la solución)

En la siguiente etapa en el proceso de análisis de elementos finitos se lleva a cabo una serie de procesoscomputacionales que involucran fuerzas aplicadas, y las propiedades de los elementos de donde producir un modelode solución. Tal análisis estructural permite la determinación de efectos como lo son las deformaciones, estiramientoo estrés que son causados por fuerzas estructurales aplicadas como lo son la fuerza, la presión y la gravedad.

Post-procesamiento (visualización)

Estos resultados entonces pueden ser estudiados utilizando herramientas visuales dentro del ambiente de FEA paraver y para identificar completamente las implicaciones del análisis. Herramientas numéricas y gráficas permiten lalocalización precisa de información como esfuerzos y deformaciones a ser identificadas.

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Aplicación de FEA a la industria de la ingeniería mecánicaUna variedad de especializaciones bajo el ámbito de la ingeniería mecánica tal como lo es la aeronáutica,biomecánica, y las industrias automotrices, todas comúnmente usan el análisis de elementos finitos integrado en eldiseño y desarrollo de sus productos. Varios paquetes modernos de FEA incluyen componentes específicos como eltérmico (termal), electromagnético, fluido y ambientes de trabajo estructural. En una simulación estructural elanálisis de elementos finitos ayuda a producir visualizaciones de rigidez y fuerza y además ayuda a minimizar peso,materiales y costos. El análisis de elementos finitos permite una detallada visualización de en donde las estructurasse doblan o tuercen, e indica la distribución del esfuerzo y los desplazamientos. Los programas computacionales deanálisis de elementos finitos proveen un amplio rango de opciones de simulación para controlar la complejidad deambos, el modelado y el análisis de un sistema. De forma similar, el nivel deseado de precisión y los requerimientosde tiempo computacional asociados pueden ser manejados simultáneamente para atender a la mayoría de lasaplicaciones de ingeniería.El análisis de elementos finitos, permite la construcción de diseños enteros, su refinación y la optimización de éstosantes de que el diseño sea manufacturado. Esta poderosa herramienta de diseño ha mejorado en gran forma, ambos,el estándar de diseños en ingeniería y la metrología del proceso del diseño en muchas aplicaciones industriales.[4] Laintroducción del análisis de elementos finitos ha reducido el tiempo que se toma para llevar productos desde elconcepto hasta la línea de producción.[4] A través de la mejora de diseños de prototipos iniciales usando el análisis deelementos finitos se han acelerado, principalmente, las pruebas y el desarrollo. [5] En resumen, los beneficios delanálisis de elementos finitos son: una alta precisión, diseño mejorado, y una mejor percepción de los parámetroscríticos de diseño, prototipos virtuales, menos prototipos de hardware, y ciclo de diseño más rápido y económico,alza en la productividad y en las ganancias.[4]

Ingeniería asistida por computadora (CAE) y el FEA en la industriaLa habilidad de modelar un sistema estructural en 3D puede proveer un poderoso y preciso análisis de casi cualquierestructura. Los modelos tridimensionales, en general, pueden ser producidos usando un rango de paquetes comunesde diseño asistido por computadora. Los modelos tienden a entrar en un rango amplio variando en complejidad y enformato de archivo, dependiendo del programa computacional (software) de creación del modelo en 3D y en lacomplejidad de la geometría del modelo. El análisis de elementos finitos es una industria creciente en el análisis dediseño de productos y desarrollos en ingeniería. El uso de FEA como una herramienta de ingeniería de manerahabitual está creciendo rápidamente. Los avances en el poder de procesamiento de las computadoras, del FEA y delsoftware de modelado ha permitido la continua integración de FEA en los campos de ingeniería en diseño deproductos y desarrollo.Han habido muchas cosas que han restringido el desempeño y finalmente la aceptación y utilización de FEA enconjunción con el CAD en las etapas de diseño del producto y su desarrollo. Las separaciones en compatibilidadentre los formatos de archivos de programas de CAD y FEA limitaban el grado en que las compañías podían diseñarfácilmente y probar sus productos usando la combinación de CAD y FEA respectivamente. Típicamente, losingenieros usan software CAD especializado en el modelado en el diseño del producto, y después se exporta esediseño a un paquete de FEA para ser el análisis.Pero, esos ingenieros que dependen de el intercambio de información a través de traductores o estándares deintercambio tales como IGES o STEP citan problemas ocasionales en la fiabilidad los cuales causan intercambiospoco existosos de geometría.[6] Así es que la creación de muchos modelos externos al ambiente de FEA seconsideran como problemáticos en el éxito de análisis de elementos finitos. La tendencia actual en el software deFEA y la industria en ingeniería ha sido la creciente demanda por la integración entre el modelado sólido y elanálisis de elementos finitos.Durante el diseño y desarrollo de productos, los ingenieros requieren actualizaciones automáticas entre sus últimos modelos en los ambientes de CAD y FEA. Todavía hay una necesidad de mejorar la relación entre CAD y FEA,

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haciéndolo técnicamente más cercanos y unidos. Aunque la demanda de una integración CAD-FEA unida con lasmejoras en los desarrollos de ordenadores y software ha introducido una tendencia más colaborativa y robusta dondelos problemas de compatibilidad empiezan a ser eliminados. Los diseñadores están ahora introduciendo simulacionesen computadora capaces de usar archivos pre existentes de CAD sin la necesidad de modificar y recrear los modelospara acoplarse a los ambientes de FEA.[6]

Uno de estos programas con análisis de elementos finitos integrado es SolidWorks de la compañía SolidWorksCorporation, que es una herramienta de diseño de medio rango que ofrece un nivel introductorio al programa de FEAllamado CosmoExpress. Entre los módulos mas avanzados para SolidWorks está COSMOSMotion que simula lascolisiones cinemáticas de diversos cuerpos y maneja mas avanzadas simulaciones lineales estáticas. Véase también:Pro/Engineer (ProE).

Tendencias actuales de FEA en la industria

Modelado DinámicoHay una creciente demanda por modelado dinámico en FEA en la industria de vehículos pesados. Muchas compañíasde vehículos pesados se están alejando del tradicional análisis estático y están haciendo uso de software desimulación dinámica. La simulación dinámica incluye la aplicación de FEA en un sentido mas realista para tener encuenta los efectos complicados de analizar varios componentes y ensambles con características reales.

Modelado de ensamblesLa simulación dinámica, usada en conjunción con el modelado de ensambles, introduce la necesidad de unircomponentes de distintos materiales y geometrías. Así que, las herramientas para la ingeniería asistida porcomputador deben tener capacidades comprensivas para utilizar fácilmente fiables conectores en los modelos, loscuales pueden incluir uniones que permiten movimiento relativo entre los componentes, remaches, y soldaduras.Modelos típicos de MSS están compuestos de cuerpos rígidos (ruedas, ejes, cuadros, motores, cabina, y remolque)conectados por uniones ideales y elementos de fuerza. Las uniones y los eslabones pueden ser modelados comoeslabones rígidos, resortes o amortiguadores para así simular las características dinámicas de los componentes de uncamión real.[7]

La transferencia de fuerza a través de los componentes de un ensamble por conducto de conectores, los hacesusceptibles a esfuerzos altos. Es más sencillo y fácil el idealizar conectores como uniones rígidas en estos sistemas.Esta idealización provee un estudio básico del comportamiento del ensamble en términos de entender lascaracterísticas del sistema; los ingenieros deben modelar uniendo parámetros como lo son las piezas de enlace enforma precisa para cuando se realice el análisis de esfuerzos puedan determinarse posibles fallas.[6]

"El representar conectores como uniones rígidas asume que los conectores transfieren las cargas a través de loscomponentes sin deformarse ni sin ellos pasar por estrés. Esta idealización no realista lleva a prediccionesincorrectas de estrés en las regiones locales a los conectores, exactamente las cuales son los lugares donde másposiblemente la falla se iniciará."[6] Comprensiblemente, la inclusión detallada de cada punto de connexión y/omecanismo en un ensamble es impráctico para ser modelado,[6] Así es que representaciones mejoradas de conectoresque son simples de usar y fiables deben ser investigados para su uso caso por caso.[6]

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Técnicas actuales de modelado en la industriaIngenieros en varias compañías automotrices actualmente moldean sus vehículos usando especializado softwaredinámico de FEA. Cada modelo contiene un cuerpo y chasis flexible, resortes, barras de rodaje, ejes cabina ysuspensión del motor, el mecanismo de dirección y viraje y cualquier componente dependiente en la frecuencia comolo son las montas hechas de hule. Detalles adicionales como los frenos y fuerzas de un motor fuera de balancepueden ser incluidas en una forma dependiendo a "como se requiera".[8]

La simulación dinámica de FEA permite que una variedad de maniobras sea probada con precisión. Pruebas como loson cortando la esquina, volcado, cambio de línea en tránsito, vueltas en J, análisis de vibración, colisiones y frenadoen línea pueden ser llevados a cabo en forma precisa utilizando la simulación dinámica en el análisis de elementosfinitos.Cargas con variables tiempo y no lineales permiten a los ingenieros hacer avanzados y realistas análisis de loselementos finitos, así permitiéndoles localizar las condiciones críticas y determinar características en el desempeño.Como un resultado de las capacidades de prueba dinámica mejoradas, los ingenieros pueden determinar lascaracterísticas óptimas e ideales (ultimate performance) de desempeño del diseño del vehículo sin la necesidad detomar riesgos físicos. Como un resultado de FEA dinámico, la necesidad de costosas pruebas destructivas se haminorizado en gran forma.[8]

FEA en la industria de camionesLa industria de camiones se ha hecho mas como las otras industrias tales como la industria automotriz con respecto ala participación del análisis de elementos finitos en el proceso de diseño.[8] Pero, por la necesidad de losmanufacturadores de camiones de proveer una variedad de configuraciones de cuerpos de camión, es poco factibleque los camiones se inclinen hacia un proceso de FEA unificado y estilizado, como el que se presencia en laindustria automotriz.[8] El proceso de diseño no ha alcanzado el nivel requerido de maduración para que sea dirigidopor la simulación. Más aún, la tradicional filosofía de diseño de intento y prueba en las técnicas de diseño decamiones tomando precedencia todavía están muy arraigadas en la industria de camiones.[8] Aunque la industria semantiene lejos de adoptar un proceso de diseño integrado de principio a fin, el análisis de elementos finitos estácreciendo rápidamente en los papeles de diseño y desarrollo del producto en la industria camionera. Otro aspecto quese ha hecho importante en la industria es el del área de actualización del modelo de elementos finitos que es unproceso que hace reflejar al elemento finito en una mejor forma la información medida.

Paquetes de Elementos Finitos• ANSYS• CAELINUX• Nastran/Patran• Anexo:Software de Elementos Finitos

Véase también• Método de los elementos finitos en la mecánica estructural• Método de los elementos finitos• Método de Rayleigh-Ritz• Métodos de Meshfree

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Referencias[1] Carlos A. Felippa (2001). « A historical outline of matrix structural analysis: a play in three acts (http:/ / www. colorado. edu/ engineering/

CAS/ Felippa. d/ FelippaHome. d/ Publications. d/ Report. CU-CAS-00-13. pdf)». Computers & Structures 79 (14):  pp. 1313--1324. doi:10.1016/S0045-7949(01)00025-6 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1016/ S0045-7949(01)00025-6). .

[2] Turner, M.J., R.W. Clough, H.C. Martin, and L.C. Topp (1956). «Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures». Journal of theAeronautical Sciences 23:  pp. 805-824.

[3] Hieronimus, Klaus, A Few Aspects on the Development of Structural Models, SAE Technical Paper 770598, 1977[4] Hastings, J. K., Juds, M. A., Brauer, J. R., Accuracy and Economy of Finite Element Magnetic Analysis, 33rd Annual National Relay

Conference, April 1985.[5] McLaren-Mercedes (2006). « Vodafone McLaren-Mercedes: Feature - Stress to impress (http:/ / www. mclaren. com/ features/ technical/

stress_to_impress. php)». Consultado el 03-10-2006.[6] Marc Halpern (1997). « Industrial Requirements and Practices in Finite Element Meshing: A Survey of Trends (http:/ / www. imr. sandia.

gov/ papers/ imr6/ halpern97. ps. gz)».[7] Chee Kong Teo, Sensitivity Study Of A Truck Chassis, Masters Thesis, Mississippi State University, Department of Mechanical Engineering,

December 2002[8] « FEA Information (http:/ / www. FEAinformation. com)» (August 2005). Consultado el 03-09-2006.

• Grube, Kris W., A Process for Investigating Geometric Sensitivity and Optimization of a Vehicle Structure, FordResearch Publication EM-89-1989.

Enlaces externos• ASME Eyewitness Series: Finite Element Method (FEM) (http:/ / www. asme. org/ Communities/ History/

Resources/ Interactive_Timeline. cfm) - Línea de tiempo Histórica• "Early Masters of the Mesh" (http:/ / www. memagazine. org/ supparch/ medesign/ mesh/ mesh. html) -

Mechanical Engineering Magazine Online (ASME)• Animaciones de Simulación de eventos no lineales (http:/ / www. nenastran. com/ newnoran/ animations)• FEA en la industria de los semiconductores (http:/ / www. siliconfareast. com/ fea. htm)• Recursos de Análisis de Elementos Finitos (http:/ / www. feadomain. com)• FEAinformation (http:/ / www. feainformation. com/ ) - Líderes en software y hardware• Libros de Elementos Finitos (http:/ / www. solid. ikp. liu. se/ fe/ index. html) - Bibliografía• Historical Outline of Matrix Structural Analysis: A Play in Three Acts (http:/ / www. colorado. edu/ engineering/

CAS/ Felippa. d/ FelippaHome. d/ Publications. d/ Report. CU-CAS-00-13. pdf)• Recursos en Internet de Elementos Finitos (http:/ / homepage. usask. ca/ ~ijm451/ finite/ fe_resources/

fe_resources. html) - una lista de enlaces y programas de FEA• Información de Generación de Mallas en la red (http:/ / www-users. informatik. rwth-aachen. de/ ~roberts/

meshgeneration. html) - Software (http:/ / www-users. informatik. rwth-aachen. de/ ~roberts/ software. html) (dedominio público y comercial)

• Investigación en mallado (http:/ / www. andrew. cmu. edu/ user/ sowen/ mesh. html) - Software Survey (http:/ /www. andrew. cmu. edu/ user/ sowen/ softsurv. html)

• Mini-FEA (http:/ / engineering-education. com/ miniFEA/ ) - Paquete que enseña como "hacer FEA"• NAFEMS (http:/ / www. nafems. org) - International Association for the Engineering Analysis Community• Z88 (http:/ / www. z88. org) - Programa OpenSource de FEA para Windows y LINUX/UNIX• Noticias de Finite Element Analysis (http:/ / engineeringbuzz. com/ tags/ Finite-Element-Analysis) - Últimas

noticia de FEA en la red• Magnitude (http:/ / www. feamag. com) - Artículos en temas de FEA, básicos y avanzados• Aplicaciones de FEA AVI-gallery en el sitio de CompMechLab, Universidad Politécnica del Estado de

St.Petersburg, Rusia (http:/ / www. eng. fea. ru/ ANSYS_LSDYNA_AviGallery. html)

Fuentes y contribuyentes del artículo 7

Fuentes y contribuyentes del artículoAnálisis de elementos finitos  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=43559017  Contribuyentes: Chien, Diegusjaimes, Dsierras, Felipe Raimann, GermanX, Grillitus, Gusgus,Mamerto puebla, Nicoguaro, Tortillovsky, 16 ediciones anónimas

Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentesArchivo:FAE visualization.jpg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:FAE_visualization.jpg  Licencia: Public Domain  Contribuyentes: Assassingr, Inductiveload, MB-one,Maksim, 1 ediciones anónimasArchivo:Plasticity.jpg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Plasticity.jpg  Licencia: desconocido  Contribuyentes: Joël Cugnoni

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