Método de Elementos Finitos (MEF): Optimización y Evaluación de Diseño en Ingeniería

Método de Elementos Finitos (MEF): Optimización y Evaluación de Diseño

El Método de Elementos Finitos (MEF) permite al proyectista realizar un análisis de un diseño propuesto y evaluarlo para verificar si se producirá algún fallo en alguna zona de la geometría. De la interpretación de los resultados obtenidos, se podrá decidir si ese diseño puede ser validado o no. Además, es muy común repetir este proceso de análisis y evaluación en propuestas de diseño modificadas, incluso si a priori no existe ningún riesgo de fallo. Esta práctica es habitual en la mayoría de los componentes con el objetivo de reducir materiales para abaratar su fabricación o para disminuir el peso en aplicaciones que así lo exijan (por ejemplo, la aeronáutica).

Criterios de Evaluación y Módulo Generative Structural Analysis

Se emplean principalmente dos criterios: resistencia y rigidez. Para ello, se utiliza el módulo Generative Structural Analysis.

Pasos del Proceso MEF

1. Creación de la geometría: Incluye la definición del material.
2. Creación del modelo de elementos finitos:
   1. Transformación de la estructura continua a una estructura discreta.
   2. Aplicación de cargas.
   3. Establecimiento de las condiciones de contorno.
3. Lanzamiento del cálculo.
4. Evaluación de los resultados.
5. Rediseño y optimización.

Tipos de Elementos para la Discretización

El software empleado para la discretización ofrece los siguientes tipos de elementos:

• Tetraedro
• Prisma
• Hexaedro

Área de Conocimiento

Este proceso se enmarca dentro de la mecánica del sólido rígido y la mecánica del sólido deformable.

Indicadores de Resistencia y Rigidez

Los principales indicadores para evaluar la resistencia y rigidez de un componente sometido a esfuerzos son:

• Tensión de Von Mises
• Deformación

Proceso de Discretización

El proceso de discretización consiste en dividir el modelo continuo en una cantidad finita de elementos. De esta forma, se obtiene un modelo discreto o de elementos finitos a partir del modelo real.

Optimización

La optimización consiste en:

• Ahorrar material: si el elemento está muy por debajo del límite elástico.
• Agregar material: si se sobrepasa el límite elástico, para garantizar el correcto funcionamiento del elemento y optimizar costes si es posible.

Métodos de Solución

Existen dos tipos de métodos de solución:

• Directos
• Iterativos

Cumplimiento de Criterios de Resistencia y Rigidez

Se considera que un diseño cumple los criterios de resistencia y rigidez si, tras realizar el cálculo:

• La tensión no supera el límite elástico del material.
• La deformación no alcanza un valor excesivamente alto.

Identificación de Fallos Estructurales

Se considera que existe un fallo estructural o un riesgo potencial si el elemento experimenta una deformación considerable.