Por Antonio Nieto

En la proyección y manufactura de equipos una herramienta útil y versátil es la simulación digital de pruebas físicas, que permite conocer las capacidades y los alcances de los materiales utilizados. FEA es un sistema de análisis que puede predecir los flujos de aire dentro de una habitación, optimizando la eficiencia en los equipos de aire acondicionado.  Manuel Merelles

Las crecientes exigencias de los clientes en las industrias que se atienden en el país han dado lugar a la búsqueda de nuevos procesos para reducir tiempos de producción, entrega y pruebas de calidad en los productos que se comercializan; por lo que las simulaciones digitales se presentan como una alternativa eficaz para hacer frente a los retos impuestos por el mercado, disminuyendo costos en la producción de prototipos físicos para realizar pruebas y entregando resultados fiables que garantizan la calidad de los productos que son sometidos a estrictas pruebas digitales.

El análisis por elementos finitos (FEA, por sus siglas en inglés) consiste en dividir geométricamente y en pequeños elementos un espacio en el que se busca resolver una ecuación de un campo escalar o vectorial en un dominio. Dicha división considera ecuaciones de campo, los entornos y las fuentes generadoras de campo en cada elemento. Esta herramienta se encuentra inmersa en los programas que grandes marcas, como Autodesk, comercializan.

La ingeniera Lorena Rivas Hernández, líder de Manufactura de Autodesk en México, describe el FEA como un sistema de análisis en el que cada una de las caras de un cubo es representado por un elemento distinto, el cual, se analiza de manera independiente para que el software pueda procesar la interacción de todos los componentes de la figura. Este análisis es utilizado para realizar modelados de producto y sistemas en un entorno virtual, con la finalidad de resolver problemas potenciales o presentes dentro de las estructuras y para optimizar el rendimiento de las herramientas o instalaciones estudiadas.

“Las simulaciones predicen cómo se comportará un elemento sin la necesidad de tenerlo físicamente para probarlo. Muchas veces sólo se requiere analizar la resistencia de un material frente a un esfuerzo, qué pasa si se golpea, si hay una descarga eléctrica o si se calienta el equipo”, explica la líder de Autodesk.

Un factor que suele evaluarse es el calor en los circuitos, con lo que se busca averiguar los efectos del cambio de temperatura en los materiales adyacentes a los conductores; es decir, si la carcasa que los rodea se va a doblar o reblandecer a causa de la temperatura.

“La simulación permite obtener un prototipo físico y ver qué sucede antes de entrar al proceso de producción. El beneficio radica en evaluar opciones digitalmente para que al llegar a dicha etapa sea posible reducir la posibilidad de que se presenten defectos”, señala.

Los modelos de análisis de elementos finitos se pueden crear usando elementos en una dimensión (1D haz), dos dimensiones (2D shell) o tridimensionales (3D sólido).

Con el objetivo de simular los efectos de los entornos reales de trabajo en el FEA es posible aplicar distintos tipos de carga al modelo, entre los que se encuentran:

  • De manera nodal: fuerzas, momentos, desplazamientos, velocidades, aceleraciones, temperatura y flujo de calor
  • De forma elemental: carga distribuida, presión, temperatura y flujo de calor
  • Las cargas de aceleración del cuerpo (gravedad)

Por otra parte, algunos de los tipos de análisis que se pueden realizar son:

  • Estática lineal: análisis lineal con las cargas aplicadas y las limitaciones que son estáticas
  • Estática y la dinámica no lineal: los efectos debidos al contacto (donde una parte del modelo entra en contacto con otra); las definiciones de material no lineal (plasticidad, elasticidad, etcétera) y el desplazamiento de gran tamaño (las cepas que superan la teoría de baja cilindrada que limitan un enfoque de análisis lineal)
  • Modo normal: frecuencias naturales de vibración
  • Respuesta dinámica: las cargas o movimientos que varían con el tiempo y la frecuencia
  • Pandeo: carga crítica en la que una estructura se vuelve inestable
  • La transferencia de calor: el cambio de conducción, radiación

De acuerdo con la ingeniera Rivas, la implementación de estos sistemas en las industrias en México se encuentra en fase inicial, ya que, hasta hace pocos años, el uso de este tipo de herramientas se veía muy lejano y sin una aplicación práctica en sectores distintos al automotriz y aeroespacial. Aunque, debido a la creciente demanda de los clientes por tiempos de producción más cortos, muchas empresas se han visto impulsadas a probar estas alternativas en sus procesos productivos, a fin de acelerarlos y realizar las pruebas necesarias que garantizan el buen funcionamiento de sus equipos.

“Emplear tecnologías de simulación se ha convertido en algo necesario, porque no es lo mismo producir un generador eléctrico y poner en riesgo una planta, que por sobrecalentamiento se dañe, a realizar una simulación que prediga estos efectos”.

Una de las principales estrategias que han permitido la aceptación de la simulación digital fue democratizar el acceso a la tecnología, haciéndola más accesible con relación al precio, dando una apertura para las empresas que realizan productos como circuitos o piezas mecánicas y destruyendo la línea divisoria con las industrias aeroespacial y automotriz.

Una de las mayores ventajas de este tipo de sistemas es la flexibilidad que presentan, ya que las herramientas de simulación pueden utilizarse para predecir el fluido de una tubería, al igual que para modelar la incidencia del aire acondicionado en un cuarto o el efecto de la corriente de agua en un río. “La tecnología es un comodín que se acomoda a lo que necesitas hacer o simular; si es algo más mecánico se utiliza una herramienta, si es algo más de fluidos se utiliza otra, pero puede ser la misma herramienta que se requiere para simular la aerodinámica de un carro o para predecir la temperatura de un cuarto por el aire acondicionado”, señala Rivas Hernández.

Un ejemplo de la versatilidad que caracteriza tales sistemas fue la implementación de una simulación realizada en la última edición del encuentro más importante de fútbol americano en el mundo, el Super Bowl. Autodesk realizó una simulación para determinar cómo se comportaría el aire dentro del estadio, con la finalidad de estimar su influencia en las trayectorias del balón. Éste es un ejemplo de cómo es posible aplicar una tecnología tanto en un spoiler, como en una tubería, un cuarto acondicionado o el aire dentro de un estadio.

Por otra parte, su implementación también ha implicado algunos retos culturales. “El obstáculo radica en tomar la decisión de implementar la tecnología. Como la gente no lo ve, no lo siente. Culturalmente ha sido complicado que opten por la nueva tecnología, porque son sólo colores; se trata de un tema de adopción que sucede con todas las tecnologías. Afortunadamente, estamos en el momento en el que las personas creen que es necesario adoptar las tecnologías para ver su funcionalidad y el valor agregado que representan”, explica la ingeniera Rivas.

Margen de error en las simulaciones

Todos los sistemas de simulación en el mundo cuentan con un margen de error, generalmente asociado con los datos ingresados. La veracidad de los datos inmersos en las simulaciones es de vital importancia para una correcta estimación. La ingeniera explica que “no es lo mismo hacer una simulación especificando que la carcasa es de aluminio a que si colocaste que es de acero. Mientras más fieles sean los materiales que colocas, más verídica será. Obviamente, la simulación no reflejará por completo la validación del prototipo físico, pero la propuesta es que en lugar de hacer 10 pruebas destructivas al producto físico para conocer si resiste o no, se hagan tres pruebas físicas y validar las otras 7 con simulaciones”.

Este tipo de sistemas puede verse como una inversión al tratarse de un software que permitirá llevar a cabo diversas pruebas mientras reduce el costo de producción de prototipos físicos. Muchas simulaciones posibilitará la toma de decisión digitalmente, debido a que el margen de error del resultado podría encontrarse dentro del rango aceptado para las especificaciones del producto manufacturado.

“Tienes un ensayo digital en el cual puedes preparar el modelo y obtener tantas validaciones o iteraciones como desees, contra un prototipo físico al que sólo le puedes realizar una prueba. Asimismo, son considerables los tiempos y procesos de fabricación que conlleva la elaboración de estos prototipos”.

La tecnología se encuentra muy bien adoptada y ubicada en la industria aeroespacial y automotriz, lo cual ha hecho que los proveedores se inclinen a implementarla en sus procesos, debido a que necesitan mejorar constantemente sus tiempos de entrega. Esto conlleva a que las perspectivas de crecimiento para la tecnología sean amplias.

Sus aplicaciones abarcan un amplio espectro, ofreciendo ventajas significativas a aquellos sectores que requieran realizar prototipos físicos. El FEA puede utilizarse en el diseño de nuevos productos o para refinar uno ya existente, para asegurar que el diseño será capaz de realizar las especificaciones antes de la fabricación, predecir y mejorar el rendimiento y la fiabilidad; así como para reducir la creación de prototipos físicos y pruebas, evaluar los diferentes diseños y materiales, optimizar el diseño y reducir el uso de materiales.

Por Antonio Nieto  

Fuente: Mundo Hvacr

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