Simulación perceptual

Transcripción

1 Simulación En ingeniería, una simulación tiene como objetivo mostrar el comportamiento de un modelo digital bajo condiciones específicas, sean estas ideales, reales o extremas, dando como resultado datos matemáticos, estadísticos o gráficos que permiten conocer las características del diseño de dicho modelo antes de que este sea producido físicamente.

2 Simulación En una simulación el ingeniero puede corroborar cómo se comportará su diseño a nivel estructural, qué problemas podrían surgir en el proceso de uso o utilizando un material, un sistema de ensamble o un accesorio específico. En términos generales, una simulación es una animación técnica en la que se utilizan métodos de visualización científicos que permiten transmitir información objetiva y bien estructurada.

3 Simulación perceptual La animación técnica o simulación perceptual es aquella en la que se utilizan medios digitales para presentar una visualización general y en detalle de un producto. Este tipo de recursos incluye información como: 1. Visualización general: a. Vistas y perspectivas b. Visualización a 360 grados c. Visualización a lo largo de una trayectoria d. Vista aérea 2. Visualización de detalle: a. Cortes b. Transparencias c. Desplazamientos d. Aperturas e. Desvanecimientos 3. Relaciones entre partes del producto a. Funcionamiento b. Mecanismos c. Explosos d. Ensamble y desensamble e. Relaciones técnicas entre las partes del producto 4. Uso

4 Simulación perceptual La simulación perceptual pretende establecer información clara y optimizada sobre las diferentes variables involucradas en el diseño en forma de análisis, sea este estético, funcional, ergonómico, etc. También es importante establecer una estructura lógica, utilizando elementos y recursos gráficos y de audio, si fuera el caso, que permitan una óptima lectura, comprensión e interés a lo largo de toda la presentación.

5 Análisis por elementos finitos El análisis por elementos finitos (FEA por sus siglas en inglés para: Finite Element Analysis) es una técnica de simulación por computador que usa una técnica numérica llamada Método de los Elementos Finitos (FEM). Existen muchos paquetes de software para aplicar tales análisis tanto libres como bajo licencia. El desarrollo de elementos finitos en estructuras, usualmente se basa en análisis energéticos que involucran presión, fuerza, gravedad y ambientes controlados.

6 Análisis por elementos finitos Desde un punto de vista ingenieril, el análisis de elementos finitos se origina con el método llamado de Análisis Estructural de Matrices de Desplazamiento, que se puede entender como el cálculo de una variable aplicada a una malla digital que forma una geometría compleja. Este tipo de análisis surge luego de varias décadas de investigación, principalmente en la industria aeroespacial inglesa. Las investigaciones generadas en la NASA hacia 1965, repercutieron en el desarrollo del software de elementos finitos NASTRAN

7 Sistemas digitales de Análisis por Elementos Finitos (F. E. A.) FEM: Es un método numérico general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física. El FEM está pensado para ser usado en computadoras y permite resolver ecuaciones diferenciales asociadas a un problema físico sobre geometrías complicadas. El FEM se usa en el diseño y mejora de productos y aplicaciones industriales, así como en la simulación de sistemas físicos y biológicos complejos. FEMAP: (Modelado de elementos finitos y Post procesado) es un programa de análisis de ingeniería creado por Siemens PLM Software que se utiliza para construir modelos de elementos finitos en ingeniería ("pre-procesamiento") y ver los resultados de la solución ("post-proceso con animaciones gráficas para interpretar los resultados). Se suele utilizar en el proceso de diseño para reducir los costosos de prototipos y pruebas, evaluar y optimizar los diferentes diseños y materiales.

8 Sistemas digitales de Análisis por Elementos Finitos (F. E. A.) NASTRAN: NASA STRUCTURAL ANALYSIS PROGRAM. Es un tipo de FEA creado originalmente para uso exclusivo de NASA en 1965 por MacNeal-Schwendler Corporation (uno de los principales desarrolladores de programas como Rhinoceros 3D). Consiste en una aplicación capaz de generar estudios y análisis virtuales de productos complejos, desde el desarrollo de fuselajes hasta el funcionamiento virtual de motores sofisticados.

9 Análisis por elementos finitos En general, hay tres fases en cualquier tarea asistida por computador para simulación: 1. Pre-procesamiento. Definir el modelo de elementos finitos (modelado de producto) y los factores ambientales que influyen en él (presión, fuerza y gravedad). 2. Solución del análisis. Solucionar el modelo de elementos finitos, a partir de un FEA. 3. Post-procesamiento de resultados usando herramientas de visualización como las animaciones de simulación.

10 Pre-procesamiento El primer paso en FEA es construir un modelo de elementos finitos de la estructura a ser analizada. El objetivo principal del modelo es replicar de manera realista los parámetros importantes y características del modelo real. Por esta razón el objeto no puede contener superficies abiertas o deformadas por mal manejo de las herramientas de modelado. Una vez creada la geometría, se utiliza un procedimiento para definir y dividir el modelo en "pequeños" elementos (malla). En general, un modelo de elementos finitos esta definido por una malla, la cual está conformada por elementos y nodos. Los nodos o puntos de control representan puntos en los cuales se calcula el desplazamiento (análisis estructural). Los elementos están determinados por conjuntos de nodos, y definen propiedades localizadas de masa y rigidez. Los elementos también están definidos por la numeración de la malla, la cual permite referenciar la correspondiente deflexión o esfuerzo (en análisis estructural) para una localización específica.

11 Análisis (cómputo de la solución) En la siguiente etapa en el proceso de análisis de elementos finitos se lleva a cabo una serie de procesos computacionales que involucran fuerzas aplicadas, y las propiedades de los elementos de donde producir un modelo de solución. Tal análisis estructural permite la determinación de efectos como lo son las deformaciones, estiramiento o estrés que son causados por fuerzas estructurales aplicadas como lo son la tensión, la presión y la gravedad.

12 Post-procesamiento (visualización) Estos resultados entonces pueden ser estudiados utilizando herramientas visuales dentro del ambiente de FEA para ver y para identificar completamente las implicaciones del análisis. Herramientas numéricas y gráficas permiten la localización precisa de información como esfuerzos y deformaciones a ser identificadas.

13 Resumen del procedimiento de análisis 1. Modelado de la pieza en un ambiente CAD/CAE 2. Definir el tipo de material para cada parte (densidad, incluso en algunos programas, acabados) 3. Definir las superficies del análisis 4. Definir el tipo de análisis (tensión, presión, nodal efectos causados por vibración) 5. Definir restricciones (superficies que permanecerán estáticas durante el análisis para evitar torques o desplazamientos) 6. Procesamiento de datos 7. Análisis por medio de una animación 8. Análisis cuantitativo a partir de los datos que el programa crea por medio de tablas.

14 Tipos de visualización 1. Normal Tabulación cuantitativa de resultados 2. Deformación Animación en la cual se verifica un desplazamiento al seleccionar la dirección de la fuerza y un punto de restricción 3. Deformación con segmentos de Von Mises Igual que en el caso anterior pero se añade una visualización cromática para indicar los cambios en las estructuras afectadas por esfuerzos. Por normalización tono fucsia para una estructura en reposo, azul para las zonas con menor impacto de la fuerza aplicada, verde y amarillo esfuerzos medios y rojo como zona de mayor impacto. En algunos programas se incluye el blanco como zona de ruptura 4. Factor de seguridad. El mismo que el anterior pero se añaden notificaciones para indicar la cercanía de un punto de inflexión o de ruptura

15 Ingeniería asistida por computadora (CAE) y el FEA en la industria La habilidad de modelar un sistema estructural en 3D puede proveer un poderoso y preciso análisis de casi cualquier estructura. Los modelos tridimensionales, en general, pueden ser producidos usando un rango de paquetes comunes de diseño asistido por computadora. Los modelos tienden a entrar en un rango amplio variando en complejidad y en formato de archivo, dependiendo del programa computacional (software) de creación del modelo en 3D y en la complejidad de la geometría del modelo. El análisis de elementos finitos es una industria creciente en el análisis de diseño de productos y desarrollos en ingeniería. El uso de FEA como una herramienta de ingeniería de manera habitual está creciendo rápidamente. Los avances en el poder de procesamiento de las computadoras, del FEA y del software de modelado ha permitido la continua integración de FEA en los campos de ingeniería en diseño de productos y desarrollo.