Cómo mejorar un modelo de FEA: Simplificación del modelo

Desarrollar un modelo de análisis de elementos finitos (FEA) exitoso y eficaz puede resultar una experiencia frustrante para los ingenieros de diseño. El modelo tiene que ser simple y fácil de replicar, sin dejar de ser lo suficientemente complejo como para proporcionar resultados de prueba válidos. Esto crea un problema en el que los modelos suelen ser demasiado simplificados y aproximados para proporcionar un análisis preciso, o el modelo es demasiado complicado para un procesamiento fácil.

Un paso importante para mejorar un modelo de FEA es la simplificación del modelo. Sin embargo, el modelo debe simplificarse de forma correcta para proporcionar un análisis preciso.

La generación de la geometría del modelo es uno de los aspectos más difíciles de un análisis por elementos finitos (FEA). Un error común entre los usuarios principiantes de los AEF es asumir que un modelo de diseño asistido por ordenador (CAD) creado como parte del proceso de diseño del producto puede introducirse directamente en un estudio de AEF. Los modelos CAD de los diseñadores suelen incluir enormes detalles y puede llevar horas o días de procesamiento incorporarlos a un AEF.

Los modelos CAD ayudan a los diseñadores a visualizar el producto, a generar dibujos instructivos para los maquinistas y a los ingenieros de fabricación o de embalaje a determinar cómo se enviará el producto al cliente de forma segura, además de realizar una amplia variedad de otras actividades. Para algunas de estas actividades, el más mínimo detalle puede ser importante, y por esa razón los modelos CAD de los diseñadores pueden ser muy intrincados.

Sin embargo, gran parte de estos detalles son a menudo innecesarios en los AEF. Peor aún, la inclusión de detalles innecesarios en un modelo de AEF puede dar lugar a mallas de mala calidad, tiempos de ejecución de simulaciones ineficientes y resultados inexactos. Para un analista, entender cuándo y cómo simplificar un modelo que le ha pasado un diseñador es una habilidad clave para una simulación eficaz de AEF.

Eliminar características innecesarias de los objetos

Quizás los detalles más comunes que pueden eliminarse inmediatamente de la mayoría de los modelos CAD son los filetes y los redondeos. Los bordes verdaderamente cuadrados rara vez existen en el mundo real – los bordes son típicamente redondeados y los modelos CAD a menudo incluirán este redondeo en muchos, si no todos, los cuerpos geométricos. Sin embargo, las aristas cuadradas son mucho más fáciles de mallar en el mundo de los elementos finitos, y la mayoría de los filetes/redondeados pequeños no afectarán a los cálculos de desplazamiento global. Las herramientas de CAD suelen tener una función para ayudar a eliminar los filetes/redes, como el comando de relleno en ANSYS Spaceclaim. El uso adecuado de estas funciones puede reducir rápidamente la complejidad del modelo con poco esfuerzo por parte del usuario.

Incorporación de geometrías y restricciones efectivas

Otra simplificación común es la eliminación de cuerpos insignificantes o su sustitución por geometrías o restricciones efectivas. Por ejemplo, la mayoría de los conjuntos mecánicos incluyen elementos de fijación, como pernos y remaches. A veces puede ser necesario incluir la geometría de un perno en el modelo; sin embargo, en muchos casos, las geometrías de los pernos pueden sustituirse por geometrías 3D muy simplificadas, elementos de viga 1D, o incluso eliminarse por completo y aproximarse con restricciones de contacto rígido o condiciones de contorno fijas.

Por ejemplo, si se está simulando un choque mecánico en un PCBA de 12″ por 12″, los componentes muy pequeños, como las resistencias 0201, no tendrán ningún efecto sobre la rigidez global del modelo y pueden eliminarse por completo. Los componentes más grandes, como un SOIC de 16 PIN pueden necesitar ser modelados, pero la soldadura puede ser reemplazada y aproximada con un contacto rígido entre los cables y la placa. ANSYS Sherlock es una herramienta que puede ayudar a generar un modelo listo para el AEF a partir de la información disponible en la fase de diseño de un PCBA, tomando la información ECAD destinada a la fabricación de PCBA y automatizando la creación de un modelo de PCBA simplificado, mallado y listo para el AEF.

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