Modelización y simulación
La modelización y simulación permite tener una visión previa a la construcción de cualquier pieza o diseño de manera realista y virtual.
facultad de ingeniería · mecánica
jue. 06 de may. 2021
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En el proceso de modelización y simulación se utilizan varias herramientas, las más habituales se pueden clasificar en los siguientes grupos:

  • Diseño 3D
  • Metodología BIM
  • Análisis de Elementos Finitos
  • Impresión 3D

El Diseño Asistido por Ordenador – CAD en tres dimensiones se refiere a la utilización de ordenadores. Esto para obtener un modelo tridimensional de un elemento mecánico, en un espacio imaginario, mostrando visualmente sus propiedades físicas, como dimensiones, material o color.

Diseño 3D

La utilización de CAD 3D proporciona beneficios tales como:

  • Visualización: permite crear y visualizar objetos 3D y realizar las modificaciones que sea necesario. Además, es posible crear imágenes fotorrealistas mediante renderizado.
  • Detalle: la representación es muy próxima al resultado final, con la precisión y los detalles necesarios que pueden ser diferentes para cada parte del modelo.
  • Optimización: mostrando fallos del proceso de diseño, permitiendo incluso realizar simulaciones. Además de realizar pruebas cinemáticas, dinámicas, de tensión, de deformación, vibraciones, temperaturas o de flujos de fluidos.
  • Especialización: con aplicaciones y funciones específicas para cada sector. Esto puede ser calcular la masa total, estimar tiempos y costes de fabricación y calcular la huella de carbono de su fabricación.
  • Realización: dando la posibilidad de transformarlo en un modelo físico real de forma sencilla y barata.

Existen dos enfoques tradicionales para crear geometría 3D; el denominado basado en historial, en el que la estructura y el orden de las características controla el modo en el que los modelos reaccionan ante los cambios o a las ediciones. Esto crea modelos predecibles con base en un croquis; y el modelado directo, en el que no se mantiene ningún historial ni ningún boceto. La edición se realiza directamente seleccionando lo que se quiere modificar y aplicando valores.

Las últimas tendencias derivan en la utilización de un enfoque síncrono, que combina los dos enfoques anteriores. Todo ello para permitir la realización de cambios en el diseño de forma intuitiva modificando dimensiones, relaciones y restricciones.

Metodología BIM

BIM, Building Information Modelling, es una metodología de trabajo colaborativo que documenta todo el ciclo de vida de una edificación o de una infraestructura. Esto sucede mediante una herramienta informática, de manera que se genere un repositorio único de toda la información útil.

Se puede definir como un conjunto de metodologías de trabajo y herramientas, caracterizado por el uso de información de forma coordinada, coherente, computable y continua, empleando una o varias bases de datos compatibles que contengan toda la información en lo referente al elemento que se pretende diseñar, construir y explotar. BIM promueve nuevas formas de pensar y de actuar, pasando de una visión a corto plazo, enfocada en la visión parcial de una de las etapas del ciclo de vida del elemento, a una a largo plazo, multidisciplinar, que incluye todo el ciclo de vida completo.

La utilización de BIM supone una evolución de los diseños tradicionales, superando las fases de definición y de diseño basados en geometría 3D, para incluir nuevas dimensiones:

  • 4D: programación, como simulaciones de las fases del proyecto, implantación de metodología Lean y sistemas Just-in-Time y validaciones visuales para aprobaciones de pagos.
  • 5D: estimaciones de costes, que incluye planificaciones de costes, verificaciones de compras, valor ganado y análisis de soluciones.
  • 6D: sostenibilidad, que incluye análisis energético, trazabilidad de elementos y certificaciones LEED y BREAM.
  • 7D: gestión de infraestructuras, incluyendo estrategias de ciclo de vida, planes y programas de operaciones y de mantenimiento.
  • 8D: relativa a los planes de seguridad laboral en el proceso de construcción.

Escala LOD

El modelo digital que proporciona BIM es un prototipo virtual que reproduce digitalmente lo que se pretende construir y explotar en la realidad, sus elementos contienen información relativa a los datos de todos los elementos que se representan, en forma de figura en 3 dimensiones, lo que permite su visualización interactiva, lo que facilita la comunicación entre los agentes implicados y a centralizar el conocimiento utilizado.

Esta base de datos requiere de la definición de Niveles de Desarrollo (LOD), que es la forma de medir el grado de información contenida en cada elemento, que va más allá de la exactitud y detalle de la representación gráfica, convirtiéndose en una medida del incremento de información del modelo. El modelo de Niveles de Desarrollo más utilizado es el de BIMForum Specs, que crea una escala de LOD 100 a LOD 500 con las siguientes definiciones:

  • 100: representación gráfica del elemento.
  • 200: representación gráfica acompañada de cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones aproximadas.
  • 300: representación gráfica acompañada de cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones exactas.
  • 350: representación gráfica acompañada de cantidades, tamaños, formas, localizaciones, orientaciones, así como interfaces con otros sistemas y elementos.
  • 400: representación gráfica acompañada de cantidades, tamaños, formas, localizaciones y orientaciones, además de detalles e información de fabricación, montaje e instalación.
  • 500: es una representación verificada en campo del elemento, con todos sus datos.

Elementos finitos

Un componente mecánico no es más que una estructura elástica continua, la metodología de Análisis de Elementos Finitos – FEA consiste en dividir, es decir, en discretizar, esa estructura en pequeñas subestructuras, que se denomina elementos, elásticas, perfectamente definidas, pero de tamaño finito. Estos elementos pueden ser lineales, con 2 nodos, superficiales, con entre 3 y 8 nodos, o en forma de sólido, con 4 o más nodos; a lo que se añaden elementos especiales como brechas, conexiones y uniones rígidas, con un mínimo de 2 nodos cada uno.

Se puede definir como la metodología que plantea y resuelve un sistema de ecuaciones que considera las cargas y deformaciones para cada uno de estos elementos. Al emplear funciones polinomiales el comportamiento elástico continuo de cada elemento se desarrolla en términos del material y de las propiedades geométricas del elemento. Las cargas se pueden aplicar dentro del elemento (gravedad, dinámica, térmica, etc.), en la superficie del elemento o en los nodos de este. El proceso de análisis se compone de tres fases: Preproceso, proceso y postproceso.

Pre-proceso

Consiste en la modelización de la geometría utilizando una interfaz gráfica o, mejor aún, un programa de CAD en 3D, para luego transferir el modelo al software de elementos finitos, este paso puede requerir de ajustes en el modelo, que puede tratarse de una simplificación, o de asegurar que las formas son cerradas y continuas. A continuación, se procede al mallado del modelo que, como se ha indicado, consiste en discretizar el modelo en elementos.

Esta es la parte más importante, ya que de su resultado va a depender la precisión del resultado, conviene ser especialmente cuidadoso y disminuir el tamaño de los elementos en los alrededores de los puntos con concentración de esfuerzos de la estructura, por otro lado, un tamaño de elemento demasiado pequeño en toda la estructura ralentiza todo el proceso de cálculo.

Proceso

Consiste en el desarrollo de un conjunto de sistemas de ecuaciones discretas, basadas en cada en uno de los elementos de la malla. Las ecuaciones pueden estar desarrolladas con base en varios principios, como los de conservación de energía, como el Principio de Hamilton, el Método de Residuos Ponderados o las Series de Taylor.

Los sistemas de ecuaciones se resuelven, bien por métodos directos, indicados para un número reducido de elementos, como el de eliminación de Gauss o el de Factorización L U; o por métodos iterativos, más adecuados para sistemas con gran número de ecuaciones, como son el método de Jacobi, el método de Gauss-Seidel, el método SOR, etc.

La modelización y simulación profesional

El proceso de diseño resulta tan complejo como cualquier otro procedimiento previo al lanzamiento de un producto. Por esta razón los profesionales dedicados a este ámbito deben estar completamente preparados y capacitados para las diversas situaciones que reflejan la complejidad de esta tarea. En TECH Universidad Tecnológica se oferta un amplio portafolio educativo dedicado a todo el cuerpo profesional de diversas áreas.

Dentro de su oferta se encuentra su Facultad de Ingeniería, donde pueden hallarse especializaciones tales como el Máster en Ingeniería del Agua y Gestión de Residuos Urbano y el Máster en Energías Renovables. Sin embargo, y a pesar de ser programas educativos de un excelente y amplio alcance, no cabe duda que para aquellos que deseen convertirse en expertos en temáticas relacionadas con la vista en el presente artículo, la opción debe ser el Máster en Ingeniería Mecánica.

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