CAE Y SIMULACION 

Introducción

El diseño mecánico es necesario para establecer y definir soluciones a problemas no resueltos aun; o para ofrecer una nueva solución a un problema ya resuelto. El diseño persigue satisfacer las necesidades de los consumidores y de la sociedad (Moreno, Flórez y Peña, 2012). Por tanto, es un proceso complejo que requiere habilidades, competencias y ética profesional (Carvajal, 2013).

Una de las tareas más difíciles que deben afrontar los ingenieros diseñadores es estimar costo (una o varias piezas que forman un equipo), sobre todo en etapa inicial del proceso del diseño, para comparar dichos costos con el presupuesto de desarrollo asignado al proyecto. En el costo de una pieza influyen fundamentalmente: el de la materia prima (50 % del total), mano de obra (15 %), los costos indirectos (30 %) y de diseño (5 %) (Ullman, 2010). Para que las producciones de una empresa sean competitivas, en el proceso de diseño deben considerarse otros factores que también influyen en los costos, como: confiabilidad, durabilidad, intercambiabilidad, estandarización, forma geométrica, métodos de fabricación disponibles, necesidad de empleo de dispositivos para su fabricación, entre otros.

Se plantea como condición que la pieza no fallará si las tensiones que se originan en su interior producto de las cargas no superan el límite de resistencia del material (Beer, Johnston, Dewolf y Mazurek, 2012). Sin embargo, en la práctica los aspectos relacionados con el diseño mecánico tienen cierto grado de incertidumbre debido a que los cálculos se le realizan a un modelo simplificado de la pieza (González, Álvarez y Campos, 2007).

La modelación se ha simplificado considerablemente con el empleo de las computadoras y con ello se ha reducido el tiempo para obtener el producto final. La simulación computacional permite estudiar el comportamiento del modelo de una pieza o conjunto de estas mediante el uso de aplicaciones informáticas (Duartea, Reinerta, Aresb y Möller, 2014; Martín, García, González, Calzadilla y Hernández, 2013; Peng, Yunlong, Bo y Debin, 2016), que se agrupan según su uso en: softwares de diseño asistido por computadoras (Computer Aided Design, CAD) para obtener geometrías en 2D y 3D, planos con la información necesaria para la fabricación; y softwares para la ingeniería asistida por computadoras (Computer Aided Engineering, CAE) en los que se realiza el análisis del comportamiento de la pieza variando el material, las cargas y la optimización de la geometría.

A pesar de la ventaja que representa el uso de estas herramientas informáticas, muchas empresas no las emplean bien por falta de capacidad de compra de las licencias o por no contar con ingenieros hábiles en su uso. Otras empresas solo las explotan parcialmente para obtener los planos con los datos de fabricación. El objetivo de este trabajo es mostrar el efecto de la simulación computacional en los costos durante el proceso de diseño mecánico.

El uso de simulaciones computacionales en la ingeniería se torna esencial para garantizar calidad y eficiencia durante el proceso de desarrollo de productos. Con la computadora pueden realizarse diferentes análisis (estáticos, dinámicos, de fluidos, térmicos, electromagnéticos y acústicos entre otros, que proporcionan beneficios (reducción de tiempo de proyectos, aumento de productividad, facilidad en detección de fallas y en identificación de soluciones).

La simulación por computadora ayuda a evaluar los prototipos virtuales de los productos. La geometría de un producto, elaborada con un recurso CAD, es importada al sistema CAE; y ahí, los modelos pasan por diferentes etapas: Pre-procesamiento, Procesamiento y Post-procesamiento.

Normalmente, las herramientas CAE trabajan con el Método de Elementos Finitos, método de cálculo de ayuda al diseño, existiendo, actualmente, una amplia gama de programas informáticos que aplican el MEF a la resolución de diversos problemas ingenieriles, los cuales cuentan además con las ventajas del crecimiento continuo de la potencia de cálculo de los ordenadores, así como de las notables mejoras en cuanto a visualización gráfica. Estos programas informáticos constan habitualmente de tres partes o módulos:

• Preprocesador: en este módulo se realizan tareas tales como la construcción o importación de la geometría de la pieza o sistema, la discretización de la geometría en elementos finitos, así como la definición de las características del material, de las ligaduras y de la aplicación de solicitaciones.
• Procesador: este módulo es el encargado de construir y resolver las ecuaciones del modelo matemático construido en el módulo preprocesador.
• Post-procesador: permite al usuario interpretar y manipular los resultados obtenidos en el procesador con el fin de determinar la validez del diseño y del modelo de elementos finitos utilizado, para evaluar la validez de la solución obtenida.

El modelo geométrico de un producto es el elemento central dentro del concepto del CAE y consiste en la representación del mismo en la memoria de la computadora. Todos los demás elementos de la CAE utilizan esta descripción geométrica como punto de partida. Ejemplo, el contorno de la pieza puede emplearse para determinar el paso de la herramienta al mecanizarse mediante un sistema de control numérico. De esta forma, las herramientas existentes permiten calcular el comportamiento de la pieza o de la estructura en la vida real, en aspectos tan diversos como:

• Deformaciones
• Resistencia
• Características térmicas
• Vibraciones

Simulación

Se define como “acontecimiento estructurado que involucra relaciones causales entre el elemento y evento que representa una situación del mundo real” (Duchastel 1990, en Martí, 1992). Es la reproducción de una situación o un fenómeno que se presenta generalmente simplificado y que, a su vez, permite la manipulación de sus variables intervinientes. En tal sentido, las simulaciones deben constituir un “modelo de situación o de fenómeno, en el que aparecen los aspectos que se consideran importantes para nuestro propósito, despreciando así los que son secundarios o accesorios” (Delval, 1986, p. 154). Por tanto, un entorno o modelo de simulación pretende representar el desarrollo de la realidad en forma parcial, procura representar en parte el funcionamiento de un sistema real.

Cuando se realizan estudios que permitan validar un proyecto, por ejemplo, pieza sometida a carga externa, generalmente se realiza sobre: un modelo físico o un modelo matemático, utilizando herramientas manuales o herramienta informática; y, “esta plantea como condición que la pieza no fallará si las tensiones que se originan en su interior producto de las cargas no superan el límite de resistencia del material” (Beer, Johnston, Dewolf y Mazurek, 2012). Sin embargo, en la práctica “los aspectos relacionados con el diseño mecánico tienen cierto grado de incertidumbre debido a que los cálculos se le realizan a un modelo simplificado de la pieza” (González, Álvarez y Campos, 2007).

La "Simulación Computarizada" constituye la forma efectiva para que un cliente vea, en la etapa de proyecto y con bastante realismo, diversos efectos (Funcionalidad, estética, ergonomía, etc.) de un producto propuesto; y evaluar dicho proyecto con mayor seguridad. Se puede definir como técnica para analizar y estudiar sistemas complejos, al permitir reunir información pertinente del funcionamiento del sistema, porque ejecuta un modelo computarizado. Los datos recopilados se usan después para diseñar el sistema. Según WINSTON (1994) se puede definir la Simulación como la técnica que imita el funcionamiento de un sistema del mundo real cuando evoluciona en el tiempo. La simulación es una técnica para estimar las medidas de desempeño del sistema modelado.

Tipos 

• Simulación Discreta: Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual el estado de la variable cambia instantáneamente en instante de tiempo separados. (En términos matemáticos el sistema solo puede cambiar en instante de tiempo contables).
• Simulación Continua: Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual las variables de estado cambian continuamente en el tiempo. Típicamente, los modelos de simulación continua involucran ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de cambios de las variables de estado en el tiempo.
• Simulación Combinada Discreta-Continua: Modelación de un sistema por medio de una representación en la cual unas variables de estado cambian continuamente con respecto al tiempo y otras cambian instantáneamente en instante de tiempo separados. Es una simulación en la cual interactúan variables de estado discretas y continuas.

Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo de simulaciones:

1. Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una variable de estado continua.
2. Un evento discreto puede causar que la relación que gobierna una variable de estado continua cambie en un instante de tiempo en particular.
3. Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un evento discreto ocurra, o sea, programado.

• Simulación Determinística y/o Estocástica: Una simulación determinística es aquella que utiliza únicamente datos de entra determinísticos, no utiliza ningún dato de entrada azaroso. En cambio, un modelo de simulación estocástico incorpora algunos datos de entrada azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad.
• Simulación estática y dinámica: La simulación estática es aquella en la cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con la dinámica en la cual si es muy importante.
• Simulación con Orientación hacia los eventos: Modelaje con un enfoque hacia los eventos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos los eventos, entidades, atributos y variables del modelo en todo momento.
• Simulación con Orientación hacia procesos: Modelaje con un enfoque de procesos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los procesos que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en un esquema de flujo grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento a la entidad a través de la secuencia de procesos que debe seguir
• Método de Elementos Finitos. MEF (FEA)

Análisis de Elementos Finitos. FEA (Abreviatura en inglés) 

Los principales tipos de simulación que se pueden realizar mediante el análisis por MEF (FEM, FEA) son cálculos estáticos y dinámicos lineales, así como cálculos no lineales debidos a choques e impactos, grandes deformaciones, contacto, etc. Asimismo, mediante este método es posible analizar el comportamiento térmico, magnético y de fluidos del producto. A continuación, imagen de una simulación computarizada utilizando software ANSYS.

La simulación también se ha aplicado al cálculo de la evolución de sistemas a lo largo del tiempo, como puede ser el cálculo de elementos trabajando a fatiga o bajo cargas dinámicas.

De esta manera, se consiguen importantes ventajas como la eliminación de pruebas innecesarias en prototipos, ahorro de tiempo y dinero, aumento en la percepción de la respuesta a la carga de fatiga del producto y optimización del diseño a fatiga.

Tal cual señalamos, al comenzar la cátedra, sobre la finalidad que la ingeniería ostenta, la principal función es la de promover y desarrollar soluciones tecnológicas para aquellas necesidades (sociales, industriales y económicas) que vayan surgiendo en la vida. Para esto, la matemática, la ciencia y algunos programas de diseño específicos son los mejores aliados a la hora de esa búsqueda, ya que permiten hacer prototipos, escalas, muestras y simulaciones de cómo quedaría el resultado o trabajo final y la ventaja, es que estos les permiten realizar modificaciones.

El ingeniero debe tener la comprensión de los obstáculos presentes en la tarea, para poder deducir las mejores soluciones, y así encontrar el objeto o sistema que mejores respuestas da a los problemas.

Dinámica de fluidos computacional. CFD (Abreviatura en inglés)

Evaluación de flujo de fluidos para descubrir cómo interactúa un diseño con aire, agua, etc. 

La Dinámica de Fluidos Computacional o CFD (del inglés Computational Fluid Dynamics) es el área de conocimiento que trata sobre la simulación numérica de flujos fluidos, transferencia de calor y fenómenos relacionados tales como reacciones químicas, combustión, aeroacústica etc. El CFD tuvo origen a partir de la combinación de dos disciplinas: mecánica de los fluidos y cálculo numérico. Las ecuaciones que rigen el flujo fluido tienen origen en la mecánica de los fluidos y pueden ser resueltas por medio de diferentes métodos numéricos.

Los métodos de discretización más difundidos son el método de las diferencias finitas, el método de los elementos finitos y el método de los volúmenes finitos, siendo este último el más utilizado en Dinámica de Fluidos Computacional. Con esos métodos, se intercambia el dominio continuo por un dominio discreto, donde un conjunto de volúmenes de control es utilizado para representar el dominio original, como puede ser observado en la figura abajo. 

La Dinámica de Fluidos Computacional es ampliamente utilizada en los diferentes segmentos de la industria y soporta el proyecto y la fabricación de centenares de productos, tales como aviones, automóviles y navíos, así como los más diversos tipos de equipamientos industriales. La Mecánica de Fluidos Computacional puede ser utilizada desde la fase conceptual de un proyecto, ayudando a determinar la viabilidad y la mejor solución en producto, hasta la etapa de producción, permitiendo representar diversos escenarios. Con la ayuda de las herramientas de CFD es posible:

• Simular difusión y convección de substancias fluidas en los más diferentes ambientes;
• Realizar la planificación y gestión de recursos hídricos;
• Analizar la aerodinámica y aerotermodinámica de vehículos;
• Evaluar la refrigeración de equipamientos, como reactores nucleares, motores etc.;
• Hacer estudios de caracterización de polución ambiental, dispersión de gases, análisis y simulación de lanzamiento de poluentes y contaminantes en corrientes hídricas;
• Simular hidrodinámica y hemodinámica;
• Probar y desarrollar proyectos de sistemas propulsivos y de generación de energía en general.

Conclusión

Las mejoras que se aplican a un producto nuevo se logran por el desempeño que tenga la simulación computacional. Hay ciertos procesos que se realizan de forma virtual para detectar la “prueba-error", esto favorece drásticamente al ahorro de costos. Estos pueden ser: Los gastos por materia prima, costos de pruebas mecánicas presenciales o de fabricación de ciertos prototipos, por concepto de:

• Fabricación de prototipos
• Otros gastos relacionados con las pruebas mecánicas.
• Los costos de materia prima se reducen por geometrías optimizadas a condiciones de trabajo predefinidas.

El tiempo requerido para la obtención de los planos de fabricación es inferior con el empleo de softwares CAD lo que disminuye horas de trabajo del personal de diseño. Lo que agiliza la toma de decisiones respecto a que variantes de formas de una pieza representa el menor costo de fabricación.

A pesar de la ventaja que representa el uso de estas herramientas informáticas, muchas empresas no las emplean bien por falta de capacidad de compra de las licencias o por no contar con ingenieros hábiles en su uso. Otras empresas solo las utilizan parcialmente para obtener planos con datos de fabricación.

Al definir los términos FEM, CFD individualmente se corre el riesgo de crear confusión; razón por la que recomiendan, simplemente, asociarlos con los 2 tipos de pruebas virtuales más comunes y más utilizadas, durante la etapa de validación de modelos 3D (Virtuales), para describir los procesos de evaluación siguientes:

1. FEA = Evaluación estructural mecánica para descubrir la resistencia/deflexión de un diseño.
2. CFD = Evaluación de flujo de fluidos para descubrir cómo interactúa un diseño con aire, agua, etc.

Referencias

• RAMIREZ NAVA, Diana Minerva et al. Simulación computacional como herramienta para disminuir los costos asociados al diseño mecánico. Rev. retos [online]. 2017, vol.11, n.1 [citado 2020-06-26], pp.82-93. Disponible en: <http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2306-91552017000100006&lng=es&nrm=iso>. ISSN 2306-9155.
• BEER, F. P., JOHNSTON, E. R., DEWOLF, J. T. Y MAZUREK, D. F. (2012). Mechanics of materials (6th ed.). New York: McGraw-Hill.