Simulación Computacional: Una herramienta indispensable para la solución de problemas de ingeniería
Una simulación computacional es el estudio de fenómenos físicos cuyas ecuaciones gobernantes se resuelven con el uso de métodos numéricos y la capacidad de cálculo de las computadoras. Las simulaciones se dividen en dos grandes ramas de análisis: el análisis termo-estructural, basado en el método del elemento finito (MEF) y el análisis de fluidos, basado en la dinámica de fluidos computacional (CFD).
El proceso mediante el cual se realiza una simulación computacional suele constar de tres partes fundamentales: a) preprocesamiento, b) solución de ecuaciones (o procesamiento) y c) postprocesamiento (ver figura 1). A continuación, se hace una breve descripción de estas etapas:
En el preprocesamiento se introducen los datos geométricos, las condiciones de borde, las excitaciones del sistema, el mallado y el tipo de análisis a realizar. Para poder llevarlo a cabo se necesita conocer de antemano las condiciones de trabajo iniciales, lo que implica muchas veces tomar datos en campo o suposiciones sobre el comportamiento preliminar del componente en estudio, y de aquí el discernimiento sobre qué análisis se debe hacer para obtener la respuesta buscada.
El procesamiento, o solución de las ecuaciones, se logra por medio del uso de un computador y algoritmos especializados en el cálculo numérico. Aunque este paso lo realiza la computadora de forma independiente en base a la configuración previa, la calidad de la información inicial suministrada determinará a su vez la validez y precisión de los resultados a obtener.
Finalmente se realiza el postprocesamiento, en donde se visualizan y analizan con más detalle los resultados. De ser necesario se solicitan resultados adicionales que complementen el estudio que se está llevando a cabo, todos en base al archivo de solución resuelto en la etapa anterior. En caso de que los resultados no sean los esperados, o se observen incongruencias en los mismos, se decide si se debe volver a la etapa de preprocesamiento o si se está conforme con la solución.
Mediante la simulación computacional se pueden estudiar una gran variedad de fenómenos físicos, lo que permite al diseñador estudiar diversos escenarios sin necesidad de llevar a cabo numerosos experimentos de laboratorio. Usar este tipo de tecnología para el desarrollo de productos permite alcanzar soluciones de forma rápida y precisa. Desde la ingeniería conceptual hasta la ingeniería de detalles se podrá tener una amplia comprensión de la física involucrada en el problema y de las diferentes respuestas de los sistemas diseñados.
Otra característica importante es que permiten el estudio de productos, equipos y/o procesos existentes, lo que conlleva a las empresas a mejorar sus actividades al aplicar esta tecnología en distintos ámbitos, tales como: mantenimiento, procesos de fabricación, análisis de fallas, investigación, optimización y mejora de productos.
En la figura 2 se muestra un diagrama con las diferencias entre las etapas del ciclo de diseño clásico y ciclo de diseño el asistido por computador. Con el uso de estas tecnologías se pueden desarrollar prototipos virtuales y evaluar distintos escenarios, gracias a lo cual es posible un ahorro significativo de tiempo y dinero.
En el caso de la dinámica de fluidos computacional, se puede estudiar el comportamiento de un fluido incluyendo todas sus características físico-químicas reales, permitiendo a los ingenieros evaluar el comportamiento de sus diseños antes de ser construidos, y sin la necesidad de costosos experimentos. Por mencionar algunos ejemplos, con apoyo del CFD se pueden realizar estudios aerodinámicos para evaluar el comportamiento del flujo externo sobre vehículos y aeronaves (ver figura 3). El estudio proporciona valores como coeficientes de arrastre y sustentación, perfiles de presiones, perfiles de velocidad, etc. De igual forma en otro ramo industrial, en la simulación de turbomáquinas se puede evaluar la eficiencia de consumo de estos equipos y sus curvas de operación (ver figura 4).
Como hemos visto, todas las simulaciones computacionales se pueden llevar a cabo si se ejecutan de forma adecuada cada una de sus tres etapas fundamentales, tanto en aplicaciones FEA o CFD. Existen una gama de estudios muy variados en otras físicas que no fueron mencionadas, como por ejemplo estudios electromagnéticos de alta y baja frecuencia. En todo caso, esta publicación buscar dar información adicional a todos aquellos técnicos y especialistas en áreas de diseño sobre los beneficios técnicos, económicos y de tiempo cuando se implementan las herramientas de simulación en los ciclos convencionales de diseño.
En próximas publicaciones haremos énfasis en conocer sobre las capacidades y aplicaciones específicos de los software ANSYS Mechanical y ANSYS CFD, herramientas líder en el mundo de las simulación computacional para ingeniería y que hoy día son representadas por SEMCO CAD para el mercado peruano.
Si deseas más información sobre ANSYS - Visita nuestra página de SEMCO Perú
No hay comentarios