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Simulación de procesos

Enviado por super_sayan_z




1. Introducción
2. Base del Método de los Elemento Finitos

4. Estructura y funciones de un programa de elementos fínitos
5. Aplicaciones del autor
6. Bibliografía.

1. Introducción

La simulación de procesos es una de las mas grandes herramientas de la ingeniería industrial, la cual se utilaza para representar un proceso mediante otro que lo hace mucho mas simple e intendible. Esta simulación es en algunos casos casi indispensable, como nos daremos cuenta a continuación. En otros casos no lo es tanto, pero sin este procedimiento se hace mas complicado .

Simulación

La simulación es la representación de un proceso o fenómeno mediante otro mas simple, que permite analizar sus características; Pero la simulación no es solo eso también es algo muy cotidiano, hoy en día, puede ser desde la simulación de un examen, que le hace la maestra a su alumno para un examen del ministerio, la producción de textiles, alimentos, juguetes, construcción de infraestructuras por medio de maquetas, hasta el entrenamiento virtual de los pilotos de combate.

Las aplicaciones recreativas, hoy muy extendidas y mejoradas principalmente por los adelantos en este campo, están especialmente diseñadas para crear un pasatiempo que logre sacar de la rutina al ser humano, y que el mejor de los casos de otro modo seria impracticable debido a su costo. Estas consisten en crear ambientes y decorados artificiales con sonido en algunos casos, que logran una perfecta simulación de cualquier tipo de contenido, creando el pasatiempo perfecto

Uno de los principales proyectos futuristas de la simulación aunque muy costoso, es en el campo de las minosvalias físicas, ya que su diseño tendría que incluir, sobre todo en el campo de los invidentes, unos censores especiales, que adaptados, conseguirían una visión simulada del terreno permitiendo dotar de visión (en este caso) a esas personas, incluso en algunos casos, dotar de facultades superiores a las humanas médiate esta realidad simulada real al mismo tiempo.

Otro factor que ayudaría a estas personas minusválidas el entrenamiento de médicos, en el cual se utiliza una estación que recibe datos de las herramientas que maneja el medico, iguales a las que utilizara el medico en una operación real, para procesarlos y generar una imagen foto realista en un monitor de forma que nada lo distinga de una operación real. Este sistema tiene, un gran interés ya que es mas barato formar futuros especialistas de esta manera que con operaciones reales , además de permitir que muchas mas personas aprendan o mejoren sus habilidades ya que solamente es cuestión de adquirir mas maquinas que puedan funcionar con turnos mucho mas flexibles que las operaciones reales.

Uno de los proyectos más interesantes de la simulación virtual de sistemas esta relacionado con la composición musical, que además es una afición particular de las personas en nuestros días. Mediante un banco de datos, se ejerce el control de un o varios teclados al mismo tiempo, este control se integra con un programa de creacin musical que automatiza la generación de acordes, pero con una gran ventaja, ya que el control se realiza de una forma mucho más intuitiva, puesto que los sonidos van variando a medida que se va moviendo el guante en el espacio. Aquí es donde radica una de las ventajas de la realidad virtual, esto es, la posibilidad de suavizar el interfaz entre el usuario y la aplicación, un sintetizador en este caso, para que pueda extraer el mayor potencial sin que la forma de manejarlo sea un obstáculo.

Simulación numérica. El método de los Elementos Finitos

Las grandes del mercado han obligado en los últimos años a implantar en las empresas todas aquellas tecnologías que puedan a hacer realidad los tres grandes objetivos del diseño moderno:
Diseñar para conseguir para una fabricación a un costo competitivo.
Diseñar en orden la utilización real en servicio.
Diseñar bien al primer intento.

En este sentido la introducción del C.A.D. (computer aided Design) esta ya representando un grave avance en la etapa del diseño conceptual de nuevos productos. Por contra, el C.A.E. se encuentra en ana etapa de mucho mas primaria. sin embargo la verdadera reducción del bucle diseño-desarrollo se produce cuando ambas técnicas actúan conjuntamente. La primera para definir el producto y la segunda para simular su comportamiento en las condiciones de servicio, Solo la conjunción de ambas técnicas hacen posible que hacen alcanzar los tres objetivos antes mencionados.

La gran evolución de los métodos informáticos tanto en su aspecto de hardware como software, ha permitido afrontar la resolución de complejos físicos matemáticos cuya resolución analítica resultaría prácticamente imposible. De hecho muchos de dichos problemas hace ya años que están planteados, solo falta un medio adecuado para la obtención de resultados prácticos. Así pues la simulación intenta reproducir la realidad a partir de resolución numérica mediante ordenador, de las ecuaciones matemáticas que describen dicha realidad. Por lo tanto hay que asumir que la simulación es tan exactas como sea las ecuaciones de partida y la capacidad de los ordenadores para resolverlas, lo cual fija limites a su utilización.

Mediante la simulación numérica es posible generar sólidos de aspectos casi real, comprobar su comportamiento bajo diversas condiciones de trabajo, estudiar el movimiento conjunto de grupos de sólidos , etc. Esto permite un conocimiento mucho mas profundo de un producto antes de que exista físicamente, siendo posible detectar muchos de los problemas que de otro modo se hubieran detectado en el servicio real.

El método de los elementos finitos es una de las mas importantes técnicas de simulación y seguramente la mas utilizada en las aplicaciones industriales. Aunque su utilización es extensible a multitud de problemas de física, a continuación expongo algunas aplicaciones del campo mecánico.


2. Base del Método de los Elemento Finitos

Las aplicaciones practicas de la mecánica del sólido deformante pueden agruparse en dos grandes familias : La de los problemas asociados con sistemas discretos y la de los problemas asociados a sistemas continuos : En los primeros sistemas se analizar esta dividido de forma natural, en elementos claramente definidos .En el caso, por ejemplo, el análisis de estructura de un edificio en la que cada viga constituye una entidad aislada bien definida. En los segundos el sistema no puede ser dividido en forma natural en unidades simples, por lo que su análisis resulta mucho mas complejo.

Por lo que se hace referencia al calculo estructural, el método de elementos finitos (M.E.F.) puede ser entendido como una generalización de estructuras al análisis de sistemas continuos. El principio del método consiste la reducción del problema con infinitos grados de libertad, en un problema finito en el que intervenga un numero finito de variables asociadas a ciertos puntos característicos (modos). Las incógnitas del problema dejan de ser funciones matemáticas del problema cuando, para pasar a ser los valores de dichas funciones en un numero infinito de puntos. En realidad no se trata de nada nuevo. El calculo de estructuras se efectúa también restringiendo el análisis corrimientos de los nudos de unión. La diferencia estriba en que el análisis del continuo, la segmentación en elementos y la correcta posición de los modos es, hasta cierto punto, arbitraria.

Así pues en el M.E.F. se supone que el comportamiento mecánico de cada parte o elemento, en los que se subdivide queda definido por un numero finito de parámetros (grados de libertad) asociados al los puntos que en dicho momento se une al resto de los elementos de su entorno (modos). Para definir el comportamiento en el interior de cada elemento se supone que dentro del mismo, todo queda perfectamente definido a partir de lo que sucede en los modos a través de una adecuada función de interpolación.

Como puede apreciarse lo dicho, en el método de los elementos finitos son casi esenciales los conceptos de "discretizacion" o acción de transformar la realidad de la naturaleza continua en un modelo discreto aproximado y de "interpolación", o acción de aproximar los valores de una función a partir de su conocimiento en un numero discreto de puntos. Por lo tanto el M.E.F. es un método aproximado desde múltiples perspectivas.

a) Discretizacion.
b) Interpolación.
c) Utilización de métodos numéricos.

Esta presentación aproximada de la realidad en forma de un modelo numérico permite la resolución del problema. Los diversos coeficientes del modelo son automáticamente calculados por el ordenador a partir de la geometría y propiedades físicas de cada elemento. Sin embargo queda en manos del usuario decir hasta que punto la discretizacion utilizada en el modelo representa adecuadamente el modelo de la estructura.

La discretizacion correcta depende de diversos factores como son el tipo de información que se desea extraer del modelo o tipo de solicitación aplicada.

Actualmente el método de los elementos finitos ha sido generalizado hasta constituir un potente método de calculo numérico, capas de resolver cualquier problema de la física formulable como un sistema de ecuaciones, abarcando los problemas de la mecánica de fluidos, de la transferencia de calor, del magnetismo, etc.

3. ¿ Para que sirven los Elementos Finitos (M.E.F.)?

A pesar de su carácter aproximado, el M.E.F. (método aproximado desde múltiple perspectivas: Discreción, Interpolación, Utilización de métodos numéricos.) es una herramienta muy útil que permite realizar una gran cantidad de análisis en componentes y estructuras complejos, difícilmente por los método analíticos clásicos .

4. Estructura y funciones de un programa de elementos fínitos

Como pueden imaginarse después de lo expuesto, un programa de elementos fínitos es una pieza compleja de software en la que confluyen numerosas operaciones, Por este motivo suelen estar divididos en subsecciones, cada una de las cuales efectúan una operación determinada. Sin embargo, el tema no se limita al puro calculo. La preparación de los datos y el análisis e los resultados numéricos que aparecen como producto del calculo, son tareas arduas que actualmente se tienden a integra a su propio software. Así pues, un paquete de calculo de elementos finitos consta de un procesador, en el cual se incluyen todas la ayudas a la preparación de los datos y que generan los archivos de resultados, y un postprocesados que facilita el análisis e interpretación de los resultados, generalmente en forma de grafica mediante trazado de curvas, gráficos tridimensionales, tablas, etc.

Pueden realizarse, entre otros, los siguientes tipos de análisis:
El análisis estático permite la determinación de los componentes de los modos por efecto de una solicitación estática y, en una segunda fase, la determinación del estado en ciertos puntos característicos de cada elemento.

Este tipo de análisis permite acotar la deformación del componente de estudio y localizar zonas altamente solicitadas o zonas de solicitación baja, según que el interés resida en evaluar la resistencia estática o en eliminar material.

El análisis dinámico puede ser de cualquiera de los tres tipos siguientes
a) Cálculo de las frecuencias y modos propios de vibración.
La vibración libre de un cuerpo elástico se realiza en frecuencia y tomando formas que le son caracteristicas, denominadas frecuencias y modos propios de vibración.

El análisis de modos y frecuencias propias de vibración se realiza con el objetivo de conocer mejor el comportamiento dinámico del componente o estructura y determinar posibles ares de conflicto, como por ejemplo la generación de resonancia.

b) Cálculo de la respuesta en función del sistema.
Este tipo de análisis tipo de análisis permite determinar la respuesta vibratoria y tencional de una estructura cuando es excitada mediante una carga senoidal periódica amplitud y frecuencia variable. De este modo es posible explorar la presencia de los diversos modos de vibración en el rango de frecuencias de interés a fin de determinar su importancia relativa.

c) Cálculo e respuesta a una solicitación transitoria
En este tipo de análisis se pretende simular el efecto de una secuencia de carga real sobre la estructura, incorporando los efectos dinámicos.

Transferencia de calor: puede abordarse problemas de conducción, convección o radiación, en régimen estacionario o estacionario. Los resultados son básicamente las distribuciones de temperatura y lo fluidos de calor.

Mecánica de fluidos: Pueden ser problemas en el régimen laminar o turbulento, estacionario, transitorios. Los resultados son básicamente las distribuciones de presión y velocidad.

Si es preciso, puede incorporarse el efecto de análisis de fluidos.

Electromagnetismo: Pueden tratarse problemas relacionados con los campos y las ondas electromagnéticas. Los resultados son básicamente los campos eléctrico y magnético, las distribuciones de potencial, las corrientes, los fluidos magnéticos, etc.

La mayoría de estos casos se analizan antes de la primera elaboración del producto, con el fin de prevenir problemas futuros, que pudiera hasta manifestarse cuando el producto se encuentre en funcionamiento o en las manos del mismo usuario.

Como mencionaba en el inicio la simulación no solo se da en el campo de la industria, medicina, entretenimiento. También se da en campos como la arquitectura y el entrenamiento militar.

La simulación de estructuras otra de las aplicaciones tanto en el diseño , como comercialmente, son los diseños virtuales con simulación perfecta de estructuras externas e internas que ayudan al arquitecto a crear el edificio, valorando los espacios muertos y las memorias de calidad de su proyecto, así como es igualmente aplicable para fines comerciales, aunque eso si quizás demasiado costoso por el momento para este ultimo, ya que la simulación virtual requiere potentes maquinas y periféricos para ser tan perfecta para recibir este nombre.

En el entrenamiento militar táctico y militar terrestre, sobre todo en norteamérica, grupos especializados de asalto, y grupos militares especializados en ese campo, virtualmente usan entrenamientos simulados virtualmente preparados, usan entrenamientos simulados virtualmente ambientados de modo impresionante donde se le obliga al soldado a responder y actuar en situaciones criticas del modo correcto, preparándole a actuar en segundos e incluso en décimas de segundo en estas situaciones. Estas situaciones son creadas y ambientada de modo diferente a las anteriormente sitadas, ya que esta realidad virtual se provee de panorámicas y escenarios montados previamente, y con sonido realista dependiendo de la situación en la que se quiera entrenar al soldado, pero es, como un entrenamiento simulado, un entrenamiento virtual.

Los entrenamientos de los pilotos de guerra. Una d3e las aplicaciones mas populares, es el entrenamiento de pilotos mediante técnicas de realidad virtual o simuladas para responder ante situaciones ya sean peligrosas o de pura practica de vuelo que podrían costar vidas y materiales muy costosos; se mutilan plataformas enteras de simulación en la que piloto es envolvido por factores muy importantes de vuelo en los que se el que comanda el aeroplano debe reaccionar según el entorno que se le presente en la practica virtual, de esta forma se preparan para una misión, o una guerra.

El entrenamiento de pilotos especiales al igual que el caso anterior, pero en este caso con costos más astronómicos como su nombre lo indica y con presiones virtuales mas elevadas a los cadetes, el entrenamiento especial simulado incluyendo en este caso presiones atmosféricas y gravedades simuladas, esta en los principales usos demostradamente excelentes para programas espaciales y de formación en los que una ves mas de otro modo no podrían ni plantearse.

Las aplicaciones del entrenamiento submarino como su nombre lo indica, es un tipo de entrenamiento esencialmente simulado para un mudo en el que la presión es algo mas esencial quizás que en los otros simuladores tratados anteriormente, ya que nos estamos refiriendo a los submarinos de combate, donde el control preciso de presiones, motores, periscopios,… y demás componentes es algo realmente vital para la tremenda perdida que supondría efectuar practicas de este tipo en el mar abierto.

La simulación en todos estos campos, tiene algo en común, que es la creación de un mundo irreal, pero muy real para la personas que diariamente dependen de su existencia, en campos como la calidad industrial, la medicina, le entrenamiento, los juegos, etc. Gracias a la simulación de procesos nuestro mundo real es mejor.

5. Aplicaciones del autor

La simulación de un hecho real o de un proceso por medio de otro proceso mas simple que analiza sus características, es una muy practica herramienta de la ingeniería de las mas conocidas es el método de elementos finitos, el cual se ayuda con la matemática y la física para explicar procesos, como por ejemplo una fabrica que produzca campanas, el método de simulación de elementos finitos, se emplearía de analizar la resonancia de la campana y de los materiales que la componen y determinar si son los mas aptos para esto, o la forma que deben tener para este proceso, para una mayor calidad en las campanas.

La simulación de procesos , según mi opinión personal ha sido desarrollada con una mejor visión en pro del ser humano, en el ámbito de salud, ya que, permite el estudio, preparación, y la evaluación de los futuros médicos.

Esto permite y permitirá a corto plazo una mejor practica de la medicina las operaciones, ya que un estudiante del tema o un doctor, puede practicar una operación o medicar algún remedio por medio de un sistema de procesos que le simularan condiciones reales, en un plano irreal, en el cual si se equivoca no le ocasionara ningún mal a nadie.

Siguiendo en el ámbito de la salud, muchas personas discapacitadas son beneficiadas, con maquinas que simulan, y hasta toman el lugar de algún miembro del cuerpo, pero por desgracia mucha de esta tecnología no esta al alcance de toda la gente, este es el gran contra del desarrollo de estos sistemas de simulación en el campo de la medicina actual

La simulación de sistemas mas popular es la simuladores vuelo, combate, etc. Esto en un campo de juegos, mediante software, que están programados para brindarle al usuario del juego, una sensación de la realidad , como si fueran ellos mismos los que estuvieran en una misión real . Estos juegos son muy populares en los llamado play station , los cuales producen muchos de estos, ya que le llama mucho la atención a las personas.

Otra de las aplicaciones de la simulación, en el entretenimiento es la de software de reproducción musical pero en una forma mas cómoda, conocida como música en mp3, la cual compacta las canciones de manera que se puedan ser reproducidas por hardware simple, en un computador común y corriente, con una tarjeta de sonido o sound blaster.

Las maquetas son la representación a escala de una casa, la simulación del proceso será la maqueta ya que en ella se establecerán los detalles del producto final que será la casa. Entonces el arquitecto podría estudiar la maqueta, a manera de ser casi la casa, de esta forma se puede dar cuenta de los futuros problemas que podría experimentar la casa, y de prevenirlos, antes empezar ha construirla.


6. Bibliografía.

www.imp.mx http://www.imp.mx
www.stmecanica.com http://www.stmecanica.com
www.adoble.com http://www.adoble.com
Consultas por correo electrónico.

 

 

Autor:


Wady Vado Alfaro


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