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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
    moda, 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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