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.
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.
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