El diseño de un producto (o de un proceso) implica un ciclo iterativo en el que se parte de un prototipo inicial que se va afinando a medida que se obtiene información relacionada tanto con el producto como con el proceso de fabricación. En el pasado, este ciclo se realizaba sólo de manera empírica por lo que, aún cuando se encontraran ventanas de diseño de producto o de operación de proceso, se generaba muy poco conocimiento. La metodología empírica puede ser muy costosa y consumir mucho tiempo, además de que no permite que un equipo de trabajo interactúe fácilmente.

 

Es así que hoy en día, la ingeniería virtual representa un modelo de trabajo revolucionario y poderoso en todos los campos de la ingeniería (del diseño de un automóvil a la fabricación de máquinas microscópicas) ya que modifica la filosofía de trabajo y acorta drásticamente los tiempos del ciclo iterativo de diseño permitiendo reducir significativamente el tiempo de desarrollo de producto.

 

La ingeniería virtual es ingeniería asistida por computadora. Se apoya en un conjunto de programas informáticos que permite integrar modelos geométricos computacionales y herramientas basadas en métodos numéricos para analizar, simular y optimizar diseños de componentes, equipos y/o ensambles para valorar sus características, propiedades, viabilidad y rentabilidad con el objetivo final de tomar decisiones eficazmente. Su finalidad es optimizar el desarrollo del producto y sus consecuentes costos de fabricación, reduciendo al máximo las pruebas físicas necesarias para la puesta a punto tanto del diseño como del proceso de fabricación. Un gran beneficio de la ingeniería virtual radica en que permite puntos de entrada simultáneos para que los ingenieros en un equipo de trabajo interactúen a todo lo largo de la cadena de producción. Así, un propósito clave de la ingeniería virtual es engranar la capacidad humana de la empresa para realizar evaluaciones complejas.

 

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En el pasado, el trabajo de Ingeniería se basaba en realizar cálculos basados en modelos matemáticos muy simplificados – sino es que incluso sólo en trabajo empírico. Sin embargo, hoy en día es cada vez más necesario que los modelos matemáticos desarrollados para simular, ya sea un proceso industrial o bien el comportamiento de un producto durante su vida útil, se aproximen lo más posible a la realidad. Así surge el concepto de simulación realista como aquella que utiliza modelos matemáticos que incluyen muy pocas simplificaciones. La implantación de la simulación realista en el entorno productivo genera un conocimiento mucho más profundo y amplio del comportamiento del sistema por lo que permite determinar con mayor rapidez las causas de los problemas que ocurren en un proceso ya implantado así como anticipar las razones por las que un diseño podría no funcionar como se espera. La simulación realista es entonces la base sobre la que descansa la ingeniería virtual contemporánea.

Para que una simulación realista impacte en la ingeniería virtual es necesario que sea flexible en cuanto al objetivo y alcance del análisis así como que pueda ser manipulada por ingenieros con diversos grados de preparación en el campo de la modelación matemática y simulación computacional. Esto último requiere de desarrollos de software que puedan ser fácilmente escalables.

 

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Los modelos matemáticos son representaciones del comportamiento de un producto o un proceso en forma de ecuaciones gobernantes (expresadas como ecuaciones algebraicas, diferenciales o integrales). La simulación realista se basa en modelos matemáticos que contienen muy pocas simplificaciones, lo que da origen a ecuaciones gobernantes no lineales. Debido a esto es que no es posible resolver a dichas ecuaciones mediante métodos analíticos sino que debe recurrirse a métodos numéricos. Estos se basan en aproximaciones que permiten transformar a la ecuación gobernante en un conjunto de ecuaciones algebraicas que deben linealizarse antes de ser resueltas.

 

Una solución analítica supone que los campos de interés son continuos en todo el sistema, por lo que esencialmente existe un número infinito de posiciones y tiempos para los que se tiene un valor de la respuesta del sistema. En contraparte, una solución numérica solo genera valores de la respuesta del sistema en un número finito de puntos denominados nodos. En cada nodo se puede tener el valor de uno o más campos de interés. Al producto del número de nodos por el número de campos calculados en cada nodo se le conoce como grados de libertad del sistema.

 

Uno de los métodos numéricos de solución de ecuaciones gobernantes más conocido es el método de elementos finitos, que a su vez ha dado origen a la metodología de Análisis por Elementos Finitos (FEA por sus siglas en inglés). Este método se basa en dos niveles de discretización: primero, el sistema se divide en un número finito de sub-volúmenes denominados elementos; luego, la ecuación gobernante se discretiza (utilizando métodos ya sea de residuo pesado o variacionales) para cada elemento, con lo que se generan las llamadas ecuaciones del elemento. Estas ecuaciones tienen la forma de un conjunto de ecuaciones lineales algebraicas que, finalmente, se ensamblan para dar origen a las ecuaciones del sistema (que a su vez son también un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales), las cuáles se resuelven para obtener la respuesta del sistema en las posiciones nodales. Estos resultados pueden aún refinarse operando sobre los resultados del paso previo. La versatilidad del método de elementos finitos reside en que se pueden utilizar elementos de muy diversas formas (lineales, triangulares, etc.) para capturar el detalle de la geometría del sistema. Con el software disponible hoy en día, una región que se haya discretizado (mallado) con un tipo o tamaño de elementos puede fácilmente unirse a una región contigua que tenga una discretización espacial diferente.

 

Adicionalmente, el método de elementos finitos ha sido desarrollado para incorporar efectos de no linealidad con relativa facilidad. Es así que paquetes comerciales como Abaqus (el software líder en el ramo) permiten incorporar en los modelos matemáticos a materiales de comportamiento mecánico altamente no lineal. Igualmente, es posible simular efectos de contacto entre diversas superficies o bien predecir el crecimiento de una grieta.

 

En términos generales, la respuesta de los sistemas de interés puede simularse tanto en condiciones estáticas (o dinámicas de baja velocidad) o bien en condiciones dinámicas. Finalmente, es posible desarrollar modelos basados en el método de elementos finitos para capturar los efectos de las interacciones entre fluidos y estructuras.

 

Debido a la capacidad del FEA para incluir no linealidades tanto geométricas como asociadas con las ecuaciones constitutivas del sistema, así como el manejo de geometrías complejas incluso en 3D, es que es una de las herramientas de análisis más utilizadas para realizar simulación realista. Además, la formulación del FEA permite tratar una amplia variedad de aplicaciones, en las que es fundamental determinar campos como el térmico, de concentración, electromagnético, eléctrico, de desplazamiento, de deformaciones y de esfuerzos. Estos campos pueden calcularse tanto de manera independiente como de forma acoplada y pueden considerarse en estado estacionario o no estacionario.

 

El FEA permite la construcción de diseños enteros, su refinación y la optimización de éstos antes de que el diseño sea manufacturado. Esta poderosa herramienta de diseño ha mejorado en gran forma tanto los estándares de diseño en ingeniería como la metrología del proceso del diseño en muchas aplicaciones industriales. La introducción del análisis de elementos finitos ha reducido el tiempo que se toma para llevar productos desde el concepto hasta la línea de producción. A través de la mejora de diseños de prototipos iniciales usando el FEA se han acelerado, principalmente, las pruebas y el desarrollo. En resumen, los beneficios del FEA son:

 

• Alta precisión
• Diseño mejorado
• Mejor percepción de los parámetros críticos de diseño, prototipos virtuales y menos prototipos de hardware
• Ciclo de diseño más rápido y económico
• Alza en la productividad y en las ganancias

 

El FEA es una industria creciente en el análisis de diseño de productos y desarrollos en ingeniería. Su uso como una herramienta de ingeniería de manera habitual está creciendo rápidamente. Los avances en el poder de procesamiento de las computadoras, del FEA y del software de modelado ha permitido la continua integración de FEA en los campos de ingeniería en diseño de productos y desarrollo.

 

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