01 May Los 3 errores más comunes al realizar un análisis FEA

El análisis por elementos finitos (FEA) es una de las herramientas más utilizadas en ingeniería para evaluar el comportamiento estructural de componentes, equipos y estructuras antes de su fabricación.
Sin embargo, obtener un mapa de colores, una deformación determinada o un valor máximo de esfuerzo no significa necesariamente que el análisis sea correcto.
Una simulación estructural FEA puede entregar resultados numéricos aparentemente coherentes y, aun así, representar incorrectamente las condiciones reales de funcionamiento de una estructura.
Por esta razón, al desarrollar un análisis por elementos finitos no solo es importante conocer el software utilizado, sino también comprender correctamente cómo trabaja la estructura, cómo recibe las cargas y cómo se encuentra apoyada o conectada.
A continuación revisamos 3 errores comunes al realizar un análisis FEA que pueden afectar significativamente los resultados obtenidos.

Error 1: representar incorrectamente los apoyos y restricciones

En un análisis FEA, los apoyos y restricciones deben representar de la mejor manera posible cómo la estructura estará realmente instalada, apoyada o conectada.
Uno de los errores habituales es fijar completamente una zona del modelo cuando, en la realidad, esta puede presentar ciertos grados de movimiento, como una pequeña rotación, deslizamiento o deformación.
Esto puede provocar que el modelo se comporte de manera artificialmente más rígida, modificando la distribución de esfuerzos y disminuyendo los desplazamientos calculados.
También puede ocurrir la situación contraria: permitir movimientos que en la estructura real estarían restringidos mediante pernos, soldaduras, apoyos, contactos u otros componentes.
Por ejemplo, una estructura apoyada sobre una superficie no necesariamente debe modelarse como completamente empotrada. Dependiendo del sistema real, puede existir deslizamiento, rotación o separación entre componentes.
Antes de definir las restricciones de un modelo es importante preguntarse:

¿Qué movimientos puede realizar realmente la estructura y cuáles se encuentran impedidos?
Comprender correctamente estas condiciones permite representar de mejor forma la transmisión de cargas y el comportamiento estructural del sistema.

Error 2: aplicar incorrectamente las cargas

Otro error habitual es representar de forma demasiado simplificada cómo una carga llega realmente a la estructura.
Dependiendo del problema analizado, una carga puede manifestarse como:

• Fuerza distribuida.
• Presión.
• Peso propio.
• Carga puntual.
• Momento.
• Carga transmitida mediante pernos.
• Cargas generadas mediante apoyos o contactos.
• Fuerzas producidas por cilindros, actuadores u otros componentes.

Aplicar toda una fuerza sobre un pequeño punto o superficie cuando, en realidad, esta se distribuye sobre una zona mayor puede generar concentraciones de esfuerzo artificiales.

Del mismo modo, la dirección de la carga, su ubicación y la forma en que esta se transmite hacia la estructura pueden modificar significativamente los resultados.

Un ejemplo frecuente ocurre cuando una fuerza proveniente de un cilindro hidráulico, un perno o un componente mecánico se aplica directamente sobre una pequeña superficie sin representar correctamente el área de contacto o el mecanismo mediante el cual dicha fuerza es transmitida.
Además, es necesario considerar las diferentes condiciones de operación del equipo. Una misma estructura puede experimentar escenarios de carga muy distintos dependiendo de su posición, orientación, movimiento o condición de trabajo.
Antes de ingresar una fuerza al software debemos preguntarnos:

¿Cómo llega realmente esta carga a la estructura?

La correcta representación de las cargas es uno de los factores más importantes para obtener resultados que puedan relacionarse con el comportamiento real del sistema.

Error 3: no verificar la calidad y convergencia del mallado

En muchos métodos de análisis por elementos finitos, la geometría es dividida en pequeños elementos que permiten resolver numéricamente el comportamiento estructural del modelo.

Este proceso es conocido como mallado o discretización.

Un mallado demasiado grueso puede no representar adecuadamente zonas donde existen cambios importantes en la distribución de esfuerzos, especialmente alrededor de:

• Perforaciones.
• Cambios de sección.
• Radios y cambios geométricos.
• Uniones.
• Contactos.
• Soldaduras.
• Uniones apernadas.
• Zonas donde se aplican cargas o restricciones.

En estos sectores pueden existir importantes gradientes de esfuerzo, por lo que normalmente requieren un mayor nivel de refinamiento.

Sin embargo, utilizar una malla extremadamente fina en todo el modelo tampoco significa necesariamente obtener un análisis mejor. Esto puede aumentar considerablemente el tiempo de cálculo sin producir mejoras significativas en los resultados.
El objetivo es encontrar un equilibrio entre precisión, estabilidad del resultado y costo computacional, refinando principalmente aquellas zonas donde el comportamiento estructural requiere un mayor nivel de detalle.

Cuando un resultado es crítico para el diseño, también es recomendable realizar una verificación de convergencia.
Esto consiste, de manera simplificada, en aumentar progresivamente el nivel de refinamiento del modelo y verificar que los resultados relevantes no cambien significativamente.

Si al refinar el análisis los resultados continúan variando considerablemente, puede ser necesario revisar el mallado, la geometría, las cargas, restricciones o incluso la presencia de concentraciones y singularidades numéricas.

Un análisis FEA es mucho más que obtener un mapa de colores

El software es solamente una herramienta dentro del proceso de análisis.
La calidad de un análisis estructural mediante elementos finitos depende principalmente de las decisiones tomadas durante la construcción del modelo:

• Las cargas consideradas.
• Las condiciones de apoyo.
• Las restricciones.
• Los contactos entre componentes.
• Las propiedades de los materiales.
• La discretización o mallado.
• Los escenarios de operación considerados.
• La interpretación de los resultados.

Un modelo puede resolver correctamente las ecuaciones planteadas por el software y, aun así, entregar una respuesta que no represente adecuadamente la realidad si las condiciones iniciales fueron definidas incorrectamente.
Por esta razón, uno de los aspectos más importantes del análisis FEA es desarrollar un modelo numérico que represente de manera razonable el comportamiento físico de la estructura.