Los fundamentos del mallado para el análisis estructural por elementos finitos.

¿Qué es el mallado?

El análisis de elementos finitos (FEA) es una representación matemática de un sistema físico que comprende una pieza/ensamblaje, propiedades del material y condiciones de contorno. En varias situaciones, el comportamiento del producto en el mundo real no se puede aproximar mediante simples cálculos manuales. Una técnica general como FEA es un método conveniente para representar comportamientos complejos mediante la captura precisa de fenómenos físicos mediante ecuaciones diferenciales parciales. FEA ha madurado y se ha democratizado para que pueda ser utilizado tanto por ingenieros de diseño como por especialistas.

El mallado es uno de los pasos más importantes para realizar una simulación precisa mediante FEA. Una malla se compone de elementos que contienen nodos (ubicaciones de coordenadas en el espacio que pueden variar según el tipo de elemento) que representan la forma de la geometría. Un solucionador FEA no puede trabajar fácilmente con formas irregulares, pero es mucho más feliz con formas comunes como cubos. La malla es el proceso de convertir formas irregulares en volúmenes más reconocibles llamados «elementos».

Antes de comenzar a mallar, primero debe cargar una geometría o un modelo CAD, por ejemplo, en Ansys Mechanical para comenzar el proceso de simulación.

Cómo preparar su CAD/Geometría para mallado

Cuando se utiliza un software de simulación FEA, como Mechanical, es importante determinar qué características de su modelo CAD deben combinarse y cuáles no. Muchas veces, la geometría CAD es muy compleja y detallada para fines de fabricación. Pero para una simulación, es posible que no necesite todos los detalles, por lo que se pueden anular partes de su geometría, lo que significa eliminar esos detalles para ahorrar tiempo.

Por ejemplo, su producto puede tener una placa de identificación adjunta. Es posible que no necesite aprender los efectos físicos de esta placa de nombre, por lo que la placa se puede anular para evitar crear una malla, lo que ahorra tiempo de mallado y resolución.

Otro aspecto importante de preparar su modelo CAD para la simulación es describir la relación entre dos o más partes en su geometría. Por ejemplo, si su geometría comparte nodos entre caras (o aristas) comunes, es importante decidir si será una malla conforme o no conforme. Una malla conformada se usa para partes unidas por pegamento o soldaduras. Una malla no conforme se usa para partes unidas por contactos o juntas. En Ansys Mechanical, puede combinar estos enfoques para satisfacer sus necesidades.

Tipos de métodos de mallado: tetraédrico frente a hexaédrico

Hay dos tipos principales de métodos de mallado. A estos efectos, nos referimos a modelos 3D:

• Mallado de elementos tetraédricos o “tet”
• Mallado de elementos hexaédricos o “hex”

Los elementos hexagonales o «ladrillos» generalmente dan como resultado resultados más precisos con recuentos de elementos más bajos que los elementos tet. Si se trata de una geometría compleja, los elementos tet pueden ser la mejor opción. Estos métodos de malla automáticos o predeterminados pueden ser suficientes para llevarlo a donde necesita ir, sin embargo, existen métodos adicionales que pueden brindarle un mayor control de la malla.

Mallado híbrido

En Mechanical, puede usar un método Multizone, que es un híbrido de elementos hexagonales y tet que le permite mallar diferentes partes de la geometría con diferentes métodos. Esto le permite realizar menos preparación de geometría y tener más mallas de control local.

Los controles de malla permiten una malla más precisa. Ansys Mechanical le permite controlar mallas locales, en lugar de una malla global que malla todo el CAD con el mismo método. Algunos ejemplos de controles de malla local incluyen el tamaño local, el refinamiento y la modificación de la esfera de influencia de la geometría. Tomemos como ejemplo el cuadro de una motocicleta. Es posible que desee aplicar un enfoque de malla general en toda la geometría, pero utilice una estrategia diferente donde se encuentran las conexiones soldadas y atornilladas. El uso de controles de malla local le permite crear una malla más refinada en estas ubicaciones y no mallar toda la pieza con elementos más pequeños, lo que llevaría más tiempo resolver.

¿Por qué es importante una malla de buena calidad?

En pocas palabras, una malla de buena calidad equivale a resultados más precisos. Una mala malla puede resultar en dificultades de convergencia, lo que puede conducir a resultados incorrectos y conclusiones falsas. La calidad de su malla depende de algunos escenarios:

• Qué tipo de análisis está realizando.
• Cuánto tiempo quieres invertir en la malla.
• Cuánto tiempo quieres invertir en resolver.

En algunos casos, puede estar buscando una solución rápida, algo que ayude a aclarar una decisión de diseño. En este caso, es posible que no desee dedicar mucho tiempo a configurar su malla. Otras veces, es posible que desee una solución o resultado muy preciso, lo que requeriría algo de tiempo y esfuerzo para configurar su malla con diferentes métodos y controles.

Una buena malla tiene un criterio de calidad que se ajusta a sus necesidades (tipo de análisis, nivel de precisión, tiempo), como la calidad de los elementos y la relación de aspecto. En última instancia, recomendamos comprender su geometría y usar controles para obtener la mejor malla posible, lo que, después de todo, conduce a un mejor diseño del producto.