Altair Simsolid y la simulación sin malla

Sin embargo, cualquiera que trabaje con un software de modelado por elementos finitos sabe cuánto tiempo requiere la creación de la malla: simplificación e idealización de la geometría, eliminación de detalles no funcionales para el análisis, definición de los contactos entre las piezas y verificación de la calidad de los elementos. Estas operaciones son un paso crucial para el éxito del análisis, pero a menudo representan el verdadero cuello de botella de todo el proceso.

Altair Simsolid nace precisamente para superar esta limitación, introduciendo una tecnología “meshless” que permite realizar los cálculos directamente sobre la geometría CAD, sin necesidad de generar una malla tradicional.

Simsolid es el resultado de la visión de Ken Welch y Vitaly Okhonin, dos pioneros de la simulación numérica.

La primera versión del software se lanzó en 2015, con el objetivo de desarrollar un enfoque matemático capaz de eliminar la dependencia de la malla.

En 2018, la tecnología fue adquirida por Altair Engineering, que la integró en la plataforma Altair Inspire, poniéndola a disposición de un número cada vez mayor de diseñadores y analistas.

Hoy, Simsolid representa una de las innovaciones más significativas del panorama CAE, capaz de transformar radicalmente la forma de abordar la simulación estructural.

Contrariamente a lo que se podría pensar, “sin malla” no significa “sin discretización”. Simsolid utiliza una discretización volumétrica adaptativa que no requiere la creación de una malla regular de elementos finitos.

En lugar de definir nodos y conectividades, el software divide la geometría CAD en regiones de soporte volumétricas, superficiales y lineales, sobre las que se construyen funciones de aproximación. Estas funciones describen el comportamiento elástico de la estructura y se adaptan automáticamente en las zonas donde se requiere una mayor precisión.

El resultado es un enfoque que no depende de la calidad de la malla y no requiere modificaciones de la geometría CAD original. Incluso los modelos complejos, con radios pequeños, roscas, orificios o detalles constructivos, pueden analizarse directamente, sin necesidad de realizar operaciones de “CAD cleaning”.

El solver de Simsolid es además iterativo y adaptativo: en áreas con elevada concentración de tensiones, el software introduce automáticamente grados de libertad adicionales, mejorando progresivamente la calidad de la solución.

La primera ventaja evidente es la rapidez de construcción del modelo. Los análisis que con un código FEA convencional requerirían horas de modelado pueden completarse en minutos o incluso segundos.

Pero no se trata únicamente del tiempo ahorrado durante la fase de modelado FEM. La tecnología meshless de Simsolid ofrece además otros beneficios:

• Análisis directo sobre CAD: sin simplificaciones, sin idealizaciones y sin defeaturing.
• Ensamblajes complejos: cientos de piezas, soldaduras y uniones atornilladas gestionadas automáticamente.
• Conexiones inteligentes: reconocimiento automático de contactos y uniones.
• Precisión validada: estudios de NAFEMS y pruebas independientes muestran desviaciones de pocos puntos porcentuales con respecto a los solvers FEA tradicionales.
• Iteraciones rápidas: posibilidad de explorar múltiples alternativas de diseño en el mismo tiempo que requiere un único análisis convencional.

A modo de ejemplo, a continuación se muestra el modelo de un pequeño ensamblaje formado por vigas fabricadas con chapas plegadas, conectadas entre sí mediante tornillos. El modelo se ha analizado tanto con el software de modelado FEM Simcenter Femap y el solver Simcenter Nastran, como con Altair SimSolid.

Dado que la geometría se presta a diferentes enfoques de modelado, el análisis FEM “tradicional” se realizó utilizando 3 mallas diferentes:

• Elementos Tetra10, malla creada automáticamente imponiendo 2 elementos a través del espesor de las chapas. El modelo se realizó con 124k nodos y 243k elementos.
• Elementos Hexa8, particionando los cuerpos en geometrías simples y utilizando el Hexa-Mesher de Femap. También en este caso se modelaron 2 elementos a través del espesor. El modelo se realizó con 34k nodos y 54k elementos.
• Elementos Quad4, extrayendo el plano medio de las chapas mediante el comando Midsurface de Femap. El modelo se realizó con 16k nodos y 17k elementos.

En los tres casos anteriores, los tornillos pretensados se modelaron como elementos Beam, conectados al resto del modelo mediante elementos RBE2. La preparación de la geometría para conectar los tornillos y su posterior modelado representaron, en los tres casos, una de las fases que más tiempo requirió.

Aplicando a los distintos modelos las mismas condiciones de contorno (restricciones, carga y pretensado de los tornillos), se obtienen los siguientes resultados en términos de deformación máxima de la estructura.

Como se puede observar, los resultados de Simsolid están en línea con los obtenidos con los dos modelos realizados con elementos sólidos, mientras que el modelo realizado con elementos Shell presenta una rigidez ligeramente mayor. Esto puede explicarse por el hecho de que el elemento Shell de Nastran no es capaz, de forma intrínseca, de considerar estados de deformación y tensión que varían a través del espesor. En la zona de los tornillos, el pretensado introduce un estado de tensión que tiende a comprimir localmente la chapa, y este efecto no puede ser capturado por los elementos Shell, lo que da lugar a un resultado ligeramente aproximado.

Por lo tanto, se puede afirmar que el método meshless permite un workflow de análisis considerablemente más rápido, pero estas simplificaciones no afectan a la precisión de los resultados.

En este sentido, en Internet pueden encontrarse numerosas comparativas entre los resultados obtenidos con el solver meshless de SimSolid y los obtenidos con solvers tradicionales. Entre ellas, podemos citar tanto documentos de carácter más académico, como los modelos de validación desarrollados por NAFEMS, como benchmarks de carácter más comercial, como la comparativa entre Simsolid y SolidWorks Simulation.

Simsolid encuentra aplicación en diversos ámbitos:

• Automoción y maquinaria industrial, donde la rapidez es crucial para la validación de estructuras complejas con uniones soldadas o atornilladas.
• Diseño de producto, para evaluar conceptos y optimizar la geometría en tiempos reducidos.
• Arquitectura y construcción, para analizar cerchas, fachadas o estructuras metálicas complejas.
• Análisis de fatiga y vibraciones, gracias a los módulos integrados para evaluaciones SN/EN, incluso en uniones soldadas.

A pesar de su versatilidad, Simsolid todavía no es capaz de sustituir por completo el análisis FEM tradicional. Existen aplicaciones en las que su tecnología, aunque robusta y fiable en el ámbito del análisis lineal de tensiones (stress analysis), presenta algunas limitaciones.

Por ejemplo, cuando se presentan no linealidades complejas, plasticidad o análisis dinámicos transitorios, los métodos clásicos siguen siendo indispensables. Sin embargo, la combinación de ambos enfoques permite ya hoy un flujo de simulación más eficiente e iterativo, trasladando la validación numérica cada vez más hacia las primeras etapas del proceso de diseño.

Simsolid se integra fácilmente con los sistemas CAD más utilizados (SolidWorks, Inventor, Creo, NX, CATIA) y puede utilizarse tanto como aplicación standalone como formando parte de la plataforma Altair Inspire.

Muchas empresas lo adoptan como herramienta de preanálisis, filtrando rápidamente las soluciones menos prometedoras para concentrarse después únicamente en las mejores durante la fase final de validación mediante el enfoque FEM tradicional.

Este enfoque “híbrido” reduce significativamente los tiempos de desarrollo, favorece la colaboración entre diseñadores y analistas y permite lograr un mejor equilibrio entre velocidad y precisión.

En el proceso de desarrollo, la simulación suele verse ralentizada por etapas complejas como la creación y gestión de la malla.

Estos cuellos de botella pueden traducirse en plazos de desarrollo más largos, costes más elevados y menos margen para la innovación.

Durante el webinar descubriremos cómo Simsolid, el software de simulación meshless de Altair, permite eliminar estas barreras, acelerando drásticamente el análisis estructural y haciendo que la simulación sea accesible desde las primeras fases del proyecto.

Veremos casos de uso concretos y una comparación directa con los métodos tradicionales.

Mira el webinar https://webinar.smartcae.com/dalla-complessita-alla-semplicita-il-salto-meshless-simsolid/