Creación de la malla de elementos finitos – Modelización con elementos BRICK

Por el contrario, la generación de una malla de elementos Brick es un proceso que, en muchos casos, es manual y, en cierto sentido, casi artístico. A día de hoy no existe un algoritmo que permita rellenar automáticamente un volumen con elementos Brick. Por tanto, se necesitan experiencia y tiempo para obtener una malla de elementos Brick de buena calidad.

Por otro lado, como hemos visto, una malla de tetraedros puede crearse automáticamente con una intervención mínima del usuario. Esto, unido a la potencia de cálculo de las estaciones de trabajo actuales, favorece el uso sistemático de elementos tetraédricos en el cálculo estructural.

Cambiando de perspectiva, para obtener el mismo nivel de precisión, el modelo con tetraedros requiere muchos más elementos y nodos que una malla con elementos Brick. Por este motivo, a menudo el analista desea modelizar sus componentes con elementos de tipo Brick (hexaedros, pentaedros). Simcenter Femap responde a esta necesidad con dos enfoques: uno más tradicional y otro completamente automático.

Es bien sabido que la malla con elementos Brick puede obtenerse mediante operaciones de Extrusión, Revolución o Sweep de una malla superficial. Durante una operación de Extrusión, por ejemplo, los elementos Quad generan Hexa, mientras que los elementos Tria generan Penta.

Con el comando Mesh > Mesh Control > Size on Solids, Simcenter Femap es capaz de identificar automáticamente cuándo un sólido 3D presenta una forma de extrusión, revolución o sweep cuyo volumen puede rellenarse con elementos Brick. Por desgracia, esta situación solo se da en las geometrías más sencillas y, a menudo, basta con un pequeño detalle local para que el comando deje de funcionar correctamente.

Para superar esta limitación, basta con particionar progresivamente el sólido en volúmenes con una geometría lo suficientemente sencilla como para poder mallarlos automáticamente. Divide et Impera. Simcenter Femap ofrece una serie de comandos para dividir los sólidos mediante planos, curvas, caras y superficies de recorte. Una vez reducido el sólido a componentes sencillos, es posible, con suerte, rellenar el volumen con elementos Brick.

El workflow para la generación de la malla anterior se muestra en el siguiente vídeo:

Para aquellos volúmenes complejos que todavía no cumplen los criterios del Hexa Mesher y que no es posible o no se desea subdividir más, es posible mallarlos con elementos Tetra. En este caso, Simcenter Femap introduce una capa de elementos Pirámide con formulación híbrida que permite realizar una transición continua de la malla desde los Brick lineales hasta los Tetra parabólicos.

En la siguiente figura se muestra una escuadra que se ha particionado para crear la malla con elementos BRICK. Los volúmenes que contienen los redondeos se rellenan con elementos Pirámide (en color violeta), cuyas caras cuadrangulares están conectadas a los BRICK (en color blanco); el resto del volumen se rellena con elementos Tetra (en color amarillo).

Como ya se ha explicado anteriormente, la generación completamente automática de elementos Brick, y en particular de una malla compuesta exclusivamente por elementos Hexa, representa el “Santo Grial” de los elementos finitos. A día de hoy, no existe un algoritmo capaz de generar una malla de calidad utilizando únicamente elementos Brick.

La situación cambia cuando se está dispuesto a aceptar en el volumen un pequeño porcentaje de elementos distintos de los Brick. En Simcenter Femap se ha implementado el algoritmo Hexa-Dominant de Simcenter FLOEFD, que permite generar de forma completamente automatizada una malla constituida principalmente por elementos Hexa y Penta (>95 % del volumen). Las zonas restantes se rellenan progresivamente con Pirámides Híbridas y, posteriormente, con Tetraedros parabólicos (<5 % del volumen).

También en este caso, de forma similar al comando Mesh Bodies, la geometría es aproximada automáticamente por el mesher para obtener una malla de buena calidad.

En la siguiente figura se muestra la malla Hexa-Dominant de una pieza de fundición especialmente compleja, creada automáticamente por Simcenter Femap sin necesidad de preparar o particionar previamente la geometría.

Simcenter Femap pone a disposición del analista una amplia variedad de funciones y comandos que permiten eliminar los cuellos de botella en las distintas fases de generación de la malla a partir de la geometría CAD:

• Preparación y simplificación de la geometría (automática y manual)
• Idealización de piezas de pequeño espesor y de las vigas
• Enfoques tradicionales y automáticos para la generación de elementos Shell
• Enfoques tradicionales y automáticos para la generación de elementos Tetra
• Enfoques semiautomáticos y automáticos para la generación de elementos Brick

Todas estas herramientas permiten al analista obtener rápidamente la malla de elementos finitos deseada, partiendo de cualquier geometría CAD importada, para realizar simulaciones precisas y rápidas.

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• Creación de la malla de elementos finitos – Modelización con elementos SHELL
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