Creación de la malla de elementos finitos – Preparación de la geometría

Recientemente publicamos en nuestro perfil de LinkedIn una encuesta en la que preguntábamos a los usuarios de software de modelización FEM estructural cuál era el principal cuello de botella en la creación de la malla a partir de una geometría CAD 3D.

El resultado de la encuesta fue el siguiente:

• El 47 % de los encuestados indicó como problemática la transición de la geometría 3D a la malla realizada con elementos shell.
• El 43 % considera, en cambio, que la modelización con elementos Brick es el principal cuello de botella de su workflow FEM.
• Solo el 10 % indicó la generación de la malla con elementos Tetra.

En esta serie de artículos presentamos algunas de las herramientas y estrategias de modelización mediante elementos finitos disponibles en Simcenter Femap que permiten simplificar el workflow de modelización para los tres casos anteriores.

1. Preparación de la geometría
2. Modelización con elementos SHELL
3. Modelización con elementos TETRA
4. Modelización con elementos BRICK

En la mayoría de los casos, la geometría 3D creada para su fabricación requiere algunas operaciones de preparación para adaptarla a la generación de la malla del modelo. Como dice el refrán: «quien bien empieza, ya ha hecho la mitad del trabajo».

La preparación puede dividirse en dos grandes categorías de operaciones:

1. Defeaturing o simplificación

Con este término identificamos aquellas operaciones mediante las cuales el analista busca simplificar la geometría eliminando todos aquellos detalles (orificios, chaflanes, redondeos) que están presentes en la geometría CAD, pero que no son relevantes para el estudio. Estos detalles pueden afectar al funcionamiento del mesher, generando refinamientos locales no deseados que aumentan el número de elementos, o elementos con una forma distorsionada que pueden comprometer la calidad de los resultados del análisis. Simcenter Femap ofrece varios enfoques, automáticos y manuales, para llevar a cabo las operaciones de simplificación y prevenir estas situaciones no deseadas.

Geometry Preparation

Este comando permite establecer el tamaño de arista de los elementos y el detalle mínimo que se desea conservar en la geometría. Automáticamente, Geometry Preparation realiza una serie de operaciones sobre las superficies del sólido: concatena las curvas, une entre sí los parches de superficies y elimina los ángulos agudos. En otras palabras, elimina las causas de mal condicionamiento para el mesher automático. Se trata de un comando reversible: en cualquier momento es posible decidir restaurar la geometría original.

En la figura se muestra un detalle de una pieza de fundición de una carcasa de transmisión. Gracias a Geometry Preparation de Simcenter Femap, estableciendo un tamaño de elemento de 3,5 mm, se realizan automáticamente simplificaciones para eliminar las situaciones más complejas para el mesher.

Meshing Toolbox

Se trata de un panel que reúne los comandos manuales de uso más frecuente para modificar la geometría y configurar los controles de mallado. Por ejemplo, con el comando Remove Feature es posible eliminar los detalles geométricos no deseados. Mediante los comandos de Editing es posible, por ejemplo, concatenar segmentos de curvas para eliminar refinamientos locales, o combinar superficies para eliminar conjuntos de pequeños parches superficiales… ¡quien haya creado el modelo FEM de una pieza de fundición o de una pieza estampada sabe perfectamente de qué estamos hablando!

En la figura se muestra un detalle de la misma pieza de fundición en el que, en lugar de utilizar las funciones automáticas de Geometry Preparation, el usuario ha combinado las superficies y las curvas para obtener un único parche utilizando los comandos de la Meshing Toolbox de Simcenter Femap.

2. Idealización de la geometría

Con este término identificamos aquellas operaciones en las que, partiendo de la geometría 3D de un cuerpo sólido, se desea obtener una geometría idealizada para la modelización FEM. Un ejemplo es la extracción de la superficie media de los cuerpos para modelizarlos con elementos shell. Otro ejemplo son los elementos estructurales asimilables a vigas, de los que se desea obtener el eje neutro y las propiedades de inercia de la sección para modelizarlos con elementos beam. Simcenter Femap dispone de funciones específicas para gestionar estas dos situaciones.

Midsurface

Este comando permite extraer automáticamente la superficie media de los cuerpos de pequeño espesor, ya sean piezas de chapa plegada o componentes nervados mecanizados a partir de un bloque sólido. Una vez extraídas las superficies medias, Simcenter Femap permite asociarlas al espesor local y al offset de la superficie media, midiéndolo automáticamente a partir del cuerpo 3D de partida, tanto en el caso de espesores constantes como de espesores variables o cambios de espesor escalonados.

En la siguiente figura se muestra la aplicación del comando para la extracción de la Midsurface de Simcenter Femap sobre una geometría 3D. Además de extraer la superficie media, con Simcenter Femap es posible asignar automáticamente el espesor y los offsets de los elementos midiéndolos a partir de la geometría 3D de partida.

Curve – Centerline

Este comando genera automáticamente tanto el segmento del eje neutro de los cuerpos que pueden asimilarse a vigas como la propiedad de tipo Beam con las características de inercia de la sección. Lo único que queda por hacer al analista es conectar los extremos de los elementos Beam utilizando, por ejemplo, elementos rígidos.

En la siguiente figura se muestra la extracción del eje neutro y de las propiedades de inercia de una pieza extruida para su modelización con elementos Beam.

En el próximo artículo hablaremos de las herramientas que Simcenter Femap pone a disposición para la generación de la malla con elementos SHELL.

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