Nuevas herramientas para simplificar el modelado por elementos finitos

Hablamos de Simcenter Femap, que en su versión 2021.2 incorpora nuevas funcionalidades diseñadas para simplificar el trabajo de modelado y agilizar todo el flujo de trabajo de análisis.

Entre las principales novedades:

• Convergent Modeling: un nuevo enfoque unificado para la gestión de geometrías y mallas.
• Body Mesher: integración de la tecnología de mallado de STAR-CCM+, que permite aplicar nuevas técnicas de modelado FEM.
• JT Visualization: ampliación de las capacidades de exportación de modelos 3D interactivos en formato JT.

El fuerte crecimiento de tecnologías como el escaneado 3D, la optimización topológica y la impresión 3D está llevando a los analistas CAE a trabajar cada vez más con geometrías facetadas utilizando sistemas de modelado diseñados para geometrías B-REP (representadas mediante ecuaciones matemáticas o superficies NURBS).

La tecnología Convergent Modeling de Siemens, implementada en Femap, permite modelar geometrías basadas en ambos tipos de datos dentro de un mismo entorno, reduciendo el tiempo de preparación del análisis FEM y eliminando los errores asociados a la conversión de un formato a otro. A continuación, se muestra un ejemplo en vídeo.

En la secuencia se presenta, en primer lugar, una geometría B-REP tradicional, en la que las caras del sólido se definen mediante superficies analíticas y/o NURBS. A continuación, aparece una superficie facetada, formada por una malla triangulada. Por último, se muestra un modelo convergente, que puede combinar superficies tradicionales y facetadas.

Uno de los retos para los analistas es generar mallas superficiales FEM de alta calidad a partir de geometrías complejas de piezas fabricadas mediante fabricación aditiva.

La solución adoptada por Siemens ha sido incorporar a Femap la tecnología Triangle Remeshing de STAR-CCM+. Este mallador permite transformar cualquier malla superficial en una malla de triángulos de alta calidad. Durante su implementación, los desarrolladores descubrieron que también era posible adaptar esta tecnología para generar automáticamente una malla Quad-dominant. Este desarrollo se materializó en la nueva tecnología Body Mesher de Femap v2021.2.

En el siguiente vídeo se muestra una porción de un cuerpo facetado, definido mediante triángulos que no son adecuados para el análisis FEM. A continuación, se presenta un ejemplo de malla triangular de alta calidad generada automáticamente en Femap mediante Triangle Remesher. Por último, se muestra la implementación de esta funcionalidad, disponible en Femap 2021.2: una malla Quad-dominant de alta calidad generada automáticamente por Femap mediante el nuevo Body Mesher.

Se trata de una nueva herramienta que permite generar automáticamente la malla a partir de geometrías CAD 3D o superficies facetadas, sin necesidad de realizar operaciones de defeaturing ni simplificar la geometría.

¿Qué aplicaciones ofrece la nueva tecnología Body Mesher de Femap?

Las posibilidades son numerosas, pero pueden agruparse en cinco categorías principales:

• Modelado automático de piezas de chapa mediante elementos shell.
• Generación automática de mallas volumétricas con elementos tetraédricos.
• Creación automática de mallas FEM a partir de geometrías facetadas en formato STL.
• Generación de mallas tetraédricas listas para el análisis (ready-to-run) a partir de los resultados de la optimización topológica.
• Capacidad de mallado sobre una malla existente (mesh-on-mesh) para refinar o ampliar una malla FEM ya creada.

Modelado automático de piezas de chapa con elementos shell

Como se muestra en las imágenes siguientes, la Figura 1 presenta una geometría superficial que, por lo general, requeriría una preparación previa antes del mallado. En cambio, en la Figura 2 se observa cómo, gracias a las nuevas funcionalidades de Femap, es posible generar automáticamente una malla Quad-dominant sin necesidad de realizar ninguna preparación previa de la geometría.

Generación automática de mallas volumétricas con elementos tetraédricos

Femap 2021.2 también incorpora nuevas funcionalidades relacionadas con los elementos tetraédricos, fundamentales en el mallado FEM.

Las piezas mecánicas 3D, como la que se muestra en la Figura 3, suelen requerir operaciones de defeaturing antes del mallado. Sin embargo, ahora es posible generar automáticamente una malla volumétrica, omitiendo esta etapa de preparación de la geometría.

Generación automática de mallas FEM a partir de geometrías facetadas STL

Como hemos visto, Femap 2021.2 permite automatizar diversas operaciones y reducir así el tiempo de trabajo. Esta capacidad se extiende también a las geometrías facetadas en formato STL.

En la Figura 5 se muestra un componente que debe modelarse con elementos tetraédricos. La Figura 6, por su parte, ilustra cómo es posible generar una malla volumétrica directamente a partir de la geometría STL, sin necesidad de una preparación geométrica previa.

Generación de mallas tetraédricas ready-to-run a partir de los resultados de la optimización topológica

Las geometrías facetadas en formato STL obtenidas mediante optimización topológica pueden transformarse en mallas tetraédricas listas para el análisis. A continuación, se muestra un ejemplo en las dos imágenes siguientes.

En la Figura 7 se observan las superficies exteriores facetadas de la pieza tras el proceso de optimización topológica. En cambio, la Figura 8 muestra el modelo estructural de la pieza optimizada, ya preparado para realizar el análisis de tensiones (stress analysis) con Femap.

Capacidad mesh-on-mesh para refinar o modificar una malla FEM existente

El comando mesh-on-mesh ofrece la posibilidad de:

• Convertir cualquier triangulación de una malla existente en una malla de alta calidad, con predominio de elementos triangulares o cuadriláteros.
• Especificar el tamaño de la malla y configurar las opciones de curvatura y proximidad entre superficies.
• Conservar las características seleccionadas de la malla original.
• Generar elementos que cumplan, en la medida de lo posible, los criterios de calidad definidos por el usuario.

Las imágenes siguientes muestran dos ejemplos prácticos. En la Figura 9 se presenta una malla shell que se desea simplificar reduciendo el número de elementos. La Figura 10 muestra una malla más gruesa obtenida mediante el comando mesh-on-mesh de Femap.

La malla refinada obtenida mediante mesh-on-mesh, que se muestra en la Figura 11, ilustra cómo es posible refinar la malla en una zona circular seleccionada.