Diseñar una portería para el Mundial: del boceto a los resultados del análisis estructural en cuestión de minutos

El dato más relevante es el siguiente: un análisis estructural que hasta hace pocos años requería que un especialista dedicara gran parte de su jornada laboral, hoy puede ser realizado por cualquier ingeniero de diseño con la preparación adecuada en menos de 20 minutos. Utilizando Siemens Designcenter NX para crear la geometría y Simcenter Simsolid para la simulación, es posible pasar de un boceto inicial a resultados de simulación validados sin necesidad de afrontar las tradicionales etapas de meshing, defeaturing y geometry cleanup, que históricamente han ralentizado de forma significativa el proceso de simulación.

Para demostrarlo con un ejemplo concreto, analizamos una portería de fútbol reglamentaria sometiéndola a uno de los eventos más espectaculares de este deporte: un disparo que impacta contra el larguero. Sin embargo, el aspecto más interesante no es el gol fallado, sino la rapidez con la que es posible verificar si la estructura es capaz de soportar el impacto.

Simcenter Simsolid, incorporado al portafolio de Siemens tras la adquisición de Altair Engineering, permite realizar simulaciones estructurales sin necesidad de generar una malla ni simplificar la geometría del modelo. En un flujo de trabajo tradicional basado en el método de los elementos finitos, las operaciones de meshing y defeaturing — es decir, la eliminación de pequeños orificios, redondeos, logotipos y otros detalles geométricos que pueden generar problemas para el solver — representan las etapas más largas y propensas a errores de todo el proceso. Además, son las que con mayor frecuencia ralentizan o incluso bloquean el desarrollo de un proyecto.

Simcenter Simsolid elimina por completo estas etapas. En lugar de discretizar el modelo mediante una malla de elementos finitos, utiliza una formulación matemática avanzada para calcular la distribución de tensiones y deformaciones directamente sobre la geometría CAD nativa, independientemente del sistema CAD de origen, refinando progresivamente la solución hasta alcanzar la convergencia. La precisión del método no es simplemente una afirmación del fabricante, sino que ha sido validada de forma independiente por NAFEMS, la organización internacional de referencia en verificación y validación de software de simulación.

Las ventajas prácticas son inmediatas. Se trabaja directamente sobre la geometría CAD nativa, eliminando cualquier etapa de exportación, conversión o reconstrucción del modelo entre el diseño y la simulación. Además, los tiempos de cálculo son extremadamente reducidos: el estudio de la portería de fútbol que se muestra a continuación se completó en aproximadamente 30 segundos. Esta rapidez hace que Simcenter Simsolid sea especialmente adecuado para las primeras fases del proceso de diseño, ya que permite a los ingenieros obtener resultados fiables cuando las decisiones de diseño aún se están definiendo, mucho antes de la validación final.

Cada portería de fútbol reglamentaria debe cumplir con las mismas especificaciones dimensionales. La International Football Association Board (IFAB) establece que la portería debe tener una altura de 2,44 m y una anchura de 7,32 m, estar fabricada en aluminio reforzado y contar con una sección del larguero y los postes no superior a 12,7 cm. Estas restricciones proporcionan todos los datos necesarios para definir la geometría del modelo.

En Designcenter NX, la portería se modela partiendo de un sencillo sketch compuesto por tres líneas que cumplen con las dimensiones establecidas por la IFAB, incorporando pequeños redondeos en las esquinas para transformar posteriormente el perfil en un único tubo hueco continuo. Una única operación Tube utiliza este perfil para generar el modelo final de la estructura de la portería. La geometría se define mediante pocas operaciones y, dado que Simcenter Simsolid lee directamente archivos CAD nativos, el modelo puede guardarse e importarse sin necesidad de exportaciones, conversiones ni formatos intermedios.

Es durante la importación del modelo en Simcenter Simsolid cuando el ahorro de tiempo se hace evidente. El software reconoce automáticamente la portería y el campo como un assembly y genera de forma automática las conexiones entre las piezas, permitiendo gestionar fácilmente las tolerancias asociadas a gaps y penetrations. A partir de este punto, es decir, durante una fase que normalmente requiere horas de trabajo, no es necesario eliminar detalles geométricos ni generar una malla. El proceso pasa directamente a la configuración del estudio de simulación.

La configuración del estudio consiste simplemente en definir la física del problema: un análisis estructural lineal, restricciones de soporte fijo aplicadas a las superficies en la base de los postes y una fuerza aplicada en un punto precisamente definido del larguero para representar el impacto del balón. La resolución requiere solo unos segundos, no los minutos u horas que normalmente serían necesarios para un modelo mallado con un nivel de precisión equivalente.

Los resultados están disponibles de forma inmediata. Es posible pasar de la visualización de las tensiones a la de las deformaciones, los desplazamientos y el factor de seguridad, para posteriormente analizar en detalle cualquier área de interés. La herramienta Pick Info proporciona los valores exactos en el punto seleccionado, permitiendo verificar rápidamente que el larguero, bajo la condición de carga máxima, permanece ampliamente dentro de los límites de resistencia del material.

De principio a fin, un ingeniero de diseño familiarizado con Designcenter NX y Simcenter Simsolid puede modelar una estructura como esta y obtener resultados de simulación validados en menos de 20 minutos. El ahorro de tiempo se debe a la eliminación de las principales fuentes de fricción del flujo de trabajo: no es necesario realizar meshing, defeaturing ni conversiones de la geometría CAD, sin comprometer la precisión de los resultados.

Es precisamente esta combinación la que hace que la integración entre ambos softwares sea tan eficaz durante la fase de diseño. Designcenter NX se ha convertido en una de las herramientas más accesibles y, al mismo tiempo, potentes para la creación de geometría, mientras que Simcenter Simsolid permite al mismo ingeniero de diseño verificarla en pocos minutos y tomar decisiones basadas en datos objetivos cuando todavía existe margen para modificar el diseño. La portería de fútbol es solo un ejemplo representativo; este mismo flujo de trabajo puede aplicarse prácticamente a cualquier componente que requiera una validación rápida.