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ResumenEl desarrollo de innovadores productos requiere contar con una perspectiva de rendimiento del diseño y con ingenieros capaces de predecir el comportamiento del diseño de una forma más eficiente, innovadora y precisa. Las soluciones de análisis CAD 3D integrado de SOLIDWORKS Simulation permiten simular con precisión, eficacia y de forma intuitiva el futuro rendimiento de cualquier producto, con la posibilidad de dimensionar con exactitud y de optimizar los diseños, además de ahorrar tiempo y dinero en la elaboración de prototipos y en los procesos de prueba. Con SOLIDWORKS Simulation podrá resolver complicados problemas de análisis, lo que le ayudará a hacer frente a los desafíos de tiempo, presupuesto y calidad.

La precisión en la simulación del diseño mejora el desarrollo del producto

Hoja técnica

La precisión en la simulación del diseño mejora el desarrollo del producto 1

Cómo La pReCisión de La simuLaCión benefiCia aL desaRRoLLo de pRoduCtosLograr desarrollar productos con éxito exige innovación, fiabilidad y rapidez. Como ingeniero de diseño, no solo debe satisfacer los requisitos de forma, ajuste y funcionalidad, sino también crear diseños de productos únicos, fiables y que se puedan fabricar con rapidez y a un bajo coste. A fin de lograr estos objetivos, necesita disponer de tanta información y con la mayor antelación posible sobre el rendimiento del diseño en condiciones de funcionamiento reales, sin tener que echar mano de costosas pruebas de prototipos físicos o simulaciones subcontratadas que requieren una gran inversión de tiempo.

Con las soluciones integradas de SOLIDWORKS Simulation también puede ejecutar precisas simulaciones de FEA directamente en el software CAD SOLIDWORKS, lo que le proporciona acceso rápido a los resultados del análisis estructural en las primeras fases del proceso, con datos sobre los niveles de tensión, la forma deformada o la vida útil del producto, entre otros. Con esta información vital, puede tomar decisiones de diseño críticas que la ayudarán a:

• Innovar en el desarrollo de productos

• Reducir la elaboración de prototipos

• Acelerar el tiempo de comercialización

• Optimizar el uso de materiales

• Eliminar las imprecisiones del diseño

• Minimizar los problemas de rendimiento

• Reducir el número de reclamaciones y devoluciones relacionadas con la garantía

• Incrementar la rentabilidad

Con su intuitiva interfaz de usuario, potentes solvers y amplias capacidades de análisis, SOLIDWORKS Simulation le proporciona una solución de diseño integrada que no solo es más rápida y fácil de usar, sino también tan precisa como cualquier otro paquete de simulación. En este documento se examinará la precisión del análisis y cómo la exclusiva combinación de precisión, facilidad de uso y potencia del software SOLIDWORKS Simulation puede contribuir a los esfuerzos de desarrollo de su producto.

pReCisión en La simuLaCión de Los efeCtos deL viento soLaREl Observatorio Astrofísico Smithsonian (SAO), parte del Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian (CFA), trabaja con importantes científicos y astrofísicos en el desarrollo de instrumentos y sistemas de investigación pioneros. SAO utiliza el software SOLIDWORKS Simulation Premium para enfrentarse a algunos de los desafíos tecnológicos más importantes, como la primera visita del hombre a una estrella.

La sonda espacial Solar Probe Plus (SPP) de la NASA se lanzará al espacio en 2018. La nave, del tamaño de un automóvil, se sumergirá directamente en la atmósfera del sol. En este proyecto, el SAO se encarga de desarrollar la carga útil de electrones alfas y protones del viento solar (SWEAP), además de un sensor basado en la ley de Faraday que medirá las propiedades de los electrones, protones e iones de helio en el viento solar. El mayor reto de este proyecto es que el sensor estará ubicado en el exterior de la nave, donde se verá sometido a elevados niveles de calor y radiación.

“El sensor funcionará en condiciones tan extremas que debemos emplear herramientas de análisis integradas”, afirma el ingeniero de proyecto David R. Caldwell. “En las recientes pruebas con prototipos en las instalaciones de viento solar del Centro Marshall para Vuelos Espaciales, el sensor se comportó según lo previsto por las simulaciones de SOLIDWORKS".

“El peso es un factor clave en los sistemas de vuelos espaciales”, añade Caldwell. “SOLIDWORKS Simulation Premium nos ofrece la información que necesitamos para modificar el espesor o los materiales y optimizar verdaderamente nuestros diseños”.

“Ahora soy capaz de resolver un problema de simulación no lineal que solía requerir una semana en tan solo unas horas. Con este nivel de agilidad, en poco tiempo puedo optimizar y proporcionar un diseño que funcione”.

David R. Caldwell.Ingeniero de proyectosObservatorio Astrofísico Smithsonian


¿Con qué gRado de pReCisión simuLa fea La ReaLidad?En general, los sistemas FEA utilizan el método de elementos finitos, una técnica de discretización numérica para aproximar soluciones a los problemas de contorno para las ecuaciones diferenciales que rigen tanto la física como la ingeniería. El modelo se representa como una discretización de la geometría, mallando la geometría con elementos. Dado que las soluciones de FEA, independientemente del paquete, están basadas en el método de elementos finitos, sus resultados serán siempre una aproximación lo suficientemente próxima como para proporcionar la precisión requerida para tomar decisiones diseño importantes, pero nunca una representación perfecta de la realidad, ya que incluyen un error de discretización.

Los solvers de FEA utilizan algoritmos computacionales a fin de generar ecuaciones diferenciales para cada componente de geometría del diseño, restricciones, propiedades del material y cargas. A continuación, convierten las ecuaciones diferenciales en una matriz de ecuaciones para cada elemento, a fin de generar una matriz global de ecuaciones para el modelo. Por lo general se resuelve utilizando solvers Direct Sparse o iterativos: los solvers Direct Sparse utilizan el método de eliminación Gausiano para resolver la matriz global de ecuaciones; los solvers iterativos, por su parte, emplean el método de descomposición de dominios.

Los fundamentos matemáticos de FEA implican que los ingenieros deben aplicar cargas y condiciones de contorno con precisión para acercarse tanto como sea posible a la respuesta real. Dado que FEA representa una aproximación muy precisa del rendimiento del diseño, simular la realidad con tanta exactitud como sea posible exige la correcta preparación del problema de análisis.

La pregunta acerca del grado de precisión con que FEA simula la realidad debería ser: ¿cuánta precisión necesitamos en realidad? En la mayoría de los casos, un porcentaje de ±5 proporcionará la información necesaria para tomar las decisiones de diseño correctas.

Las simuLaCiones pReCisas faCiLitan eL desaRRoLLo de CaRCasas sumeRgibLesWatershot, Inc. diseña y fabrica carcasas para cámaras fotográficas y de vídeo para submarinistas profesionales y para su uso en smartphones para entusiastas del buceo, snorkel e inmersión libre. La empresa confía en el software de análisis SOLIDWORKS Simulation para garantizar que las carcasas herméticas resisten la presión y las fuerzas a distintas profundidades submarinas.

Los ingenieros de la compañía valoran la intuitiva integración del software CAD SOLIDWORKS en FEA, ya que acelera el desarrollo. Con las herramientas de diseño integrado de SOLIDWORKS, Watershot puede crear rápidamente conceptos de diseño y simular su funcionamiento a varias profundidades bajo el agua. Gracias a la posibilidad de simular el comportamiento del producto con precisión, los ingenieros de Watershot depuran los diseños sin necesidad de tener que utilizar costosos prototipos.

Por ejemplo, durante el desarrollo de la carcasa sumergible para el iPhone 4, prototipos de los utillajes mostraron que la carcasa ejercía presión contra la pantalla táctil del smartphone a una profundidad determinada, impidiendo su correcto funcionamiento. El software SOLIDWORKS Simulation permitió a Watershot resolver este clásico problema de flexión, y optimizar el diseño sin realizar cambios sustanciales en los utillajes.

“Venimos contrastando distintas soluciones de desarrollo con cierta regularidad y SOLIDWORKS siempre acaba en primer lugar” destaca la ingeniera de proyectos Stephanie Griffin Peña. “El software nos proporciona todo lo que necesitamos y el perfecto funcionamiento de Simulation con el paquete de CAD agiliza realmente el proceso”.

“SOLIDWORKS Simulation nos ayuda a entender la influencia de la presión y las fuerzas submarinas durante el diseño, lo que supone un ahorro de tiempo y dinero".

Stephanie Griffin PeñaIngeniera de proyectos Watershot, Inc.


¿qué se puede simuLaR?La tecnología de simulación de análisis por elementos finitos (FEA) y dinámica de fluidos computacional (CFD) permite utilizar el modelado matemático basado en ordenadores para simular de forma aproximada el complejo fenómeno del universo físico, incluidos los comportamientos dinámicos y estructurales, la transferencia de calor o el flujo de fluidos.

Análisis estructuralPuede utilizar el software de FEA para simular los diferentes comportamientos involucrados en la mecánica de sólidos. Las tensiones creadas en una estructura, ya sea en un componente de la máquina o en un puente reforzado, con cargas operativas, ¿provocarán rotura, pandeo o deformación en la estructura? ¿Cuáles son las frecuencias naturales de la estructura y en qué medida afectan al rendimiento del diseño? ¿Qué ocurre con el desplazamiento, la vibración o la fatiga? Al crear diseños en los que dos o más componentes entran en contacto, puede comprobar cómo este contacto afecta al rendimiento del diseño. También puede realizar estudios cinemáticos y emplear estos resultados para obtener información importante de cargas para ejecutar los subsiguientes análisis estructurales.

El análisis estructural muestra la distribución de la tensión para identificar las áreas críticas.


Análisis térmicoComprender el impacto que tiene la transferencia de calor en el rendimiento del diseño resulta clave para un número cada vez mayor de productos, por motivos de seguridad y rendimiento. Muchos materiales tienen propiedades que dependen de la temperatura, puede emplear el software de simulación para representar diferentes tipos de transferencia de calor, incluida la conducción, la convección o la radiación, y calcular esa transferencia de calor en el interior de los componentes y entre ellos, en los diseños y en su entorno. Puede simular efectos de estado transitorio y estacionario. Los problemas térmicos se pueden resolver con el análisis estructural o de flujo de fluidos. En un análisis estructural térmico, el efecto del aire o el líquido en movimiento se convierte en una carga o una condición de contorno. En un análisis de flujo de fluidos, puede calcular los efectos térmicos de los fluidos en movimiento, ya sean líquidos o gases.

Análisis de dinámica de fluidos computacionalPuede utilizar el software de análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para satisfacer la necesidad cada vez mayor de comprender cómo el comportamiento y la dinámica de fluidos, ya sean líquidos o gases, afecta al rendimiento del diseño. Aunque en un principio se utilizó sobre todo como alternativa a las costosas pruebas en el túnel de viento para mejorar la aerodinámica de aeronaves y automóviles, actualmente la tecnología de análisis CFD de SOLIDWORKS Flow Simulation se utiliza cada vez más para evaluar otros problemas relacionados con fluidos, como la validación de la refrigeración suficiente de sistemas electrónicos; maximizar el rendimiento de los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC); y ajustar otros procesos de fabricación basados en el flujo.

El análisis térmico ayuda a los ingenieros de productos a predecir problemas de sobrecalentamiento en las primeras fases del proceso de diseño

El análisis térmico ayuda a los ingenieros de productos a predecir problemas de sobrecalentamiento en las primeras fases del proceso de diseño


FEA lineal y no linealAunque puede emplear herramientas de análisis de FEA lineales para simular el comportamiento de muchos tipos de diseños, algunos fenómenos físicos son no lineales por naturaleza. En otras palabras, la respuesta física es desproporcionada en lo que a cargas y condiciones de contorno aplicadas se refiere. Cuando trabaje con materiales no lineales (caucho o plástico, por ejemplo), geometrías no lineales, interacciones no lineales entre las piezas o cargas y condiciones de contorno no lineales, deberá ejecutar análisis de FEA no lineales para aumentar la precisión de la aproximación.

La pReCisión de La simuLaCión peRmite aCCedeR aL meRCado de Los ReguLadoRes de tiRo (dampeRs) industRiaLesLa necesidad de limitar gases y líquidos en numerosas fábricas y plantas (incluidas las centrales eléctricas, siderúrgicas, fábricas cementeras, instalaciones petroquímicas y otras fábricas de procesamientos) han convertido los reguladores de tiro (dampers) industriales en una necesidad. DEMECH Esscano Power India Pvt. Ltd. (DEP), empresa conjunta de Esscano Power A/S Dinamarca y Deccan Mechanical & Chemical Industries Pvt. Ltd. se fundó con objeto de satisfacer los exigentes requisitos de la tecnología de los reguladores de tiro (dampers).

DEP diseña y fabrica una gran variedad de reguladores de tiro (dampers) industriales, entre otros, multi-lama, de mariposa o de guillotina. La empresa se ha hecho rápidamente con un importante puesto en el mercado de los reguladores de tiro (dampers) industriales, introduciendo nuevos conceptos que ofrecen ventajas de costes y rendimiento.

Con el uso del software SOLIDWORKS Simulation Premium y SOLIDWORKS Flow Simulation, DEP ha eliminado la necesidad de desarrollar prototipos para probar sus sistemas. La empresa confía en las herramientas de simulación de SOLIDWORKS para cumplir su objetivo de producir reguladores de tiro (dampers) con una eficacia de entre el 99,95 % y el 100 %.

“Comenzamos a utilizar SOLIDWORKS Simulation para calcular la expansión térmica de las palas a temperaturas extremadamente elevadas”, comenta el director general Subhash Bidwai. “Necesitamos contar con las holguras adecuadas para lograr la expansión y evitar, al mismo tiempo, las fugas que puedan reducir la eficiencia. Gracias a la precisión de las simulaciones de SOLIDWORKS, ya no es necesario desarrollar prototipos para realizar las pruebas".

"Gracias a la precisión de las simulaciones de SOLIDWORKS, ya no es necesario desarrollar prototipos para realizar las pruebas".

Subhash BidwaiDirector generalDEMECH Esscano Power India Pvt. Ltd.


pReguntas y Respuestas Con nuestRo expeRto en fea, eL doCtoR paweL m. KuRowsKiDr. Pawel M. Kurowski, profesor adjunto en la Facultad de ingeniería de la Universidad de Western Ontario, es una de las máximas autoridades en el campo del diseño de productos, el análisis de diseños y la mecánica de sólidos. Antes de ser profesor, el doctor Kurowski trabajó durante más de 20 años como ingeniero de diseño e I+D en el sector del automóvil, defensa y equipos pesados.

¿Por qué optó por utilizar las soluciones de SOLIDWORKS Simulation como herramienta para sus estudios de ingeniería?

Soy partidario de que los ingenieros de diseño empleen herramientas de FEA porque ellos son los que tienen la visión más completa del entorno operativo de un producto, así como de la finalidad de su diseño; por eso están en una posición privilegiada para utilizar FEA y optimizar el diseño en las primeras fases del proceso. Decidimos estandarizar nuestros diseños con el software SOLIDWORKS Simulation porque se integra completamente en la interfaz y el entorno de modelado en 3D de SOLIDWORKS, lo que facilita el aprendizaje y el uso de la herramienta.

¿Cómo utiliza el software SOLIDWORKS Simulation en el programa de ingeniería?

Utilizamos SOLIDWORKS Simulation en nuestros cursos universitarios de FEA. Uno de estos cursos, Ingeniería avanzada asistida por ordenador (CAE), combina el uso de SOLIDWORKS Simulation, SOLIDWORKS Flow Simulation y SOLIDWORKS Motion Simulation para examinar diferentes tipos de fenómenos físicos que pueden afectar al rendimiento del diseño. La importante gama de funciones del software permite a los estudiantes cuestionar el comportamiento del diseño desde todos los puntos de vista, ya sea estructural, de flujo de fluidos, térmico, de movimiento, vibración o diseño para la fabricación o la sostenibilidad. SOLIDWORKS Simulation y SOLIDWORKS Flow Simulation proporcionan la gama más amplia de funciones FEA y CFD en un entorno de análisis y diseño de ventana única. Mediante el uso del software SOLIDWORKS Simulation, ofrecemos a los estudiantes una base sólida para el análisis numérico de los diseños.

¿Restan capacidad a SOLIDWORKS Simulation opciones como la integración con CAD o la facilidad de uso si se compara con otros paquetes de FEA?

Para nada. De hecho, ocurre todo lo contrario. SOLIDWORKS Simulation es más potente que otros paquetes de FEA porque es más sencillo de controlar y más rápido de utilizar. Todos los programas de FEA están basados en el método de elementos finitos, por lo que su base matemática es prácticamente la misma. SOLIDWORKS Simulation destaca porque su integración en el modelado de CAD, la intuitiva interfaz de usuario, el adecuado diseño de los solvers, los controles de mallas y la variedad de tipos de análisis son superiores.

¿La facilidad de uso de SOLIDWORKS Simulation le resta precisión en algún aspecto?

Para nada. El hecho de que el software sea fácil de utilizar no significa que los resultados sean más imprecisos ni simples. La exactitud de FEA depende de la definición adecuada del problema, la comprensión del tipo de análisis que se debe ejecutar y el mantenimiento de la integridad del modelo matemático. Ningún programa de FEA es preciso al cien por cien porque todos utilizan las mismas técnicas de discretización numérica. En lo que a la precisión se refiere, SOLIDWORKS Simulation es tan válido como cualquier otro programa. Incluso diría que, dado que SOLIDWORKS Simulation es más fácil de utilizar, permite preparar con precisión el problema de análisis de forma más sencilla, lo que conlleva resultados más precisos.


¿Cómo pueden los usuarios aumentar la exactitud de los resultados de FEA? Existen dos factores que pueden afectar a la precisión de los paquetes de FEA. Uno es la correcta preparación del problema utilizando el tipo de análisis adecuado, introduciendo las propiedades precisas del material, las cargas y las condiciones de contorno, y seleccionando los elementos adecuados para el tipo de análisis que se está ejecutando. El otro es el control del error de discretización utilizando métodos adaptativos y controles de malla. El error de discretización es inherente a FEA; se puede controlar manualmente mediante controles de malla o de forma automática mediante la creación de mallas adaptativas h o p. En SOLIDWORKS Simulation, puede emplear estas técnicas para ajustar la malla generada automáticamente en determinadas áreas de interés. El enfoque adaptativo h incrementa el número de elementos en el área de interés para aumentar la precisión; la técnica adaptativa p aumenta el orden de los polinomios utilizados para aproximar el campo de desplazamiento de los elementos en áreas con una previsión de errores elevada, a fin de mejorar la precisión.

¿Qué grado de precisión deben tener los resultados de FEA?Esa es la pregunta que los ingenieros de diseño deben hacerse antes de iniciar un análisis. La precisión depende de:

1. Lo bien que se hayan definido los problemas en términos de tipo de análisis, propiedades del material, condiciones de contorno, etc. Es lo que se conoce como error de modelado. La definición del problema y el error de modelado asociado son elementos externos a FEA. El control del error de modelado es una cuestión de saber definir correctamente el problema.

2. De aplicar correctamente la discretización al problema. Esto es lo que se denomina error de discretización. En la mayoría de los casos, la precisión en un determinado porcentaje es suficiente, pero SOLIDWORKS Simulation le ofrece herramientas para disminuirlo tanto como lo desee, desde sencillos ajustes manuales de la malla, hasta avanzadas soluciones adaptativas h automáticas.

3. Cómo de bien se ha resuelto el problema. Es decir, el error de redondeo numérico acumulado por el solver. En SOLIDWORKS Simulation, este error se minimiza mediante el uso de solvers rápidos y bien diseñados.


La pReCisión de Las simuLaCiones impuLsa Las innovaCiones en CámaRas téRmiCasFLIR Systems, Inc. es el principal fabricante internacional de cámaras térmicas de infrarrojos. La empresa confía en el software SOLIDWORKS Simulation Premium y SOLIDWORKS Flow Simulation para desarrollar nuevas aplicaciones de fotografía térmica marítima, de seguridad y portátiles.Por ejemplo, durante el desarrollo de la serie M de cámaras marítimas panorámicas y basculantes, los ingenieros tuvieron que reducir la altura del diseño inicial en 38 mm, lo que implicó un aumento de la temperatura por encima de la especificación del motor. FLIR introdujo una serie de cambios en el diseño y realizó análisis acoplados térmicos y de flujo. El proceso permitió a FLIR modificar el diseño para reducir la temperatura en 23 ºC (una amortiguación de 6 ºC) sin necesidad de ningún prototipo.“La cámara de la serie M muestra todo el potencial del uso de análisis acoplados térmicos y de flujo”, nos explica Marcel Tremblay, director de ingeniería mecánica. “Todo depende del aire del interior y un análisis acoplado térmico y de flujo ofrece mayor precisión que la simple conducción o convección. Permite simular varios escenarios para comprender mejor y detectar posibilidades de cambio de diseño más sencillas sin tener que fabricar un prototipo del diseño. Esto puede suponer un ahorro de tiempo de meses.“SOLIDWORKS es la combinación perfecta de facilidad de uso y potencia”, afirma Tremblay. “El sistema CAD facilita la creación y las herramientas de simulación nos permiten optimizar, depurar y mejorar la fiabilidad de los diseños”.

“Estamos maravillados con el increíble grado de precisión de SOLIDWORKS Flow Simulation. Con su exacta precisión, nos permite evaluar enfoques innovadores con rapidez”.

Marcel TremblayDirector de ingeniería mecánica en FLIR Systems, Inc.

¿Afecta el tipo de elemento a la precisión?Por supuesto que sí. Por ejemplo, un elemento de vaciado fino modela la distribución lineal de las tensiones de rigidización a lo largo del espesor. El uso de este elemento para modelar una pared donde las tensiones de rigidización no tengan una distribución lineal a lo largo del espesor, conllevará resultados incorrectos. Un elemento de tensión plana 2D asume una tensión constante a lo largo de su espesor. Si lo utilizamos para modelar un problema donde las tensiones varían a lo largo del espesor, obtendremos de nuevo resultados incorrectos. La lista de “abusos de elemento” es larga, y siempre tenemos que seleccionar elementos que puedan modelar el patrón de distribución de la tensión deseado. Lo anterior se aplica a cualquier programa de FEA. Un elemento aislado no es ni “preciso” ni “impreciso”. El término “precisión” se aplica a la malla construida con elementos finitos.

¿Qué elementos son más precisos, los hexaédricos (brick) o los elementos tetraédricos (tet.)?

Para entender por qué algunos usuarios de FEA afirman que los elementos hexaédricos (brick) son más precisos que los tetraédricos (tet.), es necesario remontarse a principios de la década de los ochenta. Por entonces, los programas de FEA se ejecutaban en equipos muy lentos, en comparación con los actuales. Los analistas tenían que limitar el tamaño de un modelo, lo que significaba emplear elementos de primer orden y gran tamaño, simplemente para hacerlo funcionar. Para este fin, los elementos hexaédricos de primer orden presentaban ventajas significativas en relación con los elementos tetraédricos de primer orden del mismo tamaño. Esto era debido a que los elementos hexaédricos de primer orden modelaban el desplazamiento de segundo orden y la tensión lineal, mientras que los elementos tetraédricos de primer orden modelaban el desplazamiento lineal y la tensión constante. Es decir, los elementos hexaédricos de primer orden se comportaban como elementos tetraédricos de segundo orden. Si se quería utilizar elementos tetraédricos en lugar de hexaédricos, se tenía que usar elementos tetraédricos de segundo orden o elementos tetraédricos de primer orden de menor tamaño. Ambas opciones eran difíciles de implementar en los años ochenta.

Actualmente nadie utiliza elementos de primer orden. Con los malladores automáticos se pueden crear mallas de gran tamaño con facilidad y los eficientes solvers resuelven los problemas con rapidez. Los ubicuos elementos tetraédricos de segundo orden modelan el desplazamiento de segundo orden y la tensión de primer orden. En los programas de FEA modernos, los elementos hexaédricos ya no suponen ventaja alguna sobre los elementos tetraédricos. Queda la cuestión de la estética de la malla. Muchas personas consideran que las mallas de hexaedros son más agradables desde un punto de vista estético, aunque los hexaedros bien formados en las caras exteriores del modelo pueden ocultar elementos hexaédricos o tetraédricos con elevado grado de distorsión en el interior.

FEA intimida a algunos ingenieros de diseño. ¿Por qué?Porque muchos paquetes de FEA son tan difíciles de utilizar, que supone un auténtico reto para los ingenieros de diseño obtener resultados significativos con ellos sin haberse sometido a prolongados períodos de formación intensiva previamente. Por eso el software SOLIDWORKS Simulation se ha convertido en mi solución de FEA preferida. Facilita la preparación de problemas de análisis y genera resultados precisos y relevantes. Con el software SOLIDWORKS Simulation, los ingenieros pueden trabajar a pleno rendimiento tras un par de horas de formación introductoria.


soLidwoRKs simuLation: pReCisión + intuiCión = potenCia Las soluciones de SOLIDWORKS Simulation ofrecen el mayor potencial para mejorar el proceso de desarrollo de sus productos gracias a su exclusiva combinación de facilidad de uso, velocidad, precisión y potencia. Con el software SOLIDWORKS Simulation, dispondrá de acceso a una completa gama de funciones de análisis, incluidas herramientas de solver, malla y comunicación de resultados, directamente en el entorno de modelado CAD de SOLIDWORKS.

FuncionesSOLIDWORKS Simulation ofrece una completa gama de tipos de análisis para satisfacer prácticamente todas las necesidades de simulación, entre otras:

• Análisis estructural de problemas lineales simples a problemas no lineales muy complejos

• Análisis de vibraciones lineales y no lineales

• Análisis térmico de estado transitorio y estacionario

• Análisis de vida a fatiga

• Análisis de flujo de fluidos

• Simulación de movimiento

• Análisis multifísicos acoplados en los que se combinan las funciones anteriores

La solución SOLIDWORKS Simulation también permite realizar varios tipos de estudios dentro de estas clases de análisis, incluidos:

• Estático (Tensión)

• Frecuencia

• Pandeo

• Fatiga

• Vibración

• Contacto

• Ensamblaje

• No lineal

• Dinámico

• Gráfico de historia-tiempo

• Armónico

• Vibración aleatoria

• Espectro de respuesta

• Optimización de diseños

• Cinemática y dinámica

• Componentes de plástico y de caucho

• Flujo de fluidos

• Gestión térmica de sistemas electrónicos

• Factores de confort térmico

• Análisis térmico y estructural acoplado

• Análisis térmico y de fluidos acoplado

• Llenado de moldes de plástico

• Sostenibilidad


MalladoresEl software SOLIDWORKS Simulation permite aumentar la precisión de la simulación gracias a su rápido mallador automático, así como sus flexibles y potentes herramientas de ajuste de mallas, incluidas las funciones adaptativas h y p. Puede elegir crear tipos de mallas sólidas, de vaciado, de viga o mixtas, en función de la geometría. También puede elegir entre representaciones en 3D y en 2D del problema. La estrecha integración de SOLIDWORKS Simulation en el CAD SOLIDWORKS permite la traslación automática del tipo de geometría al tipo de malla; de las piezas soldadas a la viga, y de la superficie a los vaciados.

SolversEl software de FEA SOLIDWORKS Simulation permite utilizar métodos de resolución iterativos o directos con los solvers Direct Sparse o FFEPlus. El software seleccionará automáticamente el solver más adecuado para su análisis concreto. Por ejemplo, el software utilizará el solver Direct Sparse para estudios estáticos, de frecuencia, de pandeo y térmicos y utilizará el solver FFEPlus iterativo para los análisis no lineales y de contacto. En el caso de modelos de gran tamaño, con millones de grados de libertad (GDL), se utilizará automáticamente el solver Direct Sparse de gran tamaño.

Comunicación de resultadosUna vez que haya ejecutado un estudio de análisis que desee documentar, el software SOLIDWORKS Simulation cuenta con la opción de generar informes basados en los resultados de forma automática. Podrá crear animaciones de una forma rápida y sencilla para resaltar los resultados de estudios estructurales, térmicos, de movimiento y de flujo de fluidos. También puede guardar los resultados del análisis en un archivo SOLIDWORKS eDrawings compacto, con el fin de comunicar los resultados por correo electrónico, tablet y smartphone.

Integración de CADLa principal diferencia entre el software SOLIDWORKS Simulation y otros paquetes de FEA es su total integración en el entorno de modelado CAD de SOLIDWORKS. Con SOLIDWORKS Simulation, no es necesario importar o exportar modelos para ejecutar un análisis, ni para modificar modelos basados en resultados de la simulación para, a continuación, volver a realizar el análisis. Dado que todas las simulaciones de FEA y CFD se realizan en el entorno de modelado CAD de SOLIDWORKS, puede aprovechar aún más la simulación durante la fase inicial del diseño. También puede aprovechar las herramientas de CAD, como las configuraciones de diseño, para realizar un conjunto de análisis en un modelo individual, un análisis individual de una familia de modelos u otra combinación de ambos. También puede utilizar los datos de CAD, como las propiedades del material, la posición de las piezas (relaciones de posición) o las definiciones de cierres, para agilizar la preparación de las simulaciones.

Las simuLaCiones Rápidas y pReCisas agiLizan eL diseño de sistemas de tRansmisiónLitens Automotive Group es líder a nivel internacional en diseño y fabricación de sistemas de transmisión de potencia y componentes. Como proveedor de primera línea del sector automovilístico, Litens ha mantenido su posición de liderazgo mediante el desarrollo continuo de productos innovadores, que hacen frente a los desafíos relacionados con el rendimiento del vehículo y el ruido, la vibración y la dureza (NVH).

Gracias al uso del software SOLIDWORKS Simulation Premium como parte integral del proceso de diseño, Litens ha reducido el número de procesos de creación de prototipos y los gastos asociados, acelerando así el proceso de desarrollo. Los ingenieros de la empresa realizan complicados análisis de contacto y simulaciones cinemáticas, dinámicas, de fatiga, de desplazamiento y térmicas, directamente en el entorno de diseño de SOLIDWORKS.

“El tiempo es un factor crítico, pero con el rápido solver del software SOLIDWORKS Simulation Premium, podemos solucionar un análisis de contactos de un ensamblaje completo en un par de horas. ¿Quién puede superar eso?” declara el ingeniero jefe, el doctor Steve Jia. “Cuando se evalúa lo que el desarrollo virtual de productos con CAE permite ahorrar en términos de costes de elaboración de prototipos y tiempo, la cantidad asciende a millones de dólares anuales".

“La belleza del software SOLIDWORKS Simulation Premium reside en que ofrece un sólido mallador, un solver rápido y la posibilidad de gestionar simulaciones de ensamblajes de gran tamaño en situaciones de contacto muy complicadas”, añade el doctor Jia. “Hemos conseguido un impresionante retorno de la inversión (ROI) con SOLIDWORKS Simulation Premium, software en el que confiamos para nuestro trabajo diario”.

“En la fase de diseño de productos se deben ejecutar una serie de estudios de simulación que van desde complicados análisis de elementos finitos de contacto hasta la optimización del diseño, la sensibilidad, análisis de movimiento y estudios de fatiga. Necesitamos una solución de FEA que no solo sea capaz de gestionar todos esos tipos de análisis, sino también producir resultados precisos de forma inmediata. Y esa solución se llama SOLIDWORKS Simulation Premium”.

Dr. Steve JiaIngeniero jefe, Tecnologías CAE e ingeniería de materialesLitens Automotive Group


veRifiCaCión de La pReCisión de soLidwoRKs simuLationPuede verificar la precisión de los resultados de SOLIDWORKS Simulation mediante problemas de verificación y benchmarks de la National Agency for Finite Element Methods and Standards (NAFEMS), incluidos en el software. El software SOLIDWORKS Simulation incluye problemas de verificación para todos los tipos de análisis, que comparan los resultados de FEA de SOLIDWORKS Simulation con las soluciones analíticas conocidas. El software también incluye benchmarks de NAFEMS para estudios estáticos, térmicos, no lineales, de frecuencia y dinámicos lineales. Los benchmarks de NAFEMS documentan la precisión de los resultados del análisis para todos los paquetes de FEA disponibles comercialmente. A continuación se muestran ejemplos de problemas de verificación de SOLIDWORKS Simulation y NAFEMS.

Flexión de una viga en voladizo

DescripciónCalcular la deformación máxima y la rotación máxima (θ) de una viga en voladizo cargada con una fuerza cortante de 4,4 N de magnitud que actúa sobre el extremo libre del voladizo. La longitud del voladizo es de 25,4 cm y las dimensiones de su sección transversal son de 2,54 cm X 2,54 cm. La viga en voladizo se modela como dos voladizos idénticos conectados a través de la cara común con una condición de contacto de unión rígida.

Tipo de estudioAnálisis estático

Tipo de mallaMalla sólida y malla de viga en estudios independientes

Propiedades de materialMódulo de elasticidad = 1 X 106 psi, coeficiente de Poisson = 0,4

Resultados

TeoríaMalla sólida de SOLIDWORKS

Simulation

Malla de viga de SOLIDWORKS

Simulation

Desplazamiento en el extremo libre (UX), cm -0,01 -0,01 -0,01

Rotación en el extremo libre (RY), radianes -0,0006 NA -0,0006

Solución analíticaDesplazamiento en el extremo libre: UX = (2* P*L3) / (6* E*I)

Rotación final: θ = 3 * UX / (2*L)

donde:• P: Fuerza cortante• L: Longitud de viga• E: Módulo de elasticidad• I: Momento de inercia del área


Frecuencias de un ala triangular

DescripciónCalcular las frecuencias naturales de un ala con forma de triángulo rectángulo isósceles. Los lados iguales del triángulo tienen 15,24 cm de longitud y un espesor de 0,086 cm. Uno de los lados iguales del triángulo es fijo.

Tipo de estudioFrecuencia

Tipo de mallaMalla de vaciado

Parámetros del materialEspesor de vaciado = 0,086 cm - Formulación fina

Propiedades de materialMódulo de elasticidad = 6,5 x 106 psi, coeficiente de Poisson = 0,3541, Densidad = 0,06411 lb/in3

Resultados

N. º frecuencias Teoría (Hz)SOLIDWORKS Simulation (Hz)

Malla de borrador Malla de alta calidad

1 55,9 55,917 55,925

2 210,9 211,130 211,363

3 293,5 292,701 293,198

ReferenciaASME Pressure Vessel and Piping 1972 Computer Programs Verification por I.S. Tuba y W. B. Wright, publicación I-24 de ASME, problema 2.

Arista fija


Flujo de calor de estado estacionario en una placa ortotrópica

DescripciónUna placa rectangular de 1 m X 2 m X 0,1 m genera calor a razón de Q = 100 w/m3. Se aíslan dos aristas adyacentes y las otras dos disipan el calor en el ambiente a 0º C. La placa cuenta con propiedades ortotrópicas. Determinar la distribución de la temperatura en el estado estacionario de la placa.

Tipo de estudioAnálisis térmico de estado estable.

Tipo de mallaMalla de vaciado.

Parámetros de vaciadoEspesor de vaciado = 0,1 m – Formulación fina.

Propiedades del material y otras entradasConductividad térmica en X = KX = 10 w/(m.K), Conectividad térmica en Y = KY = 0 w/(m.K). Coeficiente de convección en la arista larga = h1 = 10 w/m2.K. Coeficiente de convección en la arista corta= h2 = 1 = 20 w/m2.K.

Consejos de modeladoLa mitad de la placa está modelada. Las condiciones de aislamiento se aplican de forma automática si no se aplica ninguna otra condición.

ResultadosEl gráfico de variación de la temperatura en la dirección X a lo largo de la arista inferior del modelo, se muestra en la siguiente figura. El gráfico concuerda con los resultados de referencia.

ReferenciaM. N. Ozisik, Heat Conduction, Wiley, Nueva York (1980).


puntos de RefeRenCia de anáLisis no LineaL de nafems

Pandeo torsional de una viga en voladizoDeterminar la desviación Z para una viga en voladizo sujeta a una carga constante de P = 0,017 N en la dirección de Y. Fije la arista AB de la viga en voladizo. El problema se encuentra resuelto para el caso de carga conservadora. Se añade una pequeña carga lateral para simular la imperfección aplicada al análisis no lineal incremental.

Tipo de estudioEstático no lineal con formulación de grandes desplazamientos

Tipo de mallaMalla de vaciado

Tamaño de mallaUtilice una malla estándar con un elemento global de un tamaño de 1,5 mm.

Parámetros de vaciadoEspesor de vaciado = 0,02 mm – Formulación fina

Propiedades de material• Módulo de elasticidad (E) = 10 x 103 N/mm2• Radio de Poisson (v) = 0

ResultadosDefinir un sensor de flujo de trabajo en la ubicación objetivo y utilizar la herramienta Probe para trazar el gráfico del componente de desplazamiento UZ. Procesar los resultados utilizando un software de gráficos para generar el gráfico.

El eje X muestra el componente de desplazamiento UZ en mm y el eje Y muestra la carga aplicada en N.

La curva de desviación de carga concuerda con la solución de elementos finitos proporcionada en la referencia.

ReferenciaPublicación R0065 de NAFEMS (International Association for the Engineering Analysis Community), Background to Finite Element Analysis of Geometric Non-linearity Benchmarks, 1999.


benChmaRKs de vibRaCiones foRzadas de nafems

Placa fina simplemente apoyada sujeta a una presión aplicada de forma repentinaCalcular el máximo desplazamiento UZ y la tensión de flexión (SY o SX) en el centro de una placa cuadrada simplemente apoyada, de 10 m de lado y un espesor de 0,05 m, sujeta a una presión normal aplicada de forma repentina de 100 N/m2.

Tipo de estudioSe crean tres estudios de vaciado:

Nombre de estudio Tipo de estudio

Modal_Damping (Amortiguamiento modal) Dinámica lineal - Transitoria (Amortiguamiento modal)

Rayleigh_Damping (Amortiguamiento de Rayleigh) Dinámica lineal - Transitoria (Amortiguamiento de Rayleigh)

Static (Estático) Análisis estático

Tipo de mallaMalla de vaciado para los tres estudios. Espesor de vaciado = 0,05 m – Formulación fina.

Propiedades de materialIsotrópico elástico lineal. Módulo de elasticidad (E) = 2 x 1011 N/m2, Densidad (ρ) = 8000 kg/m3, radio de Poisson (ν) = 0,3

CargaPresión normal de 100 N/m2 aplicada repentinamente a toda la cara. El eje horizontal representa el tiempo (segundos) y el eje vertical, la presión (N/m2).

Opciones dinámicas• Número de formas

modales = 16• Tiempo de solución = 1,2 segundos• Intervalo = 0,002 segundos

Amortiguamiento• Modal_damping (Amortiguamiento modal): 2 %

de amortiguación crítica para todos los16 modos• Rayleigh_damping (Amortiguamiento de Rayleigh): coeficiente

de masa a0 = 0,299, coeficiente de rigidez a1 = 1,339 x 10-3.


ResultadosLos gráficos de respuesta de la tensión de flexión y el desplazamiento UZ en el centro de la placa concuerdan con los resultados del análisis. El gráfico describe el historial temporal de desplazamiento UZ en el centro de la placa. El eje horizontal representa el tiempo (segundos) y el eje vertical, UZ (mm).

SOLIDWORKS Simulation

ReferenciaModal_Damping (Amortiguamiento modal)

Rayleigh_Damping (Amortiguamiento de Rayleigh)

Desplazamiento máximo UZ en el centro

3,523 mm (t = 0,21 segundos)

3,445 mm (t = 0,21 segundos)

3,457 mm (t = 0,21 segundos)

Máxima tensión de flexión en el centro 2,484 N/mm2 2,360 N/mm2 2,296 N/mm2

Desplazamiento en el estado estacionario en el centro 1,817 mm 1,775 mm 1,775 mm

ReferenciaPublicación R0016 de NAFEMS, (International Association for the Engineering Analysis Community), Selected Benchmarks for Forced Vibration, Prueba 13T (1989).

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