Simcenter Simsolid

La simulación numérica se ha consolidado como un pilar estratégico del diseño mecánico moderno. Desde las primeras fases conceptuales hasta la validación final, las soluciones de análisis estructural permiten anticipar el comportamiento del producto, reducir campañas de ensayo físico y acelerar la toma de decisiones de ingeniería.

Sin embargo, cualquier usuario de soluciones FEM conoce el principal cuello de botella del proceso: la generación de la mesh. La simplificación geométrica, el defeaturing, la definición de contactos y la validación de la calidad de los elementos consumen una parte importante del tiempo de análisis.

Simcenter Simsolid responde a este reto mediante una tecnología de simulación “meshles”, capaz de trabajar directamente sobre la geometría CAD sin necesidad de generar una mesh tradicional.

Contrariamente a lo que podría parecer, “sin mesh” no significa “sin discretización”. Simcenter Simsolid utiliza una discretización volumétrica adaptativa que elimina la necesidad de generar una malla tradicional basada en una red regular de elementos finitos.

En lugar de definir nodos y conectividades, el software divide la geometría CAD en regiones de soporte volumétricas, superficiales y lineales sobre las que se construyen funciones de aproximación. Estas funciones representan el comportamiento elástico de la estructura y se adaptan automáticamente en aquellas zonas donde se requiere una mayor precisión.

El resultado es un enfoque que no depende de la calidad del mesh y que no exige modificaciones sobre la geometría CAD original. Incluso modelos complejos, con radios pequeños, roscas, taladros o detalles constructivos, pueden analizarse directamente, evitando operaciones de preparación o limpieza del modelo CAD (CAD cleaning). 

Además, el solver de Simcenter Simsolid es iterativo y adaptativo: en zonas con elevada concentración de tensiones, el software introduce automáticamente grados de libertad adicionales, mejorando progresivamente la precisión y la calidad de la solución.

La primera ventaja evidente es la rapidez en la preparación del modelo. Análisis que, con un código FEA tradicional, requerirían horas de modelado pueden completarse en cuestión de minutos o incluso segundos.

Sin embargo, no se trata únicamente del tiempo ahorrado durante la fase de modelado FEM. La tecnología meshless de Simcenter Simsolid aporta además otras ventajas relevantes:

▪ Análisis directo sobre CAD: sin simplificación geométrica, sin idealización y sin necesidad de defeaturing.

▪ Ensamblajes complejos: gestión automática de cientos de piezas, uniones soldadas y atornilladas.

▪ Conexiones inteligentes: reconocimiento automático de contactos y uniones.

▪ Precisión validada: estudios de NAFEMS y ensayos independientes muestran desviaciones de solo unos pocos puntos porcentuales respecto a los solvers FEA tradicionales.

▪ Iteraciones rápidas: posibilidad de evaluar múltiples alternativas de diseño en el mismo tiempo que requeriría un único análisis convencional.

Como ejemplo, a continuación se muestra el modelo de un pequeño ensamblaje compuesto por vigas fabricadas con chapa plegada y unidas entre sí mediante tornillos. El modelo se ha analizado tanto con el entorno FEM Simcenter Femap utilizando el solver Simcenter Nastran, como con Simcenter Simsolid.

Dado que la geometría permite distintos enfoques de modelado, el análisis FEM “tradicional” se ha llevado a cabo utilizando tres tipos diferentes de mesh:

▪ Elementos Tetra10: mesh generada automáticamente definiendo 2 elementos a través del espesor de las chapas. El modelo se construyó con 124 mil nodos y 243 mil elementos.

▪ Elementos Hexa8: mediante la partición de los cuerpos en geometrías simples y utilizando el Hexa-Mesher de Femap. También en este caso se modelaron 2 elementos a través del espesor. El modelo se construyó con 34 mil nodos y 54 mil elementos.

▪ Elementos Quad4: extrayendo la superficie media de las chapas mediante el comando Midsurface de Femap. El modelo se construyó con 16 mil nodos y 17 mil elementos.

En los tres casos anteriores, los tornillos pretensados se representaron mediante elementos Beam, conectados al resto del modelo mediante elementos RBE2. La preparación de la geometría necesaria para conectar los tornillos y su posterior modelado representó, en todos los casos, una de las fases que más tiempo requirió.

Aplicando a los distintos modelos las mismas condiciones de contorno (restricciones, carga y pretensado de los tornillos), se obtuvieron los siguientes resultados en términos de deformación máxima de la estructura.

Como puede observarse, los resultados obtenidos con Simcenter Simsolid están alineados con los de los dos modelos desarrollados mediante elementos sólidos, mientras que el modelo realizado con elementos shell presenta una rigidez ligeramente superior. Esto puede explicarse porque el elemento Shell de Nastran no es capaz, de forma intrínseca, de representar estados de deformación y tensión variables a través del espesor.

En la zona de los tornillos, el pretensado introduce un estado tensional que tiende a “comprimir” localmente la chapa, y este efecto no puede ser capturado completamente por los elementos shell, dando lugar a un resultado ligeramente aproximado.

Por tanto, puede afirmarse que el método meshless permite establecer un flujo de trabajo de simulación considerablemente más rápido, sin que estas simplificaciones tengan un impacto significativo en la precisión de los resultados.

En este sentido, existen numerosos estudios y comparativas disponibles que analizan los resultados obtenidos por el solver meshless de Simcenter Simsolid frente a solvers tradicionales. Entre ellos destacan tanto referencias más académicas, como los modelos de validación desarrollados por NAFEMS, como comparativas orientadas a la industria, como el benchmark realizado entre Simsolid y SolidWorks Simulation.

 Simcenter Simsolid encuentra aplicación en distintos sectores:

▪ Automoción y maquinaria industrial, donde la rapidez es un factor clave en la validación de estructuras complejas con uniones soldadas o atornilladas.

▪ Diseño de producto, para evaluar conceptos y optimizar geometrías en tiempos reducidos.

▪ Arquitectura y construcción, para el análisis de celosías, fachadas y estructuras metálicas complejas.

▪ Análisis de fatiga y vibraciones, gracias a los módulos integrados para evaluaciones SN/EN, incluso en uniones soldadas.

A pesar de su versatilidad, Simcenter Simsolid todavía no está en condiciones de sustituir completamente al análisis FEM tradicional. Existen aplicaciones en las que su tecnología, aunque robusta y fiable en el ámbito del análisis lineal de tensiones (linear stress analysis), presenta ciertas limitaciones.

Por ejemplo, en escenarios con no linealidades complejas, plasticidad o análisis dinámicos transitorios, los métodos tradicionales continúan siendo imprescindibles. No obstante, la combinación de ambos enfoques ya permite hoy disponer de un flujo de simulación más eficiente e iterativo, desplazando la validación numérica cada vez más hacia las fases iniciales del proceso de diseño.

Simcenter Simsolid se integra fácilmente con los sistemas CAD más utilizados del mercado (SolidWorks, Inventor, Creo, NX y CATIA) y puede utilizarse tanto como aplicación standalone como integrado dentro de la plataforma Simcenter Inspire.

Muchas empresas lo adoptan como herramienta de preanálisis, permitiendo filtrar rápidamente las alternativas menos prometedoras para concentrar posteriormente los esfuerzos en aquellas soluciones con mayor potencial durante la fase final de validación mediante un enfoque FEM tradicional.

Este enfoque “híbrido” permite reducir significativamente los tiempos de desarrollo, fomentar la colaboración entre diseñadores e ingenieros de simulación y alcanzar un mejor equilibrio entre velocidad y precisión.