- Contexto general del análisis topológico en el análisis de elementos finitos (FEA).
El análisis topológico se ha convertido en una herramienta muy potente en el diseño asistido por ordenador (CAD) y la ingeniería asistida por ordenador (CAE), especialmente con el avance de los programas de simulación como SolidWorks Simulation.
El análisis topológico en el contexto del análisis de elementos finitos (FEA) se centra en la optimización de la forma y estructura de un componente con el fin de reducir peso, mejorar resistencia y eficiencia, y aumentar el rendimiento del diseño. Este tipo de análisis es crucial en aplicaciones como la aeronáutica, la automoción y la impresión 3D, donde se busca crear piezas más ligeras sin comprometer su integridad estructural.
En términos simples, el análisis topológico permite determinar dónde se puede eliminar material de una pieza sin afectar negativamente su comportamiento estructural. En SolidWorks, la herramienta principal para esto es el módulo de optimización topológica, que forma parte de SolidWorks Simulation.
- Fundamentos del análisis topológico.
El análisis topológico en SolidWorks implica el uso de algoritmos avanzados que analizan las distribuciones de esfuerzos en un componente o ensamblaje y luego eliminan material de las zonas donde los esfuerzos son bajos. Este proceso, llamado a menudo optimización de forma, se basa en el método de elementos finitos (FEA) para simular cómo se comporta un diseño bajo ciertas condiciones de carga y restricción.
Objetivo del análisis topológico: El objetivo principal es optimizar el diseño de una pieza asegurando que se utilice el mínimo material posible sin comprometer la integridad estructural. Es una herramienta clave para mejorar la eficiencia de diseños que deben ser ligeros pero resistentes, como en componentes aeronáuticos o de automóviles, aunque también es extrapolable a diseños relacionados con la industria del deporte en los casos en los que se quiera aligerar lo máximo un producto sin comprometer su resistencia.
¿Cómo funciona?:
- Se define un volumen de diseño (puede ser la pieza completa o una parte específica de la misma).
- Se aplican cargas y condiciones de frontera (como fuerzas, restricciones, etc.).
- El software analiza las tensiones y desplazamientos en el modelo.
- Después, el algoritmo de optimización topológica empieza a remover material de áreas con bajas tensiones o que no contribuyen de manera significativa a la rigidez estructural.
- El resultado es un diseño con un esqueleto o marco óptimo que soporta las cargas con el mínimo material posible.
Resultados esperados:
- Reducción de peso del diseño.
- Distribución uniforme de tensiones.
- Posibilidad de manufactura avanzada (por ejemplo, impresión 3D) debido a la geometría resultante, que a menudo es orgánica o compleja.
- Limitaciones:
- El análisis topológico es un proceso iterativo y, dependiendo del diseño, puede requerir varios ajustes. Además, el resultado de la optimización debe ser validado con otros tipos de análisis, como análisis estáticos o de fatiga, para asegurarse de que cumple con todos los requisitos funcionales.
- Comparación con otros tipos de análisis en SolidWorks Simulation.
Tradicionalmente el proceso para validar un diseño desde el punto de vista de resistencia mecánica siempre ha sido (y aún sigue siendo) utilizando un módulo de análisis estático convencional, de forma que partimos de un diseño inicial y comprobamos su coeficiente de seguridad mínimo. Si ese coeficiente de seguridad mínimo es todavía “alto” y el objetivo es minimizar la masa sin comprometer la resistencia, pues entonces lo que se hace es redefinir el diseño practicando mecanizados, disminuyendo espesores, etc…para otra vez de nuevo volver a calcular mediante elementos finitos hasta conseguir trabajar con un menor factor de seguridad minimizando el peso y además sin comprometer su seguridad estructural.
Pero adicionalmente, por ejemplo dentro del módulo de fem de solidworks (y también en otros programas CAD) existen dos alternativas más depuradas para el fin que estamos planteando, que son los Estudios de Diseño y la Optimización Topológica.
Vamos a comparar a continuación todos estos tipos de estudios entre ellos:
Análisis Estático (Static Analysis):
- Descripción: El análisis estático evalúa cómo un componente responde a cargas constantes o lentas. Se estudian parámetros como tensiones, deformaciones y desplazamientos bajo condiciones de carga estáticas.
- Objetivo: Validar que la pieza o ensamblaje resista las cargas aplicadas sin fallar o deformarse permanentemente.
- Ventajas: Es fundamental para evaluar si un diseño cumple con los criterios de seguridad y resistencia.
- Limitaciones: No optimiza el diseño en sí mismo; solo te dice si el diseño existente puede soportar las cargas.
Estudios de diseño (Design Studies):
- Descripción: Un estudio de diseño es una herramienta que permite comparar varias configuraciones o variaciones de un diseño bajo las mismas condiciones de carga. Puedes modificar parámetros como dimensiones, materiales o tipos de restricciones.
- Objetivo: Explorar cómo diferentes variantes del diseño se comportan bajo las mismas condiciones.
- Ventajas: Permite encontrar el mejor diseño entre varias opciones, ajustando parámetros clave.
- Limitaciones: No realiza una optimización tan compleja o directa como la optimización topológica; depende de la intervención manual para definir las variantes.
Análisis topológico vs. Estático: Mientras que el análisis estático te dice si un diseño es lo suficientemente fuerte para soportar una carga, el análisis topológico va más allá al sugerir cómo mejorar el diseño eliminando material innecesario. El análisis estático es necesario para verificar el resultado del análisis topológico.
Análisis topológico vs. Estudios de diseño: Un estudio de diseño evalúa variaciones predeterminadas del diseño, mientras que la optimización topológica genera nuevas geometrías optimizadas basadas en las cargas y restricciones. El análisis topológico es más automático en cuanto a la generación de una nueva forma optimizada.
- Un caso concreto en Solidworks.
Vamos a realizar una optimización Topológica de un diseño mediante Solidworks.
Para ello vamos a partir de un diseño inicial y le vamos a aplicar ciertas de condiciones de contorno en un análisis estático convencional; entre ellas una fuerza en uno de los taladros de valor 5000 N en dirección Y negativa, además de las restricciones pertinentes para fijar la pieza.
Tras el estudio estático, lo que podemos observar a continuación es que tenemos una tensión máxima de 42.1 MPa y un coeficiente de seguridad mínimo de por lo tanto de 14.74.
La masa inicial es de 6398 gramos:
Por lo tanto, dado el alto coeficiente de seguridad mínimo, todavía tenemos margen para reducir la masa del diseño y trabajar a un coeficiente mínimo de seguridad de 3 por ejemplo.
Para ello podríamos proceder a modificar el diseño y por ejemplo intuitivamente mecanizar material por la parte central de la “viga” y volver a realizar un estudio estático hasta conseguir el resultado en cuanto a masa y coeficiente de seguridad esperado. Como hemos comentado anteriormente ésta podría ser una metodología. Pero vamos a ir más allá y vamos realizar un estudio topológico:
En nuestro estudio topológico vamos a definir por ejemplo que queremos reducir la masa en un 30 % y trabajar con un coeficiente de seguridad mayor a 3. Es posible que ambas entradas sean incompatibles entre sí, pero eso Tras realizar los cálculos el programa automáticamente eliminará material de las regiones menos solicitadas y que crea oportuno.
En la siguiente imagen podemos observar las regiones que nos sugiere a eliminar SW tras las iteraciones llevadas a cabo según las condiciones externas impuestas:
Y este sería el resultado del diseño en formato sólido de gráficos:
Hay que tener en cuenta de que las formas sugeridas suelen ser bastante orgánicas que pueden tener cierta incompatibilidad a nivel estético en algunos sectores de diseño; pero en cualquier caso el diseñador siempre puede aproximarse a lo sugerido en la medida de lo que crea conveniente trabajando sobre la pieza original.
En cualquier caso, es responsabilidad del diseñador el volver a analizar de nuevo la forma sugerida para ver si cumple con nuestros objetivos impuestos por diseño (en términos de peso y factor de seguridad).
Gracias por leer hasta aquí. Si estuvieras interesado/a en algunas de nuestras formaciones que ofrecemos en CADEMS no dudes en ponerte en contacto con nosotros y trataremos de informarte.
