Avances infinitos mediante elementos finitos

Avances infinitos mediante elementos finitos

Las herramientas CAE están a día de hoy muy extendidas y el análisis por elementos finitos está teniendo mayor impacto de lo que había tenido hasta el momento. Las capacidades que presenta la ingeniería asistida por ordenador (CAE) se venían utilizando en campos muy concretos donde los recursos eran prácticamente ilimitados. Por ejemplo, en el ámbito aeronáutico, los diseños de los aviones  buscan mejorar la eficiencia de vuelo y  dentro de la fórmula 1, el objetivo está puesto en aumentar la fuerza de pegado del coche contra el suelo.

Actualmente no existe ningún campo de la ciencia o de la ingeniería que no se haya visto impulsado  y en algunos casos transformado por los programas de simulación o simulación computacional. En la industria actual, independientemente del sector, se está comenzando a alcanzar el potencial del cálculo numérico para simular la realidad física que se presenta en cualquier tipo de problema o desarrollo industrial.

La industria deportiva hace gala de este hecho, por ejemplo, SPEEDO fabrico trajes de baño, que mediante un efecto de compresión, producían  ligeros cambios en la forma del cuerpo del nadador logrando reducir la fuerza de arrastre más de un 15 por ciento. Estos trabajos empezaron a dar sus frutos en  los JJ.OO. de Pekín donde el 94% de las medallas fueron a parar a sus nadadores (Michael Phelps, Mireia Belmonte…) batiéndose 23 de las 25 marcas registradas (según la FINA).

El problema ingenieril de un nadador y el de un avión es básicamente el mismo. Tienes una forma a través de un fluido que debe atravesarlo lo más rápido posible. Por tanto, estamos aplicando conceptos de resistencia aerodinámica, propios de la aeronáutica para diseñar “bañadores”. Este ejemplo,  define claramente el punto por el que atraviesa los programas de simulación hoy en día, donde se usa la alta tecnología para resolver lo que podríamos definir como  problemas de andar por casa.

De acuerdo con Lesa Roe, director del centro de investigación de la NASA en Langley Research Center «el modelado y la simulación son más viejos que la NASA». Desde las primeras calculadoras humanas, tal como nos cuenta la película “Figuras ocultas (2016)”, hasta principios de siglo era inviable la utilización de esos recursos para problemas menores. Poco a poco  la simulación  fue quemando etapas, alrededor del año 2000, algunos expertos creían que la simulación en la ingeniería había alcanzado techo debido a la escasez  de ingenieros de alto nivel capaces de trabajar los modelos de cálculo,  a los equipos relativamente lentos de la época y a la sectorización de los problemas a tratar. Sin embargo, el desarrollo de los equipos y las simplificaciones integradas en los softwares han permitido que empresas sin los recursos que puedan tener la industria del motor o de la aeronáutica, accedan al campo de la simulación para predecir los fenómenos que gobiernan  la naturaleza de los problemas que se presentan en sus productos, buscando de esta forma la mejora continua. Así, la ingeniería de la simulación ve ahora infinitas oportunidades de crecimiento, basadas en esas nuevas necesidades y en los retos que estas plantean.

Y tal como dice el refrán, «La necesidad hace maestros», desde CARTIF se trabaja en dar el soporte necesario y ayudar a nuestros clientes en la mejora de sus productos. Me gustaría destacar la determinación del comportamiento estático de envases por simulación mediante el método de los elementos finitos.

En envases de paredes de pequeño espesor, el interés del comportamiento resistente se centra en los fenómenos  de inestabilidad elástico o abolladuras (régimen elástico no lineal).

A través de estas simulaciones podemos detectar puntos débiles y fallas de diseño antes de la fabricación, con el consiguiente ahorro de tiempo, material y dinero. Durante el análisis se tienen en cuenta parámetros como el material (PET, HDPS, aluminio…), grosor, contenido líquido, etc. que definen el envase y permiten predecir su rendimiento, dando lugar a curvas características de deformación bajo carga, cargas máximas de colapso, tensiones y deformaciones ante los casos de carga a los que puede verse sometido durante la fabricación, el llenado, el embalaje y el transporte, incluyendo cambios de temperatura, variaciones de presiones e impactos.

En otro sentido y apoyándonos en los diferentes programas de simulación y conscientes de que los datos son la nueva moneda del futuro, desde CARTIF se trabaja además en el campo de la monitorización estructural con el fin de predecir necesidades de mantenimiento o detectar desviaciones funcionales basadas en los comportamientos simulados sobre modelos digitales. Esta idea puede ser revisada en mi anterior post ‘Cuando las estructuras envejecen’.

Cuando las estructuras envejecen

Cuando las estructuras envejecen

¿Cómo reducir el esfuerzo económico que suponen las tareas de mantenimiento y conservación estructural implantando sistemas de monitorización?

Las estructuras no son eternas. Se proyectan para prestar un servicio durante un número de años determinado. Así, la vida útil del mástil de un aerogenerador es de, aproximadamente, 20 años mientras que en el caso de un puente dependerá de la tipología y del material utilizados. De acuerdo con Guy Grattesat, un puente metálico tendrá una vida útil de 40 años, 100 años para los de hormigón armado, entre 15 y 20 años los fabricados en madera y unos 200 años para los proyectados en mampostería. No obstante, sobrepasar la vida útil prevista no debe implicar necesariamente el desmantelamiento de la estructura. En general lo que se hace es un seguimiento más exhaustivo de la misma y  aplicar medidas de conservación en caso necesario.

El parque estructural europeo está alcanzando la vida útil para la que fue diseñado y empieza a dar señales de fatiga. Según Eva Lantsoght, profesora de Ingeniería de la Universidad San Francisco de Quito, “los puentes europeos son viejos, pero reemplazarlos implica una gran inversión. Solo en Holanda existen alrededor de 3.000 puentes que podrían presentar problemas, pero sustituirlos cuesta alrededor de un millón de euros cada uno”. Por mencionar otro ejemplo, los primeros aerogeneradores  (1984) cuya eclosión tecnológica llegó en 2002 (según la GWEC, Global Wind Statistics) tendrán grandes necesidades de mantenimiento y el crecimiento de estas necesidades, imagino, tendrá la misma curva exponencial que ha tenido el desarrollo de los aerogeneradores en el pasado.

18 acelerómetros MENS triaxiales (desarrollados por CARTIF) alojados dentro de la barandilla de forma equiespaciada

Con estos antecedentes, quiero resaltar la importancia que adquiere conseguir reducir el esfuerzo económico que implican las tareas de mantenimiento y conservación estructural. Por ello, los sistemas de monitorización son la solución que se viene desarrollando en los últimos años.  Lo más usual en este tipo de infraestructuras es colocar una red de acelerómetros con los que sea posible determinar el comportamiento vibratorio de la estructura. Esta identificación permite estimar sus características modales analizando así su integridad ante cambios estructurales futuros. La idea es conocer cómo se comporta la estructura cuando está bien para determinar cuándo no lo está, controlando la variación de unos pocos parámetros, los que caracterizan modalmente a la estructura (frecuencia, modo y amortiguamiento) y de forma remota a ser posible. El término “monitorización” encierra en su semántica que el sistema es automático en el sentido de que registra valores dinámicos de  forma continua, pero sin ningún tipo de interpretación. La interpretación de los valores dotándoles de sentido y significado también debería ser de forma automática mediante la integración del correspondiente sistema de alarmas.

Para la obtención de estos parámetros se requiere una cierta comprensión en el campo de la dinámica además de experiencia en técnicas experimentales de identificación modal. Tanto las que se basan en conocer la señal de fuerza aplicada sobre la estructura (Análisis Modal Experimental “EMA”) como las usadas cuando no conocemos la carga a la que está sometida la estructura (Análisis Modal Operacional “OMA”).

El mantenimiento controlado por sistemas de monitorización, en lugar de por las rudimentarias inspecciones visuales basadas también en pruebas de carga, será un importante nicho de negocio para empresas que sean capaces de realizar este control estructural reduciendo al máximo los costes de los equipos a usar.

En este sentido, puedo mencionar el éxito de la monitorización low-cost de la Pasarela Peatonal Pedro Gómez Bosque (construida en Valladolid) que lleva controlada por el equipo de CARTIF más de tres años. En este tiempo, la estructura nos ha facilitado datos de cómo se comporta en función de su uso, en verano, en invierno, bajo fuertes rachas de viento, etc. Con el análisis de esta información sabemos qué entra dentro de lo normal para, en el futuro, marcar los límites y determinar anomalías.