Preparación de modelos para generación de mallas


Todo proyecto aplicado en el área de CAE (Computer-Aided Engineering) inicia en la etapa del pre-procesamiento, pare ser más preciso aún, en un modelo CAD (Computer-Aided Design). La representación del producto es hecha por un modelo geométrico, el cual normalmente  es  creado por un equipo de proyectistas responsables de analizar el montaje y la aplicabilidad del producto, pero no necesariamente contemplando en el futuro un análisis CAE del componente. De modo que el modelo CAD, encaminado hacia la manufactura, generalmente no contempla los requisitos de un análisis CAE, y  en la mayoría de los casos no  se los atiende.

Para garantizar el éxito del proyecto es necesario realizar una evaluación del modelo CAD, el cual necesita ser tratado previamente a su exportación hacia el software de simulación. La preparación del modelo tiene el objetivo final de generar una malla (mesh) la cual es un modelo discretizado que será utilizado por el software para resolver las ecuaciones de la física pertinente en el modelo en cuestión. Esta preparación es importante porque, dependiendo de la industria y aplicación, cerca de 90% del tiempo de análisis puede ser invertido en esta etapa.

Preparação do modelo para geração da malha
Preparação do modelo para geração da malha

Al realizar la preparación del modelo para la generación de la malla es importante destacar que cualquier limpieza de la geometría debe atenerse al hecho de que las modificaciones realizadas contemplen facilitar y optimizar la etapa de generación de la malla, de modo que la discretización sea hecha con calidad. O sea, al generar la malla del modelo, se debe analizar el nivel de detalle de la misma, con el objetivo de garantizar que el análisis sea realizado adecuadamente.

Luego, una buena malla es aquella que presenta elementos poco distorsionados y deformados. Este parámetro puede ser evaluado por medio de las estadísticas de la malla. Una de estas estadísticas es el Skewness, una métrica que evalúa cuan deformado está el elemento basado en su volumen. Zonas con detalles innecesarios, caras con ángulos agudos y zonas problemáticas, resultarán en una malla de má calidad. Por eso es que el ingeniero de simulación da tanta importancia a  la limpieza y simplificación del modelo CAD.

Pero, que es preparar un CAD?
De forma simple y directa, preparar un modelo CAD es cualquier alteración realizada por el analista para permitir la obtención de una malla adecuada para el estudio. Por ejemplo: En un análisis estructural (FEA), es común preparar chapas finas y volumétricas por elementos 2D llamados shells (cáscaras). También es común que barras volumétricas sean simplificadas en elementos 1D llamados Beams (vigas). El objetivo de estas acciones es la disminución del número de elementos en el análisis, permitiendo que el caso sea estudiado con menor costo computacional.

Pero las simplificaciones no terminan ahí. Es común que roscas y pernos, por ejemplo, sean removidas y su funcionalidad se sustituida por contactos, una solución numérica del método. Las soldaduras también son removidas usualmente y simplificadas por medio de contactos. Los elementos de fijación pueden ser removidos y simplificados en el análisis por medio de juntas. Los detalles bajo o sobre relieve, como una inscripción con detalles del componente también son removidos para reducir la cantidad de elementos de la malla. Los redondeos y pequeños detalles pueden ser retirados en las regiones alejadas de la zona de interés. Otra práctica usual y que demanda mucha simplificación de la geometría es el submodelaje, técnica en la cual el modelo CAD es simplificado en su totalidad y resuelto, para entonces aprovechar los resultados en una zona o componente específico con mayor nivel de detalle.

En un análisis CFD (Fluidodinámica Computacional) la simplificación de la geometría es otra, a pesar también de consumir mucho tiempo. La preocupación no es remover la rosca de un perno, sino en remover el perno. Pequeñas grietas deben ser removidas para evitar  un refinamiento innecesario de la malla en regiones de poco interés. Los redondeos son removidos o transformados en biseles para evitar refinamiento de curvatura. Si posible, las zonas de proximidad son eliminadas para permitir la generación de mayores elementos de malla. Las perforaciones son removidas para simplificar el modelo.

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Así como los casos estructurales poseen particularidades, lo mismo ocurre con los casos CFD. Debido a los efectos de la capa límite, se hace necesaria la creación de una capa de elementos prismáticos para capturar los fenómenos involucrados en estas zonas. Para que la capa sea continua y libre de perturbaciones es primordial que no existan caras dañadas o zonas de cuatro normales (regiones que perjudican o incluso imposibilitan la generación de los prismas). Además de esto, la mayor diferencia de la preparación de mallas en CFD con los modelos estructurales es la necesidad de una etapa extra: la generación de dominio fluido. Como el interés es en el fluido y en el espacio ocupado por él, es necesario quitar un negativo del dominio para que la malla sea generada en este volumen.

Existen también simplificaciones comunes a las dos físicas, como resolución de interferencias, reconstrucción de caras faltantes en el modelo, remoción de aristas y puntos innecesarios y la reconstrucción de alguna cara dañada durante la exportación del modelo CAD.

Etapas para la preparación del modelo y la generación de la malla
Existen algunas etapas que el analista CAE debe seguir para preparar un modelo CAD para la generación de una malla de calidad. A continuación se indican cuáles son los pasos básicos del proceso:
– Importar, examinar y repara la geometría exportada del CAD;
– Generar una malla preliminar o incluso una malla superficial para inspeccionar la discretización;
– Hacer operaciones para mejorar la malla superficial o generar refinamientos localizados en el dominio;
– Generar la malla final.

Al seguir estos pasos, el ingeniero de simulación garantiza una malla de calidad y la calidad del análisis realizado en las  herramientas CAE.

Cuáles son los principales desafíos que usted ha encontrado en la preparación de modelos y generación de mallas?

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