Análisis por elementos finitos con Code_Aster
Los programas de cálculo por elementos finitos aparecieron en la década de 1970, utilizaban toda la capacidad de cálculo de las grandes computadoras (mainframes), y estaban dirigidos esencialmente a las industrias aeronáutica, automotriz, de defensa y nuclear.
En la actualidad, este tipo de programas de cálculo pueden funcionar de forma satisfactoria en ordenadores personales, y permiten realizar al mismo tiempo el análisis de diferentes fenómenos, como por ejemplo, termomecánica, electromecánica y mecánica estructural.
Algunos de los productos disponibles más conocidos son ABAQUS, Nastran, Comsol Multiphysics y ANSYS. El gran problema es el coste de cada licencia que tiene este tipo de software, lo cual lo convierte en prohibitivo para muchas pequeñas empresas y oficinas técnicas, que trabajan en el desarrollo de nuevos diseños de máquinas de diversos tipos.
Afortunadamente, en los últimos años, han ido apareciendo diversos programas de software libre tales como Open FEM, Code_Aster, Salome-Meca, Calculix, Elmer, etc (Software gratuito para cálculo por Elementos Finitos), que permiten realizar estudios de análisis por elementos finitos similares a los que se pueden realizar con software comercial, pero sin coste en la adquisición de licencias.
INTRODUCCION A CODE ASTER:
Una de las alternativas más completas es el Code_Aster, desarrollado inicialmente por la empresa francesa Électricité de France (EDF), para el estudio y mantenimiento de plantas y redes eléctricas, y posteriormente liberado bajo la GNU General Public License, en octubre de 2001.
Code-Aster es un software OpenSource de análisis por el Método de los Elementos Finitos (FEM), y simulación numérica en mecánica estructural y multifísica. Las posibilidades de cálculo que proporciona Code_Aster son muy amplias ya que abarca múltiples disciplinas: análisis tridimensional mecánico y térmico principalmente, hidrodinámica, metalurgia, hidratación, secado… ya sean condiciones estacionarias o transitorias, y tanto en procesos lineales como no lineales. Además, posee herramientas específicas para fatiga, deformación, fractura, contacto, geotecnia, materiales porosos, etc.
Adicionalmente, el software Code-Aster viene integrado en un paquete de software bajo el nombre de SalomeMeca que incluye software de Pre-Proceso (Salome Platform) y Post-Proceso (Paraview), para facilitar y agilizar la preparación y resolución de simulaciones.
Code_Aster contiene 1.500.000 líneas de código fuente, la mayor parte en Fortran y Python, y está siendo constantemente desarrollado, actualizado y mejorado con nuevos modelos. Los estandards de calidad requeridos por la industria nuclear han permitido obtener un software que alcanza los más altos niveles de funcionalidad y precisión en los resultados numéricos, los cuales han sido validados por medio de comparaciones independientes con resultados analíticos o experimentales, además del uso de puntos de referencia hacia otros códigos. El software se proporciona con cerca de 2.000 test, que se dedican a la calificación elemental y son útiles como ejemplos. La documentación de Code_Aster incluye más de 14.000 páginas y abarca los manuales de usuario, manuales de teoría que incluyen la compilación de los conocimientos técnicos de EDF en mecánica, problemas de ejemplo y manuales de verificación. La gran mayoría de la documentación está todavía solamente en francés.
Para hacerse una idea de la validez de este software es necesario comentar que la mayoría de las aplicaciones de Code_Aster se han comprobado con métodos analíticos y experimentales, los cuales los podemos encontrar en la documentación oficial en la sección «Validation». De hecho, EDF lo ha aplicado al desarrollo de sus centrales nucleares (es el mayor productor de energía nuclear de Europa), por lo que este software cumple con los estándares de seguridad requeridos por la industria nuclear.
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO:
El cálculo por elementos finitos se realiza a partir de los modelos 3D previamente realizados por ordenador, lo que se conoce como CAD 3D, es decir los componentes son creados virtualmente por ordenador a escala real, posteriormente todos estos elementos, ordinariamente compuestos por gran número de elementos, son ensamblados en conjuntos y subconjuntos, para crear un ensamblaje completo realizado por ordenador.
Posteriormente se realiza el análisis por ordenador del comportamiento de estos elementos, se le aplican a las geometrías las propiedades de materiales con las que están fabricados, condiciones de contorno, restricciones y cargas, etc. Puede ser necesario realizar gran número de simulaciones FEM antes de validar un diseño, es necesario comprobar el comportamiento de cada uno de los elementos que componen la máquina diseñada.
A continuación, se muestra el comportamiento de un cigueñal de un motor sometido a las cargas que recibirá durante su funcionamiento real una vez contruido, el análisis muestra el nivel de tensiones que recibe el material en cada punto de su geometría.
INTERFAZ CON SALOME-MECA:
Code_Aster ofrece una versión modificada de SALOME a la cual le incluye distintas herramientas para poder trabajar con este solver FEM, y se llama Salome-Meca. Incluye no solo el solver, si no también herramientas para trabajar con Code-Aster como Eficas-CodeAster con el que podemos escribir nuestros casos FEM mediante una interfaz gráfica la cual nos da acceso a todos los comandos posibles y evalúa los pasos necesarios para cumplir con dada comando; ASTK con el que podemos manejar y configurar las simulaciones que realizaremos; y unos plugins para distintos análisis con los cuales podemos crear nuestros análisis de manera muy sencilla.
Las herramientas Eficas-CodeAster y ASTK también las podemos descargar y utilizar independientemente de Salome-Meca.
COMPATIBILIDAD CON OTROS PROGRAMAS DE CODIGO ABIERTO:
Salome-platform
Como vimos anteriormente Code_Aster ofrece una versión de Salome con herramientas extras para utilizarlo en conjunto con el solver. Pero también podemos utilizar solamente la plataforma Salome, para explorar las nuevas características de las versiones mas nuevas, ya que, como es lógico, primero sale una versión nueva de Salome antes que una nueva de Salome-Meca.
Gmsh
Gmsh es una herramienta de código abierto para crear mallados a partir de una geometría. Puede crear geometría a través de una archivo de texto plano con su propio lenguaje de programación e importar varios formatos típicos. A partir de la geometría (creada o importada) puede crear distintos mallados con una gran cantidad de opciones disponibles y también puede usarse como post-procesador de resultados. Es una herramienta muy útil para utilizarse junto a varios solver FEM y CFD.
COMPATIBILIDAD CON PROGRAMAS CON LICENCIA
FEMAP es una plataforma de pre y post-procesamiento para análisis FEM creada por SIEMENS. La misma puede acoplarse con una gran variedad de solvers comerciales de código cerrado como NASTRAM, ANSYS y ADINA. La empresa SIGMEO ofrece una solución para integrar Code_Aster y Femap.
SimScale es una plataforma de simulación de ingeniería en 3D basado en la nube que permite a cualquier persona, en el equipo de desarrollo de productos o de calculo, simular el comportamiento físico de sus productos dentro de un navegador web estándar, teniendo acceso a varios solver de código abierto, entre ellos como solver FEM alternativo a Code_Aster. Más información aquí: www.sigmeo.fr/femap-code-aster
