Simulaciones CAE, predecir el comportamiento de una pieza antes de su fabricación

Existe cierta incertidumbre cuando un diseño pasa a la fase de fabricación, ya que no se puede asegurar que las características elegidas del diseño (como material y forma) son las más adecuadas para el producto final. Este hecho puede hacer que se aplique un sobredimensionado general de las piezas, que se traduce en un empleo excesivo de material.

En este sentido, Aiju conoce de primera mano aquellas herramientas de simulación que pueden ser útiles para predecir el comportamiento que tendrán las piezas diseñadas, bajo unas condiciones determinadas.

Estos estudios pueden ofrecer a la empresa una ventaja competitiva, ya que es capaz de predecir el comportamiento de las piezas o conjuntos antes de la fase de fabricación. Además, son una perfecta herramienta para innovar en diseños nuevos, pudiendo asumir la realización de modelos más arriesgados, ya que el diseñador puede evaluar de antemano cómo se comportará el nuevo modelo e incluso si estará dentro de normativa.

El proyecto Optiparc (proyecto subvencionado por la Generalitat Valenciana, en su línea de I+D del Impiva) desarrollado por Aiju, ha permitido crear una metodología específica para simular el conjunto de elementos de un parque infantil.

Son simulaciones que se realizan a partir de un modelo CAD en 3D que, realizando cambios en las variables de diseño y tipos de materiales, permiten al diseñador:

- Predecir el comportamiento estructural y cinemático de los elementos de los juegos de actividad diseñados.

- Optimizar el dimensionado de los elementos para el ahorro de costes.

- Predecir el cumplimiento de las normativas de seguridad aplicables, en este caso, la UNE-EN 71-8 y la UNE-EN 1176.

- Sustitución o estudio de distintos materiales.

- Comprobación estructural en nuevos diseños.

Todo ello utilizando herramientas avanzadas de simulación por elementos finitos, y simulación dinámica. Para ello Aiju dispone de las herramientas CAE: NX Nastran y MSC Adams.

El avance de este tipo de herramientas, hace que cada vez se puedan abarcar proyectos más complejos y simular conjuntos con diferentes materiales, como por ejemplo metales, plásticos o composites, etc.

Para poder realizar una simulación es necesario disponer previamente de los siguientes datos:

- Modelo en CAD 3 dimensiones.

- Propiedades mecánicas de los materiales que se quieren utilizar para cada pieza (especialmente las siguientes características: densidad, límite elástico, coeficiente de Poisson y módulo de Young).

- En el caso de plantear una simulación para verificar la bondad del diseño de acuerdo a la normativa de seguridad aplicable, hay que realizar la preparación y programación de los requisitos del apartado correspondiente que se desee simular.

- Predicción del comportamiento estructural y cinemático del modelo, evitando que una pieza pueda romperse o deformarse permanentemente o, por el contrario, que esté sobredimensionada.

- Conocer de antemano si el modelo diseñado pasará favorablemente el ensayo relativo a la normativa de seguridad.

- En el caso de un comportamiento negativo del modelo o pieza, se realizarán unas propuestas de mejora para rediseñar la pieza afectada.

- Sustitución de un material por otro. Tener conocimiento del espesor o cantidad de material necesario de aplicación de nuevos materiales a piezas ya diseñadas.

- Optimización el diseño reduciendo el espesor de las piezas, de manera que se reduzca el coste total, asegurando además que pasará favorablemente el ensayo correspondiente.

Se presenta un balancín que permite ilustrar, en un sencillo ejemplo, uno de los tipos de simulaciones que es posible realizar en las fases de diseño:

Para ello se atendió a la normativa se seguridad aplicable: la UNE-EN 1176 en el apartado de balancines, donde se especifica que “Se debe aplicar una carga sobre el equipo en el peor caso de las posiciones de los asientos, midiéndose el ángulo de inclinación y examinando si los extremos del equipo tocan el suelo. El valor de la fuerza a aplicar es de 167 N +/- 2,1 N (grupo de edad de 0 a 4 años) y/0 una fuerza de 279 N +/- 5 N (grupo de edad de 0 a 8 años) en cada uno de los asientos, y se medirá el ángulo de inclinación. Este ángulo no debe ser superior a 30º y las partes extremas no deben tocar el suelo”.

El objetivo de este estudio era el de realizar una comparativa variando la longitud del asiento (distancia entre el centro del balancín y el extremo del asiento), de manera que se pudiera aumentar esta medida pero comprobando que pasaría favorablemente el ensayo de seguridad.

- Ejemplo 1: longitud de asiento de 350 mm: inclinación de 17º (dentro de norma).

- Ejemplo 2: longitud de asiento de 500 mm: inclinación de 23º (dentro de norma).

- Ejemplo 3: longitud de asiento de 650 mm: inclinación de 32º (fuera de norma).

Se simula el ensayo y se obtienen las tensiones máximas y la deformación que sufre.

El tercer modelo de balancín no superaría el ensayo, ya que el muelle sufre una inclinación mayor a 30º.

En este sencillo ejemplo es posible estudiar una determinada forma en el diseño de acuerdo a una normativa. Además, siempre se verifica que las tensiones a soportar por el modelo son adecuadas a los materiales empleados y que no va a haber ninguna rotura o una deformación permanente por sobrepasar el límite elástico de los materiales empleados.