SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Y VALIDACIÓN DE DISEÑO DE INGENIERÍA

La industria necesita de herramientas de validación para el desarrollo de sus nuevos productos o procesos productivos, sobre todo en la fase de diseño. Con el crecimiento del poder de computo de los ordenadores se han desarrollado softwares de ingeniería asistida por computador (CAE); los cuales permiten la simulación de procesos productivos o la evaluación del entorno de trabajo de un producto, ayudando de esta  manera su verificación y optimización. Estas herramientas modelan fenómenos físicos mediante ecuaciones matemáticas complejas que son resueltas por un ordenador, a continuación se describen los métodos  utilizados por estas herramientas.

Métodos  numéricos  para la simulación de procesos y diseño de ingeniería

Los fenómenos físicos suelen estar gobernados por modelos matemáticos que se expresan mediante ecuaciones diferenciales ordinarias ó ecuaciones diferenciales parciales; por otro lado estas ecuaciones son difíciles de resolver de manera analítica y requieren métodos numéricos aproximados para su resolución.  Los métodos renuncian a una solución exacta del fenómeno y buscan encontrar valores puntuales en el dominio del espacio y el tiempo; así mismo las ecuaciones diferenciales se transforman en ecuaciones algebraicas las cuales se resuelven de manera iterativa por un computador; encontrado de esta manera los valores físicos de las variables. Los pasos del algoritmo de solución de una simulación de un proceso industrial ó la evaluación numérica de un diseño son los siguientes:

  • Generación del dominio computacional: región del espacio donde ocurre el fenómeno y que además tiene límites con sus alrededores.
  • División del dominio computacional: también se conoce como mallado y en este el dominio computacional se divide en pequeños elementos formado una malla.
  • Selección de ecuaciones de gobierno: elección de los modelos físicos y matemáticos que requiere la simulación.
  • Condiciones iniciales: selección de los valores iniciales de las variables físicas en el dominio computacional.
  • Condiciones de frontera: se establecen las restricciones físicas entre el dominio computacional y sus alrededores.
  • Generación de ecuaciones algebraicas: el método seleccionado genera un conjunto de ecuaciones discretas para cada uno de los nodos del dominio computacional.
  • Solución de ecuaciones: se resuelve numéricamente y de forma iterativa el conjunto de ecuaciones generado.
  • Visualización y análisis de resultados: se muestran los resultados de la solución numérica y se analizan para tomar decisiones sobre el proceso ó diseño.

 Aplicaciones en la industria

Algunas aplicaciones de la simulación numérica en la industria son:

  • Análisis de estructuras: con el cual se estudia los esfuerzos, las deformaciones, modos de vibración y la resistencia mecánica de los componentes de un diseño o estructura; este tipo de análisis suele realizarse por el método de elementos finitos (FEM).

FEM pie protésico

Análisis de carga sobre pie protésico mediante elementos finitos (FEM)

  • Dinámica computacional de fluidos: se puede analizar el flujo sobre objetos como automóviles, aviones, barcos, maquinas rotodinámicas, entre otros; también puede usarse para estudiar transferencia de calor, reacciones químicas y combustión. El método más usado para la simulación de tipo de fenómenos es el de volúmenes finitos (FVM).

SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Y VALIDACIÓN DE DISEÑO DE INGENIERÍA.Estudio de resistencia al avance sobre lancha rápida

  • Simulación de procesos industriales: se pueden simular procesos industriales que involucraban transporte y transformación de materia y energía; procesos como reacciones químicas, secado y destilación son estudiados mediante la dinámica computacional de fluidos (CFD) ó métodos para la simulación de plantas químicas.

SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Y VALIDACIÓN DE DISEÑO DE INGENIERÍA

Simulación de planta industrial (fuente Wikipedia)

Ventajas de la  modelación numérica de un proceso

  • Bajo costo: la ejecución de simulaciones numéricas es económica en comparación con la elaboración y montaje de pruebas y experimentos en prototipos.
  • Optimización: con pequeños cambios en las variables de los modelos es posible evaluar diversos escenarios y optimizar el proceso ó diseño.
  • Nivel de detalle: en simulaciones numéricas es posible medir variables como la presión, temperatura y velocidad en el todo el domino computacional.

Desventajas de la  modelación numérica de un proceso 

  • Altos recursos computacionales: las simulaciones pueden exigir altos costos computacionales, se requiere gran cantidad de memoria, elevado número de procesadores y tiempo de cálculo.
  • Personal capacitado: la ejecución y análisis de este tipo de simulaciones requiere de personal con formación a nivel de maestría y doctorado.
  • Costo de software: en muchos casos el costo de una licencia comercial de un software de ingeniería asistida por computador (CAE) es elevado.

Conclusiones

La modelación numérica de fenómenos físicos permite simular procesos, evaluar diseños, valorar escenarios de operación y su optimización; sin embargo, para su ejecución se requieren equipos de cómputo de alto desempeño, licencias comerciales y personal calificado para su realización y análisis. La inversión en infraestructura y personal para la modelación numérica es justificada cuando la compañía está desarrollando constantemente nuevos diseños; por otro lado, si el diseño no es una actividad principal de la empresa se puede subcontratar el servicio de diseño y modelación numérica;  servicio que es prestado por 3D ingeniería BQ.