Aprendiendo sobre el Método de los Elementos Finitos

L Otero, Pereiro
2006 Ingeniería Mecánica   unpublished
Resumen. El Método de los Elementos Finitos ha demostrado las amplias posibilidades que posee como herramienta para la solución de problemas de ingeniería y para el análisis de problemas de investigación. Como resultado de ello su empleo tiene una gran difusión en la comunidad de ingenieros, tanto en centros de estudio como en centros de investigación y en empresas de producción. Si esto es así, entonces: ¿Cuál es la razón por la cual se tiene una dependencia tan elevada de los software
more » ... nales aun cuando los costos de adquisición de estos están en el orden de las decenas de miles de dólares y los centros de investigación o las universidades no dedican tiempo y esfuerzos al desarrollo de estos? Según el punto de vista del autor la realidad es que las habilidades en el uso de un software pueden ser adquiridas por la mayoría de los profesionales en la materia, pero la teoría sobre el método es aun poco entendida por la mayoría, aun cuando hayan aprendido a usar uno de estos programas profesionales. ¿Cuál es la causa? La mayoría no ha alcanzado la comprensión del problema físico y mucho menos separar la herramienta matemática que se emplea para su instrumentación no confundiéndola con el problema físico en sí. Esto se debe en primera instancia a que los textos que se encuentran al alcance de la mayoría no dejan claro ambos aspectos y en segundo lugar porque para lograrlo se requiere del trabajo de un grupo multidisciplinario con dedicación casi exclusiva para esta tarea. En este trabajo se presentará el problema físico fundamental relacionado con el tema, con una proposición sobre el orden necesario para transmitir el problema físico, separándolo de la herramienta matemática, de tal manera que puedan comprenderse cada uno de ellos por separado. Palabras claves: Elementos finitos, Matriz de rigidez, Nodos, Grados de libertad. 1. Introducción. La idea general del método de los elementos finitos es la división de un medio continuo en un conjunto de pequeños elementos interconectados por una serie de puntos llamados nodos. Las ecuaciones que rigen el comportamiento del medio continuo regirán también el del elemento. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que es regido por una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un número de grados de libertad finito cuyo comportamiento se modela por un sistema de ecuaciones algebraicas, lineales o no. Cualquier ingeniero que haya trabajado con un programa de cálculo por elementos finitos para resolver algunos problemas de ingeniería, tiene una idea bastante exacta de lo que significa el planteamiento del párrafo anterior. Hasta puede ser capaz de crear su modelo de cálculo y ejecutar su variante obteniendo una posible solución del mismo. Entonces se puede formular la siguiente interrogante: ¿Dónde radica el problema del conocimiento en el cálculo por elementos finitos? La respuesta clave es que "muchos conocen como emplear algún programa de cálculo por elementos finitos, pero muy pocos conocen la teoría que sustenta los cálculos". Esta respuesta enmarca dos aspectos importantes, que a criterio del autor son: Como primer gran problema está el hecho de que los programas de cálculo están a disposición de casi todos los profesionales que lo necesiten, los que, habiendo entrenado un poco la forma operativa de preprocesamiento y ejecución obtendrán normalmente una respuesta del programa para la solución del modelo que se está ejecutando, siempre que
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