Validación del modelo de elementos finitos: comparación entre el modelo de simulación y los datos de las pruebas modales
Los modelos de elementos finitos (FE) pueden reducir considerablemente el tiempo y el coste de desarrollo, ya que permiten trabajar en un ordenador y reducir la necesidad de crear prototipos. Sin embargo, la principal preocupación es que estos modelos FE deben predecir el comportamiento del dispositivo «real». La idea que subyace al término «validación de modelo de elementos finitos» (FEM) consiste en comparar los resultados de una simulación con los datos de una prueba real, la denominada prueba modal experimental. En la mayoría de los casos reales, los modelos de elementos finitos deben contrastarse con datos experimentales para obtener un modelo validado, en el que se pueda confiar y que luego pueda utilizarse para predecir el comportamiento bajo carga o con pequeñas modificaciones. Si el modelo no se ajusta a la realidad experimental, no tiene sentido utilizarlo con fines de diseño.
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Configuración típica de ensayo para la validación de modelos de elementos finitos
Para realizar un ensayo experimental de vibraciones como contrapartida de los modelos de simulación por elementos finitos, la muestra debe montarse y, por supuesto, debe excitarse para que vibre. Esto requiere excitar la muestra de una manera específica que abarque el rango de frecuencia de interés y en ubicaciones concretas. Este enfoque puede diferir de la simulación numérica por elementos finitos, que solo tiene en cuenta las propiedades inherentes de una muestra. Resuelve la ecuación diferencial del movimiento para un conjunto supuesto de propiedades del material y condiciones de contorno. Por lo tanto, los resultados de un experimento son, en sentido estricto, únicamente las respuestas de la muestra a un tipo concreto de excitación y con un montaje específico. Los modos se extraen de los resultados experimentales mediante un procedimiento de ajuste de curvas, que forma parte del posprocesamiento.
Validación de modelo de elementos finitos basada en la vibrometría láser Doppler de barrido
¿Puedo confiar en el experimento? Al definir la configuración de la prueba modal, deben reproducirse las condiciones de contorno del modelo de elementos finitos para permitir la comparación entre los resultados de dicho modelo y los de las mediciones. Los parámetros de medición, como la anchura de banda de frecuencia y los puntos de medición seleccionados, deben ajustarse a la tarea. Los efectos de la carga de masa o del refuerzo deben evitarse o tenerse en cuenta durante el proceso de modelización. El uso de la luz como sensor hace que los datos de los vibrómetros de escaneo sean una fuente de información más válida para la Validación de modelo de elementos finitos. El método láser ofrece una resolución espacial de medición excepcionalmente alta, ya que el sensor está definido por software y la muestra se escanea automáticamente. Las formas de deflexión animadas en 2D/3D proporcionan una visualización intuitiva. Esto también ayuda a reducir las ambigüedades restantes en el posterior proceso de validación y evaluación. El mayor número de puntos de muestreo resultante permite un mejor ajuste de curvas en el posprocesamiento, lo que mejora la identificación de desviaciones locales de los parámetros, como la amortiguación local o los cambios locales en la distribución de la masa.
Fase de desarrollo del producto
Correlación de FE con los modos de simulación: frecuencia, amortiguamiento y MAC
Existen dos parámetros para comparar el modelo de elementos finitos con el experimento: los valores propios y los vectores propios, que se obtienen al resolver las ecuaciones diferenciales de movimiento del modelo. Estos se corresponden con las frecuencias de resonancia y los modos inherentes de un ensayo experimental. El enfoque más sencillo consiste en comparar las frecuencias, por un lado, y comparar visualmente los vectores propios y los modos inherentes, por otro. El uso del criterio de garantía modal (MAC) para comparar los modos inherentes es una forma habitual de obtener una comparación objetiva y cuantitativa. El MAC requiere como entrada modos modales en lugar de formas de deflexión en funcionamiento (ODS). Estas se extraen de los resultados experimentales mediante un procedimiento de ajuste de curvas, que forma parte del posprocesamiento.
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¿Por qué realizar la validación de modelos de elementos finitos simulados mediante Vibrometría láser?
En el caso de muestras sencillas, como las placas de metal fundido, los modelos de elementos finitos actuales predicen los modos de vibración y las frecuencias de resonancia con gran precisión si los elementos finitos se eligen de forma razonable. La situación cambia cuando los componentes y las estructuras modeladas se vuelven más complejos. En cuanto hay varias piezas, unidas entre sí mediante juntas, o si están fabricadas con materiales compuestos, los resultados de la simulación pueden resultar mucho menos fiables a primera vista. Por lo tanto, estos modelos de elementos finitos deben contrastarse con datos experimentales reales. Si son capaces de predecir correctamente los datos experimentales en todo el rango de condiciones de trabajo necesarias, se dice que el modelo está validado. Así pues, en la mayoría de los casos reales, los modelos de elementos finitos deben contrastarse con datos experimentales para obtener un modelo validado, en el que se pueda confiar y que, posteriormente, pueda utilizarse para predecir el comportamiento bajo carga o con pequeñas modificaciones. Si el modelo no se ajusta a la realidad experimental, no tiene sentido utilizarlo con fines de diseño.
MEMS y microestructuras: cómo la vibrometría láser ayuda a la validación de modelos de elementos finitos
Los transductores MEMS se utilizan en muchos objetos cotidianos, desde sensores de presión de neumáticos hasta teléfonos móviles. Los modelos de simulación por ordenador son esenciales para el desarrollo de dispositivos MEMS, pero deben validarse y perfeccionarse mediante comparaciones con datos experimentales precisos. Estos datos de validación, que caracterizan la respuesta mecánica física real de un MEMS, se obtienen fácilmente mediante sistemas de medición de resonancia óptica (Micro System Analyzer) basados en láser y, opcionalmente, una estación de sonda para obleas.
La resonancia mecánica es uno de los fenómenos dinámicos más fundamentales que presentan los MEMS. Se utiliza en giroscopios, sensores de masa, escáneres ópticos, osciladores de reloj, etc. Una línea de investigación natural para los resonadores MEMS consiste en buscar frecuencias de resonancia más altas y encontrar nuevas aplicaciones. La transducción electrostática y la piezoeléctrica son los dos principios fundamentales que los impulsan. Ambos tipos pueden medirse incluso a las frecuencias más altas, utilizando vibrómetros láser que emplean la luz como sensor de precisión fiable.
Servicios de ensayo y asistencia en la aplicación para la validación de modelos de elementos finitos
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- ¿Cómo funciona la tecnología sin contacto de la Vibrometría láser Doppler?
- ¿Cómo se realizan las mediciones por escaneo láser en 2D o 3D?
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