Contexto
¿Te pasa que cuando buscas comprar un programa de diseño, ingeniería o simulación los proveedores que intentan convencerte de su aplicación te hablan de los beneficios de la simulación multi física? Suena complejo y no sabemos si lo necesitamos o si estamos preparado para ello, donde aplicarlo o si se lo podremos explicar a nuestro jefe para justificar su inversión. Es por eso por lo que nos detenemos a reflexionar sobre esta palabra y lo que significa para el ingeniero.
En el proceso de diseño es claro que se lleva una seria de etapas. Su idea o concepción, su primer boceto, un modelo estimado 3d, revisión de su potencial viabilidad técnicas, su diseño técnico y justo aquí habría que detenernos para evaluar su comportamiento. Si nuestro diseño se somete a un solo fenómeno físico , digamos fuerzas o temperatura, entonces realizamos un simple análisis, pero si sobre nuestro diseño intervienen varios fenómenos que lo afectan en su desempeño hay que considerar la multi física.
Física
Comenzamos con lo básico, que es física, es el estudio científico de los acontecimientos del mundo material, este abarca todo lo que se puede percibir a través de los sentidos o con la ayuda de algún instrumento. Los primeros acontecimientos que los físicos antiguos estudiaron fueron aquellos que estudiaban en su entorno como cuerpos en equilibrio o en movimiento, hasta los que se hunden en el agua. Los acontecimientos del mundo material que son el objeto de estudio de la física se llaman fenómenos físicos. Un fenómeno es lo que se muestra o se ve, manifestación de actividad que se produce en la naturaleza. Algo extraordinario o sorprendente. (Ref: Física el gimnasio de la mente de Josip Slisko)
Multifisica
La simulación multifísica en ingeniería se refiere al análisis de las interacciones complejas entre múltiples fenómenos físicos —como flujo de fluidos, mecánica estructural, efectos térmicos y electromagnetismo— dentro de un único marco computacional. En lugar de estudiar cada dominio físico por separado, la simulación multifísica permite a los ingenieros modelar cómo interactúan los dominios simultáneamente, reflejando las condiciones del mundo real donde las cargas y los efectos están acoplados y se influyen mutuamente. (Artículo de Carlos Franco de Grupo SSC).
Cuando una solución física afecta a la otra, están acopladas. Dependiendo de qué tan fuertemente acoplada esté la física, se pueden usar diferentes métodos matemáticos para mejorar la precisión del análisis.
¿Cómo la simulación por computadora resuelve la física?
El uso de simulaciones numéricas en ingeniería ha surgido como un método complementario a los métodos teóricos y experimentales, impulsado por la necesidad de una rapidez computacional que aprovecha el crecimiento de las tecnologías informáticas. La simulación física se basa en principios matemáticos como las ecuaciones diferenciales, que describen la evolución de los sistemas físicos a través de variables dependientes en continuo cambio incorporadas en ecuaciones que representan el proceso físico.
Los lenguajes de simulación continua resuelven numéricamente estas ecuaciones cuando no se dispone de soluciones analíticas, como se demuestra mediante el seguimiento de la posición y la velocidad de un objeto lanzado verticalmente mediante ecuaciones diferenciales y condiciones de frontera.
El método de elementos finitos es una técnica de aproximación para resolver numéricamente ecuaciones diferenciales en simulación física, este método divide o discretiza el dominio de la solución en regiones con formas sencillas o elementos, luego resuelve estas zonas mediante ecuaciones de aproximación , una vez resueltas los resultados se ensamblan para caracterizar el comportamiento de todo el sistema apoyado en las condiciones de frontera ( Métodos numéricos para ingenieros – Steven C Chapra, Raymond P- Canale) . El método es útil en aplicaciones variadas que incluyen deformación por esfuerzos, flexión elastoplástica bidimensional, modelado tridimensional de variación de productos y variación de modelos termo mecánicos. (Ref: Simulacion física)
Cuando se estudia un fenómeno, en física recurrimos habitualmente a trasladar ese fenómeno a un modelo. Se trate de un fenómeno aislado o dentro de un entorno, sea en acústica, electromagnetismo o mecánica cuántica, tener bien caracterizado un modelo es esencial para poder determinar el comportamiento del fenómeno en función de sus variables y de las relaciones entre ellas. Con un modelo adecuado aumenta nuestra certidumbre en los resultados. (Ref. https://tomrospa.wordpress.com/2018/03/01/la-importancia-de-la-simulacion-en-los-sistemas-fisicos/)
La simulación física se aplica en varios dominios como la visualización científica, realidad virtual, modelado molecular, ingeniería mecánica, procesos de manufactura entre otros.
Entonces la multi física es el estudio de varios fenómenos físicos en un producto virtual
La multifísica se ha desarrollado más allá de un concepto de investigación. Por ejemplo, en el diseño industrial y las pruebas de productos, los ingenieros solían resolver un solo fenómeno físico a la vez, como la integridad estructural, y luego importaban los resultados a otro sistema para resolver el comportamiento aerodinámico. Este tipo de herramientas de simulación permiten simular y analizar estos comportamientos y muchos otros al mismo tiempo. La multifísica se ha convertido rápidamente en un área de investigación y aplicación en muchas disciplinas de ciencia e ingeniería.
La multifísica se define como los procesos o sistemas acoplados, que involucran más de un campo físico que ocurre simultáneamente y los estudios sobre estos procesos y sistemas.
Desde una perspectiva matemática, los sistemas que consisten en ecuaciones diferenciales parciales de diferentes tipos pueden clasificarse como multifísicos porque cada uno de los arquetipos clásicos de las ecuaciones posiblemente representa un fenómeno físico diferente. (https://www.multiphysics.us/intro.html)
Como ejemplo, considere la física de las alas de los aviones. Para los cálculos aero acústicos, el flujo de fluido afecta fuertemente la acústica, pero la acústica no afecta el flujo de fluido (en la mayoría de los casos). La física se puede acoplar resolviéndolos en secuencia, utilizando los métodos para cada uno y maximizando la precisión. Sin embargo, para el ala de un avión, el flujo afecta la estructura, y la deformación del ala afecta el flujo de fluido, por lo que ambas simulaciones deben ejecutarse en paralelo e intercambiar información entre sí mientras se busca un estado convergente para cada paso de tiempo.
Ejemplos. Un caso de la empresa Honeywell con el software Ansys
El software de multifísica es utilizado por ingenieros, investigadores y científicos para representar con precisión el mundo real y estudiar múltiples efectos físicos en sus modelos. Una vez que pueda predecir con precisión el comportamiento, puede comenzar a optimizarlo, utilizando la tecnología de diseño inteligente para mejorar el rendimiento del producto. El análisis multifísico le permite capturar el comportamiento como resultado de la interacción entre las diferentes físicas involucradas.
Al diseñar la próxima generación de motores de aviones, el equipo de Honeywell sabe que debe adoptar un enfoque integral. Hay muchos conjuntos de habilidades de análisis basados en la física que están involucrados. Más allá del análisis mecánico estructural, hay aerodinámica, termodinámica, dinámica de fluidos y más a considerar. La empresa combina estos análisis desde un punto de vista multifísico y aprovecha el conjunto de herramientas de Ansys para ayudarlos. Específicamente, el equipo de Honeywell utiliza el software de simulación de choques Ansys LS-DYNA, el de simulación de fluidos Fluent, el de diseño de motores de combustión interna Ansys Forte y el de integración de procesos Ansys optiSLang para iterar y mejorar sus diseños.
Como ejemplo de sus análisis multifísicos, consideremos los problemas relacionados con la aeroacústica en un motor moderno. Nadie en un vuelo quiere escuchar ruidos excesivamente fuertes o inexplicables de los motores. Pero ¿cómo podemos reducir esos ruidos?
Históricamente, la aeroacústica ha sido difícil de analizar o predecir. Al trabajar con aplicaciones de software se ha desarrollado un enfoque de modelado y simulación que permite observar la aeroacústica por adelantado, predecirla y diseñar en torno a ella. Se necesita asegurar que el flujo de aire sea suave, ininterrumpido y no produzca nada parecido a una pérdida o sobretensión. Además, los ingenieros de Honeywell pueden considerar los cambios de presión y temperatura en el motor para garantizar que el sistema pueda manejar todos los esfuerzos asociados con estos cambios. Sus análisis de simulación de acústica de aviación permitieron al equipo comprender cómo la aero acústica afectará el sistema general por adelantado, antes de pasar a la etapa de desarrollo de hardware. A través de este tipo de análisis, el equipo puede descubrir cómo interactúan las diferentes partes de un sistema, lo cual es importante saber porque mejorar un área del diseño podría dañar otra parte.
Adoptar un enfoque de simulación multifísica permitió a Honeywell diseñar cambios en el motor que la empresa pudo poner en el sistema de producción al principio del proceso de diseño, lo que disminuyó el tiempo de producción. Pasaron directamente a la producción gracias a los resultados precisos de la predicción de simulación. (Ref: https://www.ansys.com/blog/nose-tail-how-honeywell-uses-simulation-design-aircraft)
Software para multifísica
El software de simulación multifísica se utiliza para modelar y analizar procesos físicos complejos que interactúan. Este análisis permite a los ingenieros estudiar cómo la física interactúa e influye entre sí, en un componente o un sistema. Software que resuelve la multifísica (Sin especificar especialidad):
- Ansys
- Altair
- 3D Experience Simulia
- Siemens Simcenter
- PTC Creo Simulation
- MSC Software
Vemos un crecimiento constante en las aplicaciones y cada vez más empresas, a menudo aquellas con equipos de diseño más pequeños, exploran la simulación y desarrollan productos fantásticos como resultado. Los que la utilizan ya gozan de sus beneficios. Cada día más sistemas impulsaran el análisis multi físico. Los ambientes unificados del software con formas de trabajo sencillas y acceso a los sistemas de cómputo HPC en la nube, ayudará a democratizar este tipo de simulación para ingeniería.
Por: Sergio Alvarez, editor de 3DCadPortal
