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Método de elementos finitos

1943
  • Richard Courant
  • Alexander Hrennikoff
  • Olgierd Zienkiewicz
Método de los elementos finitos aplicado al análisis estructural en una oficina de ingeniería.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El método de los elementos finitos (MEF) es una potente técnica numérica para resolver problemas complejos de ingeniería y física descritos por diferencial parcial ecuaciones. Funciona discretizando un dominio continuo en un conjunto de subdominios más pequeños y sencillos denominados "elementos finitos". Esto permite la solución numérica aproximada de problemas de análisis estructural, transferencia de calor, flujo de fluidos y electromagnetismo.

El proceso del MEF comienza con la "discretización" del dominio del problema en una malla de elementos finitos (por ejemplo, triángulos o cuadriláteros en 2D, tetraedros o hexaedros en 3D). Dentro de cada elemento, la variable de campo desconocida (por ejemplo, el desplazamiento) se aproxima mediante funciones polinómicas simples, conocidas como funciones de forma. Los valores del campo en los nodos de los elementos se convierten en las nuevas incógnitas del problema.

Se deriva un sistema de ecuaciones algebraicas para todo el dominio, generalmente utilizando un principio variacional como el principio de mínima energía potencial o un método de residuos ponderados como el método de Galerkin. Este proceso genera una «matriz de rigidez de elemento» [latex][k_e][/latex] para cada elemento, que relaciona las fuerzas nodales [latex]{f_e}[/latex] con los desplazamientos nodales [latex]{u_e}[/latex] mediante [latex][k_e] {u_e} = {f_e}[/latex]. Estas matrices de elementos individuales se combinan sistemáticamente («ensamblan») en una única matriz de rigidez global [latex][K][/latex] para toda la estructura. Tras aplicar las condiciones de contorno conocidas (fuerzas y restricciones), el sistema resultante de ecuaciones lineales, [latex][K] {U} = {F}[/latex], se resuelve numéricamente para obtener el vector de desplazamiento global desconocido [latex]{U}[/latex]. Una vez conocidos los desplazamientos nodales, se pueden calcular otras magnitudes, como deformaciones y tensiones, para cada elemento.

UNESCO Nomenclature: 1208
- Análisis numérico

Tipo

Software/Algoritmo

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Cálculo de variaciones
  • Álgebra matricial
  • El advenimiento de las computadoras digitales
  • Teoría de la elasticidad y mecánica del medio continuo
  • Método de Rayleigh-Ritz para aproximar soluciones

Aplicaciones

  • software de análisis estructural (por ejemplo, ansys, abaqus, nastran)
  • simulaciones de accidentes automovilísticos
  • Diseño de componentes aeroespaciales y análisis de tensiones
  • análisis térmico de componentes electrónicos
  • Simulación biomecánica de implantes y tejidos

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Simuladores quirúrgicos en tiempo real que utilizan FEM para la deformación de tejidos blandos para capacitar a cirujanos.
  • ai-driven generative design tools that iteratively optimize a part’s topology using fem feedback
  • predictive ‘digital twins’ of entire cities to manage infrastructure stress and fluid dynamics
  • modelos personalizados de administración de fármacos basados ​​en simulaciones de órganos específicos del paciente
  • Pruebas virtuales de nuevos materiales compuestos para predecir modos de fallo antes de la fabricación
  • Simulación sísmica para el diseño de edificios resistentes a terremotos
  • acústico modeling of concert halls and speaker enclosures for optimal sound quality
  • wearable technology that uses fem to predict tissue stress and prevent pressure ulcers
Related to: finite element method, fem, numerical analysis, simulation, structural analysis, diferencial parcial equations, meshing, computational mechanics.

Contexto histórico

Método de elementos finitos

1930
1936
1940
1943
1950
1950
1953
1930
1931
1939
1940
1950
1950
1952
1956

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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