Diseño e ingeniería asistidos por computadora

La computadora ha causado una verdadera revolución en el diseño y en el análisis de ingeniería. Problemas cuyos métodos de solución son conocidos desde hace siglos y que hace sólo una generación aun eran casi irresolubles a causa de su elevado volumen de calculo ahora se resuelven en cuestión de minutos mediante microcomputadoras de bajo costo. En el pasado, para soslayar la falta de poder de cómputo de las reglas de calculo, se idearon tediosos métodos gráficos de solución. Algunos de estos métodos todavía tienen validez porque muestran los resultados de una forma comprensible. Pero ya no se piensa en «hacer ingeniería» sin la herramienta mas moderna y poderosa: la computadora.

Diseño asistido por computadora (CAD)

Conforme progresa el diseño, los bosquejos burdos hechos a mano dibujados en las primeras etapas se suplirán con dibujos formales, elaborados con equipos de dibujo convencional o, como ya es cada vez mas común, con programas de diseño asistido por computadora o de dibujo asistido por computadora. Si alguna vez fue clara la distinción entre estos dos términos (ambos utilizan las siglas CAD; tema de debate que se evitara aquí, esa distinción viene desapareciendo conforme se dispone de software CAD mas complejo. Los sistemas CAD originales, de hace una generación, eran herramientas que permitían la elaboración de dibujos desde varias vistas, generados por computadora, pero similares a los de hace siglos, que se hacían a mano en la mesa de dibujo. Los datos almacenados en estos primeros sistemas CAD correspondían estrictamente a representaciones bidimensionales de proyecciones ortogonales de la geometría tridimensional de la pieza. En las bases de datos sólo se definen los contornos de la pieza. Esto se conoce como modelo en representación alámbrica. Algunos paquetes CAD tridimensionales manejan también la representación alámbrica. Las versiones actuales de la mayor parte de los paquetes de CAD permiten (y a veces requieren) que la geometría de las piezas se codifique como modelos solidos en una base de datos para tres dimensiones. En un mode1o sólido se definen los contornos y las caras de la pieza. De esta información tridimensional (3-D) es posible generar automáticamente vistas ortogonales bidimensionales (2-D), las convencionales, si así se desea. La ventaja mas importante de crear una base de datos geométrica de modelo solido 3-D para cualquier diseño es que la información correspondiente a propiedades de 1a masa se calcula con rapidez. (Esto no es posible en un modelo en representación a1ambrica 2-D o 3-D.) Por ejemplo, en el diseño de una pieza de maquinaria necesitamos determinar la ubicación de su centro de gravedad (CG), su masa Y e1 momento de inercia de su masa, así como la geometría de su sección recta en diversos puntos. La determinación de esta información a partir de un modelo en 2-D debe efectuarse por fuera del paquete CAD. Esto es tedioso, y cuando la geometría es compleja suele resultar solo aproximada. En cambio, si la pieza esta diseñada en un sistema CAD de modelo solido, las propiedades de la masa se calculan al instante para piezas con geometría de alta complicación. Los sistemas de modelado solido proporcionan una interfaz con uno o mas programas de Análisis de Elemento Finito (FEA, por sus siglas en ingles) y permiten una transferencia directa de la geometría del modelo al paquete FEA para análisis de esfuerzos, vibraciones y transferencia de calor. Algunos sistemas CAD contienen una herramienta de creación de mallas, que genera automáticamente la malla FEA antes de enviar datos al programa también nombrado FEA. Esta combinación de herramientas es un medio poderoso de lograr diseños superiores, cuyos esfuerzos, cuando se trata de geometría muy compleja, se conocen con mayor exactitud de lo que sería posible con técnicas convencionales de análisis.

Aunque es muy probable que los estudiantes que lean este libro utilicen en la práctica profesional herramientas CAD, como los métodos de elemento finito o de Análisis de Elemento Frontera (BEA, por sus siglas en ingles), sigue siendo necesario que queden completamente comprendidos los conocimientos fundamentales del análisis de esfuerzos aplicados. Este es el objetivo de este texto. Las técnicas FEA se analizaran brevemente en el capitulo 4, pero no se utilizaran en el texto. Mas bien nos concentraremos en las técnicas clásicas de análisis de esfuerzos a fin de colocar los cimientos de una completa comprensión de los fundamentos y de sus aplicaciones en el diseño de tanques de acero, fermentadores, biorreactores, etc.

Los métodos FEA y BEA han pasado a ser los métodos de elección para la solución de problemas complicados de análisis de esfuerzos. No obstante, de no tenerse una solida comprensión de la teoría subyacente, estas técnicas podrían ocasionar trastornos graves. Estos métodos darán siempre algún tipo de resultado. Lo malo esta en que de no haber sido bien p1anteado el problema, estos resultados podrían ser incorrectos. Es de extrema importancia para el éxito de cualquier diseño tener la capacidad de reconocer cuando una solución asistida por computadora da resultados erróneos.