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Traducido de "Design News" - Raghavendra Angara, Ph.D
Analizar sistemas o problemas de ingeniería es un proceso con tres pasos. El primer paso es la formulación del problema. Los ingenieros necesitan estudiar el sistema físico y desarrollar un modelo representativo.
El modelado puede ser tan simple como dibujar un diagrama de cuerpo libre con las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o tan complejo como desarrollar un modelo mecánico de un oído humano. El modelo obtenido necesita ser convertido en ecuaciones con datos conocidos e incógnitas. Un ejemplo de modelado es considerar cuerpos elásticos como sistemas de masa, muelle y amortiguador, dibujando los diagramas de cuerpo libre y formulando las ecuaciones de fuerza. Otro ejemplo es encontrar la función de transferencia de un sistema convirtiendo las ecuaciones del sistema en ecuaciones de Laplace.
El segundo paso del proceso es resolver las ecuaciones matemáticas que se desarrollaron en el primer paso. En este paso, a menudo se utilizan condiciones iniciales, condiciones de contorno, o cualquier otra condición indicada en el enunciado del problema. Por ejemplo, podemos resolver las ecuaciones eléctricas o electrónicas para encontrar la fuente de tensión equivalente de Thevenin, o resolver la ecuación de transferencia de calor y encontrar la temperatura para una longitud particular de una varilla de latón.
El tercer paso es interpretar los resultados, explicando qué significan los resultados, y, si es necesario, modificando el diseño para resolver el problema. Un ejemplo de este paso es la conclusión de que el resistor se quemará, porque el calentamiento Joule es mayor que su potencia nominal. Otro ejemplo daría la conclusión que la viga fallará, porque el estrés es mayor que su límite elástico. Para un sistema más complejo, los ingeniero deben interpretar la estabilidad del sistema basándose en la localización de sus polos y ceros.
Aunque todos estos pasos son importantes, la mayoría de los libros de ingeniería limitan la discusión sobre las técnicas de modelado y en cómo interpretar los resultados a unas pocas páginas. Los métodos de solución constituyen el grueso del libro. Por ejemplo, los libros de ingeniería de sistemas de control utilizan solo unas páginas en la formulación de las funciones de transferencia de los sistemas físicos y emplean la mayoría de sus páginas en resolver los problemas matemáticos. Montones de páginas explican como graficar el lugar de las raices encontrando los polos, ceros, asíntotas, puntos de ruptura, ángulos de salida, etc. De forma análoga, únicamente una pequeña proporción de los programas típicos para graduado de ingeniería electrónica están dedicados a desarrollar modelos SPICE para componentes electrónicos.
En las pasadas dos décadas los avances en la potencia de cálculo han dado lugar a extraordinarios progresos en las herramientas para resolver problemas. Herramientas de software como Maple pueden resolver ecuaciones diferenciales y proporcionar resultados en poquísimo tiempo. Mientras que dibujar un buen gráfico del lugar de las raíces con lápiz y papel puede tomar como mínimo unos 20 minutos, MATLAB puede hacer el mismo trabajo en microsegundos sin ningún error. La respuesta al escalón o al impulso puede generarse en un instante. Los paquetes de análisis de elementos finitos como Ansys, Abaqus, o COMSOL pueden resolver problemas electromagnéticos 3D complicados con gran facilidad.
El punto más importante es que los resultados ofrecidos por estas herramientas son tan buenos como el modelo utilizado por el ingeniero. El modelo debería de ser una representación tan cercana al sistema físico como sea posible para que los resultados reflejen las verdaderas condiciones del sistema real. Como cada vez es más fácil resolverlos, cada vez tiene más sentido utilizar más tiempo para mejorar las capacidades de modelado. La importancia de un modelado preciso aumenta con la emergencia de disponer de herramientas de resolución de problemas más nuevas y rápidas.
Por todos los medios, los ingenieros deberían de disponer de las capacidades matemáticas necesarias para resolver problemas numéricos. Sin subestimar el valor de las capacidades de resolución, será más beneficioso para los nuevos ingenieros si los libros de texto futuros dedican la mayoría de sus páginas a modelar e interpretar los resultados.
Raghavendra Angara, PhD, es un ingeniero sénior de I+D en mecatrónica. Pertence al ASME, ISA, IEEE, y ASQ.
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Existen muchos factores que influyen en el diseño ideal de un horno - sus capacidades supremas para el cocinado son una necesidad, pero la eficiencia energética y el uso de materiales con poco impacto ambiental también son importantes. ¿Cómo se pueden combinar todos estos factores para crear un horno optimizado para su mejor rendimiento? Los ingenieros de Whirlpool Corporation junto con la iniciativa de energía verde europea, el proyecto GREENKITCHEN, encontraron que la simulación multifísica es vital para el éxito de su proceso de diseño.
Mejora de la eficiencia energética de electrodomésticos
El proyecto GREENKITCHEN, una iniciativa europea que soporta el desarrollo de electrodomésticos energéticamente eficientes con impacto ambiental reducido, se fundó para ayudar en el desarrollo y compartir conocimiento sobre la producción de electrodomésticos para avanzar en estrategias de mejora de la eficiencia energética en los electrodomésticos en Europa.
En la imagen: modelo de COMSOL Multiphysics del horno Minerva de Whirlpool mostrando la distribución de temperatura prevista en las superficies del horno.
Uno de los principales objetivos del proyecto es mejorar el intercambio de calor en hornos domésticos. Como que los hornos son uno de los electrodomésticos menos eficientes en una casa (solo de un 10-12% de la entrada de potencia es utilizada para calentar la comida que se está preparando), ofrece una de las mejores áreas de mejora respecto a eficiencia energética.
Utilizando el horno Minerva de Whirlpool como modelo, los investigadores que trabajan en Whirlpool R&D, en el proyecto GREENKITCHEN, modelaron los procesos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación del horno. “Nuestro objetivo para el proyecto es reducir el consumo de energía de los hornos de Whirlpool en un 20 por ciento," dijo Nelson Garcia-Polanco, ingeniero térmico y de investigación en Whirlpool, en un artículo de la edición de 2014 del Multiphysics Simulation. Esta mejora de la eficiencia dará como resultado una reducción de 50 millones de toneladas de emisiones de CO2 pro años en los hogares europeos.
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COMSOL ha anunciado el lanzamiento de su nuevo microsite “Designing and Modeling Electrical Systems and Devices”, última edición de su serie COMSOL Showcase.
Esta serie de microsites son unos recursos neutros que permiten mostrar las potencialidades y capacidades de COMSOL Multiphysics en industrias o campos de la física específicos. En estos sitios se pueden encontrar videos de alta calidad, imágenes, modelos e historias de usuarios.
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| Número 67 | Martes, 8 de julio de 2014 | ||
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Esta entrada de Lars Gregersen es la tercera parte de una serie de blogs sobre el manejo de selecciones y número de entidades cuando se uiliza LiveLink™ for MATLAB® y la API de COMSOL® (COMSOL® Application Programming Interface). En esta sección se habla de cómo se realiza el manejo interno de selecciones y números de entidades en el software de simulación de COMSOL Multiphysics® y cómo se pueden utilizar estos métodos cuando el usuario configura sus propios modelos.
Manejo automático de selecciones en un modelo
Cuando se realiza un cambio en un modelo, incluyendo cambios en la geometría, COMSOL Multiphysics mantiene un seguimiento de la mayoría de los ajustes de configuración que se han aplicado al modelo y sus selecciones asociadas. Si se dispone de una condición de contorno aplicada a un conjunto de contornos, entonces el modelo recuerda estos ajustes — e incluso actualiza los números de entidad de los contornos cuando cambian debido a cambios de la geometría.
Por supuesto, estos son los casos en los que los ajustes no se pueden mantener. Por ejemplo, si se eliminan todos los contornos donde se aplica una determinada condición de contorno, entonces la condición de contorno tendrá una selección vacía. De esta menera, ésta no contribuirá al modelo a menos que el usuario añada manualmente nuevos contornos a su seleccion.
En la Parte 2 de esta serie de blogs, se mostró un método para utilizar selecciones basadas en coordenadas, utilizando la funcionalidad de LiveLink™ for MATLAB® para obtener los números de entidades para configurar los modelos. Es muy fácil trabajar con la línea de comandos, pero cuando se trabaja con selecciones en COMSOL Multiphysics, es mucho más fácil añadir selecciones a través de la interfaz de usuario (UI) y entonces aplicar los ajustes físicos a estas selecciones en lugar de a las entidades geométricas. De esta menera, se está utilizando el marco de trabajo interno que realiza el seguimiento de las entidades geométricas y no es necesario utilizar números de entidades cuando se configura un modelo.
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Se mostrará, mediante ejemplos prácticos, como se pueden obtener geometrías, listas para ser usadas en simulaciones, a partir de imágenes con ScanIP, y una vez obtenida, cómo importar ésta a COMSOL Multyphisics y a su vez hacer una simulación sencilla.