Departamento de Metalurgia e Integridad Estructural

Área de Modelación y Simulación de Materiales y Procesos

Mecánica de Materiales y Estructuras

A nivel mundial los diseñadores de productos de todas las industrias utilizan la simulación computacional como herramienta para el diseño de prototipos virtuales con el objetivo principal de disminuir los gastos económicos que se generan por la validación física de prototipos diseñados a prueba y error. Aunado a esto, la simulación permite hacer más eficientes los procesos industriales y tener productos que ofrezcan un valor agregado de seguridad.

Además, el uso de simulaciones permite una mejora en la administración de recursos humanos y materiales, además de generar un mejor conocimiento del funcionamiento del producto. Estos factores suelen ser determinantes para una empresa que busca mejorar su desempeño y colocarse a la vanguardia en tecnología.

En el Centro de Investigación en Materiales Avanzados, Cimav, un equipo multidisciplinario de especialistas que forman parte del grupo Modelación de Materiales y Procesos Industriales desarrolla modelos y simulaciones del comportamiento mecánico de materiales y estructuras para posteriormente validarlos mediante pruebas físicas. Los especialistas cuentan con importantes casos de éxito realizados para diferentes tipos de industria, entre ellas la aeronáutica.

Alberto Díaz

Dr. Alberto Díaz
Tel. +52 (614) 439 4802
alberto.diaz@cimav.edu.mx

Casos de éxito

Desarrollo de software para el diseño de soportes de cableado y líneas hidráulicas en aviones comerciales
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Modo de vibración en un fuselaje y desplazamientos en un bracket de línea hidráulica

En el caso particular de la industria aeronáutica se trabajó para la empresa Labinal de México S.A. de C.V., empresa líder en servicios del sector y que forma parte del prestigioso grupo Safran. El grupo de investigación del Cimav desarrolló un software que permite automatizar las tareas de cálculo y análisis para simular la respuesta mecánica de soportes de cableado y líneas hidráulicas, permitiendo optimizar y validar diseños de estos componentes en aplicaciones de aviones comerciales.

Las piezas que sujetan tanto al cableado como al sistema hidráulico están sometidas a grandes esfuerzos debidos principalmente a las vibraciones generadas en las diferentes etapas de vuelo. El software desarrollado por el Cimav permite visualizar esfuerzos, deformaciones y modos de vibración en los componentes estudiados, lo que ayuda al usuario a retirar elementos muy redundantes que agregan peso pero no beneficios estructurales al avión.

Gracias al uso de estas herramientas de simulación, el usuario disminuye costos de instalación de líneas hidráulicas y de cableado que posteriormente se traducen en menores gastos de combustible y emisiones contaminantes al medio ambiente, todo esto sin descuidar la integridad mecánica del avión. Además de estos beneficios para el cliente, la realización del proyecto tuvo por productos adicionales el registro de los derechos de autor por parte de la compañía y la capacitación del personal de la empresa en mecánica estructural y en el uso del sistema.

Optimización del diseño para el soporte de asientos en aviones comerciales

En este tema, los especialistas del Cimav realizaron cálculos para definir la estructura y los materiales que hicieran más cómodos, ergonómicos, ligeros y resistentes a los nuevos asientos de aviones comerciales que producirá la empresa Zodiac Aerospace.

Los investigadores junto con especialistas de la compañía propusieron mejoras al modelo original y se creó un prototipo virtual que fue validado mediante pruebas virtuales que simulan condiciones extremas de uso. Una vez hecha la validación teórica, la empresa procedió a la elaboración del prototipo físico y se validó el diseño con pruebas físicas.

Optimización de diseño de grúas
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Ejemplo de grúa canastilla
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Mapas de esfuerzos de Von Mises en la pluma y el chasis de una grúa.
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Este proyecto se realizó para el Grupo Industrial Keila, empresa especializada en venta de grúas canastilla y grúas plataforma. Para este trabajo, los investigadores del Cimav optimizaron el diseño de algunos prototipos de grúas con el objetivo de disminuir su costo y peso asegurando en todo momento su integridad mecánica y estabilidad. Además, se definieron los materiales que necesitaban emplearse en cada elemento de las grúas. Posteriormente, para comprobar los cálculos teóricos, la empresa desarrolló prototipos físicos que fueron ya validados. Hoy, esas grúas ya son fabricadas y comercializadas por la empresa, logrando así otro caso de éxito.

Los anteriores casos de éxitos son un ejemplo del potencial con que cuenta los investigadores del Cimav de esta área de trabajo.

Otros de los servicios y proyectos que se ofrecen a las empresas son:

  1. Cálculos estructurales
  2. Análisis de esfuerzos y deformaciones
  3. Optimización de diseño de piezas y estructuras
  4. Modelación y simulación de procesos
  5. Modelación y simulación del comportamiento de materiales basadas y validadas mediante experimentación
  6. Realización de software
  7. Pruebas termo-mecánicas (flexión, tensión, compresión, DMA, tenacidad) además de pruebas de impacto y medición de dureza.

Desarrollo de software MAC LAM V.1.0 y 2.0 para el análisis mecánico de materiales compuestos y laminados

Este software de simulación llamado Mechanical Analysis of Composites and LAMinates (MAC LAM, por sus siglas en inglés) se desarrolló a finales de 2004 con fines de uso académico, no excluyendo al sector privado que puede hacer uso del mismo bajo ciertas condiciones. Entre sus principales características está el uso gratuito y la configuración del sistema en distintos idiomas. http://maclam.cimav.edu.mx.

MAC LAM permite analizar las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, así como predecir las características que tendrán los materiales laminados, por ejemplo los que usa la industria aeroespacial. Algunas de las propiedades que se pueden analizar son flexibilidad, resistencia mecánica y rigidez.

Este software se desarrolló en estrecha colaboración con la Ecole Nationale des Ponts et Chaussées de Francia y el apoyo en programación de estudiantes del Instituto Tecnológico de Chihuahua II.

Desarrollo de software de elementos finitos SEDEF V.1.0

A nivel mundial, la simulación y el análisis por elementos finitos tienen una gran relevancia. Sin embargo, en México, la poca difusión a nivel académico es consecuencia de los altos costos de dichos programas. Es por ello que especialistas del Cimav están desarrollando un software gratuito, flexible y amigable de elementos finitos para eliminar el esquema que actualmente existe de pagar para hacer uso de software tan especializado.

El software resolverá numéricamente mediante la técnica de elementos finitos ecuaciones diferenciales genéricas que pueden aplicarse en problemas de mecánica estructural, mecánica de fluidos, difusión de especies químicas, transferencia de calor, entre otros.

El software tendrá principalmente fines académicos y permitirá a los alumnos realizar cálculos correspondientes a problemas reales de la industria, situaciones que actualmente no se llevan a cabo por la complejidad que representa la resolución analítica de las ecuaciones. Este trabajo se realiza en colaboración con el Instituto Tecnológico de Chihuahua II y con el apoyo de tesistas de maestría en ingeniería en estructuras de la Universidad Autónoma de Chihuahua.

Líneas de Investigación

Las principales líneas de investigación de este grupo son:

  1. Modelos de comportamiento no lineal y predicción de falla de adhesivos y uniones adhesivas estructurales
  2. Modelos de tipo “layer-wise” y su implementación en códigos de elementos finitos para el análisis de placas y cascarones laminados
  3. Modelación y simulación del funcionamiento de celdas fotovoltaicas

Adicionalmente, se tienen dos proyectos para el desarrollo de software para fines educativos principalmente: el software MACLAM y el software SEDEF.

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