Departamento de Metalurgia e Integridad Estructural

Área de Modelación y Simulación de Materiales y Procesos

Ingeniería predictiva para la competitividad industrial

Modelación y simulación avanzada de materiales y procesos

Consulta este folleto y conoce las capacidades del CIMAV en ingeniería predictiva, simulación avanzada, optimización estructural, automatización de procesos y desarrollo de software a la medida para la industria.

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Mecánica de Materiales y Estructuras

El área de Mecánica de Materiales y Estructuras desarrolla investigación científica y tecnológica sobre el comportamiento mecánico de materiales, componentes y estructuras en condiciones reales de operación. Su trabajo combina mecánica de sólidos, análisis estructural, modelación numérica y validación experimental para abordar problemas donde la seguridad, la confiabilidad y la vida útil son aspectos críticos.

La simulación computacional es una herramienta central, siempre vinculada a la física del problema y a la evidencia experimental. A través de modelos numéricos es posible estudiar la respuesta estructural de un componente, anticipar condiciones de falla, comparar alternativas de diseño y reducir costos antes de fabricar o modificar un prototipo.

El área colabora con empresas, centros de investigación e instituciones académicas en proyectos relacionados con el diseño, el rediseño, el análisis de fallas, la evaluación de materiales y el desarrollo de soluciones computacionales específicas. Sus aplicaciones abarcan componentes industriales, estructuras metálicas, materiales compuestos y sistemas sometidos a condiciones mecánicas, térmicas o dinámicas.

Para estudiantes de maestría, doctorado y de estancias académicas, el área ofrece formación en mecánica de materiales, elementos finitos, experimentación y programación científica, siempre orientada al análisis crítico y a la solución de problemas reales. Su propósito es generar conocimiento, tecnología y recursos humanos especializados para el diseño de materiales y estructuras más seguros, eficientes y confiables.

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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