En el ámbito de la simulación y el análisis estructural, la precisión y el detalle son esenciales para obtener resultados fiables. Una técnica que ha demostrado ser efectiva en este contexto es el submodelado. COMSOL Multiphysics, una de las herramientas líderes en simulación multifísica, ofrece capacidades robustas para implementar esta técnica. En este artículo, exploraremos qué es el submodelado, sus beneficios y cómo se puede aplicar eficazmente en COMSOL.

¿Qué es el submodelado?

El submodelado es una técnica que permite a los usuarios concentrar sus recursos de simulación en una región específica de un modelo, utilizando una malla más fina en esa área sin necesidad de refinar toda la malla del modelo global. De este modo se incrementan más puntos de evaluación. Esto es particularmente útil cuando se necesita un análisis detallado de una región con alta concentración de esfuerzos o deformaciones, mientras se mantiene un equilibrio entre precisión y tiempo de cómputo.

Beneficios del submodelado

• Eficiencia computacional: Permite realizar simulaciones detalladas en áreas críticas sin necesidad de incrementar el tamaño de la malla en todo el modelo, reduciendo así el tiempo y los recursos computacionales necesarios.
• Precisión mejorada: Al enfocarse en una región específica con una malla más fina, se pueden capturar detalles y fenómenos que de otro modo se pasarían por alto con una malla más gruesa.
• Flexibilidad en el análisis: Facilita la iteración y el ajuste de modelos en áreas críticas sin afectar el modelo global, permitiendo ajustes más rápidos y específicos.

Implementación del submodelado en COMSOL Multiphysics

COMSOL Multiphysics ofrece un flujo de trabajo intuitivo para llevar a cabo el submodelado. Aquí ofrecemos una guía básica para implementar esta técnica:

• Modelo global: Comenzar creando su modelo global en COMSOL. Esto implica definir las geometrías, los materiales y las condiciones de contorno pertinentes para la simulación inicial.
• Identificar la región de interés: Determinar la región específica que requiere un análisis más detallado. Esta área debe ser donde espera encontrar gradientes de esfuerzo significativos o detalles críticos que necesiten mayor precisión.
• Creación del submodelo: Crear un submodelo que incluya la región de interés. Este submodelo debe tener una malla más fina para capturar los detalles necesarios.
• Interpolar resultados: Utilizar los resultados del modelo global como condiciones de contorno para el submodelo. COMSOL permite transferir estos resultados de manera precisa mediante funciones de interpolación, garantizando que las condiciones en el submodelo reflejen adecuadamente el comportamiento del modelo global.
• Simulación del submodelo: Ejecutar la simulación en el submodelo con la malla refinada. Analizar los resultados obtenidos para la región de interés, asegurándose de que capturan los fenómenos críticos esperados.

Ejemplos

Submodel in a Wheel Rim

Este ejemplo utiliza la técnica de submodelado para resolver con precisión las concentraciones de esfuerzo en una llanta. Primero, se resuelve un modelo global para obtener los desplazamientos, que luego se utilizan como condiciones de contorno en un modelo local de la región donde ocurren las concentraciones de esfuerzo [1].

Figura 1: Imagen extraída de Submodel in a Wheel Rim, por COMSOL [1].

Energy-Based Thermal Fatigue Prediction in a Ball Grid Array

En un sistema de enfriamiento, se ha identificado un componente microelectrónico como la unidad crítica. Debido a que el componente se enciende y apaga repetidamente, está sujeto a ciclos térmicos. Como resultado, se forma una grieta en una junta de soldadura, desconectando el chip de la placa de circuito impreso y haciendo que el componente pierda su funcionalidad operativa. La vida útil de las juntas de soldadura en dos ensamblajes de rejilla de bolas (Ball Grid Array) se predice utilizando el modelo basado en energía de Darveaux. Este modelo de fatiga evalúa el daño basándose en una densidad de disipación de energía promediada en una capa delgada donde crecerá una grieta.

Este ejemplo se basa en un modelo del Módulo de Materiales Estructurales No Lineales, Viscoplastic Creep in Solder Joints [2]. Dado que el modelo contiene varias juntas de soldadura modeladas con un material viscoplástico, se requieren muchos grados de libertad para simular el comportamiento correcto de la deformación en todos los elementos. Desde el punto de vista de la fatiga, solo la parte crítica del modelo es de interés. Para capturar esto, se utiliza el concepto de submodelado [3]. Esta técnica requiere dos pasos. En el primero, se analiza el modelo completo con una malla gruesa para simular las tendencias generales e identificar la bola de soldadura crítica. En el segundo paso, se crea un submodelo con una malla fina que contiene la parte crítica y se vuelve a calcular el estudio. Los efectos globales del modelo completo se transfieren al submodelo a través de condiciones de contorno apropiadas.

Figura 2: Predicción de la vida útil por fatiga para todas las juntas basada en el modelo global, del modelo [2] por COMSOL.

Resumen

El submodelado es una herramienta poderosa que, cuando se usa correctamente, puede significar una gran diferencia en la precisión y eficiencia de las simulaciones. COMSOL Multiphysics ofrece las herramientas necesarias para implementar esta técnica de manera efectiva, permitiendo a los ingenieros enfocarse en los detalles sin comprometer el rendimiento general de sus modelos.

Referencias

[1] Galería de aplicaciones de COMSOL: Submodel in a Wheel Rim
[2] Galería de aplicaciones de COMSOL: Viscoplastic Creep in Solder Joints
[3] Galería de aplicaciones de COMSOL: Energy-Based Thermal Fatigue Prediction in a Ball Grid Array