Desarrollo de una aplicación computacional para el análisis de estructuras utilizando elementos finitos
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Date
2025-02
Authors
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Publisher
Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica, Carrera de Ingeniería Mecánica.
Abstract
This project addresses the growing need for tools that enable the efficient and pedagogical resolution of complex structural problems, given the complexity of current commercial solutions. By facilitating the learning of the finite element method, it aims to promote an understanding of the fundamentals of structural analysis and their application to real-world problems. Additionally, it focuses on offering an interactive experience that fosters the development of skills for solving complex problems in both academic and professional settings.
An application was designed using matrix calculation algorithms in Python, complemented by specialized libraries of this programming language to handle matrices, generate visualizations, and produce detailed reports. Validation was carried out through experimental tests and comparisons with specialized software, analyzing practical cases of bar structures, trusses, and frames. Simultaneously, bibliographic references were consulted to support the mathematical formulation and the design of the graphical interface, ensuring that users can understand and replicate the calculations performed by the program.
The results obtained demonstrate that the application is capable of accurately calculating stiffness matrices, nodal displacements, and stress diagrams, maintaining a minimal difference compared to results generated by commercial tools. Furthermore, the application offers a unique pedagogical approach, explaining the internal processes of the FEM and providing detailed reports of the structural analysis. In conclusion, this proposal represents an accessible and educational alternative that integrates advanced calculations with an intuitive interface, contributing to both learning and professional practice in structural engineering.
Description
Este proyecto responde a la creciente necesidad de herramientas que permitan resolver problemas estructurales complejos de manera eficiente y pedagógica, frente a la complejidad de soluciones comerciales actuales, facilitando el aprendizaje del método de los elementos finitos se busca promover una comprensión de los fundamentos del análisis estructural y su aplicación a problemas. Además, se enfoca en ofrecer una experiencia interactiva que fomente el desarrollo de habilidades para la resolución de problemas complejos en el ámbito académico y profesional.
Se diseñó una aplicación empleando algoritmos de cálculo matricial en Python, complementados con bibliotecas especializadas de dicho lenguaje de programación para manejar matrices, generar visualizaciones y producir reportes detallados. La validación se realizó mediante pruebas experimentales y comparaciones con software especializado, analizando casos prácticos de estructuras tipo barras, armaduras y pórticos. Paralelamente, se consultaron referencias bibliográficas que sustentaron la formulación matemática y el diseño de la interfaz gráfica, asegurando que los usuarios puedan entender y replicar los cálculos realizados por el programa.
Los resultados obtenidos demuestran que la aplicación es capaz de calcular con precisión matrices de rigidez, desplazamientos nodales y diagramas de esfuerzo, manteniendo una diferencia mínima con los resultados generados por herramientas comerciales. Además, la aplicación ofrece un enfoque pedagógico único, explicando los procesos internos del MEF y mostrando reportes detallados del análisis estructural. En conclusión, esta propuesta constituye una alternativa accesible y educativa que integra cálculos avanzados con una interfaz intuitiva, contribuyendo tanto al aprendizaje como a la práctica profesional en ingeniería estructural.
Keywords
ELEMENTOS FINITOS, ANÁLISIS ESTRUCTURAL, PYTHON, CÁLCULO MATRICIAL, MATRIZ RIGIDEZ, DESPLAZAMIENTOS NODALES, INGENIERÍA ESTRUCTURAL