En los tutoriales anteriores construimos con FEM-AGENT un ensayo de indentación, primero desde la interfaz y después pidiéndolo en lenguaje natural. En este tercero desarrollamos un modelo de fractura phase-field.
La mecánica de la fractura phase-field se ha convertido en una de las formas más robustas de simular la iniciación y propagación de grietas sin tener que seguir explícitamente su trayectoria. En este tutorial mostramos cómo construir un modelo de fractura phase-field completo con FEM-AGENT: seis prompts en lenguaje natural, desde el proyecto vacío hasta la curva fuerza–desplazamiento. Al final comparamos el resultado con una simulación de referencia en COMSOL.
El caso: placa fisurada a tracción
Usamos un ensayo clásico de la literatura: una placa cuadrada de 1 × 1 mm con una entalla horizontal que llega hasta el centro, sometida a tracción en el borde superior. Es un benchmark muy utilizado para validar implementaciones phase-field, porque la grieta debe propagarse en línea recta desde la punta de la entalla hasta el borde derecho.
Los datos del modelo:
- 2D en deformación plana, espesor 1 mm, unidades mm–N–MPa.
- Material elástico lineal isótropo: E = 210 000 MPa, ν = 0,3.
- Fractura phase-field modelo AT2: Gc = 2,7 N/mm, l0 = 0,02 mm, con split espectral tracción/compresión.
- Desplazamiento impuesto en el borde superior de 0 a 0,0075 mm.
Paso a paso: del prompt al modelo
Cada paso es una instrucción al agente. Reproducimos los prompts tal cual, para que puedas usarlos como plantilla en tus propios casos.
1. Crear el proyecto
Crea un proyecto nuevo 2D en deformación plana (plane strain), espesor 1 mm, con sistema de unidades mm–N–MPa. Va a ser un ensayo de tracción con fractura phase field (benchmark de placa con entalla de Miehe).
El agente inicia un proyecto vacío con el tipo de análisis y el sistema de unidades indicados.
2. Construir la geometría
Crea la geometría (en mm):
– Un cuadrado de 1 x 1 con la esquina inferior izquierda en (0, 0).
– Réstale una entalla rectangular de 0.5 de ancho y 0.002 de alto, con esquina inferior izquierda en (0, 0.498). Así queda una grieta inicial horizontal desde el borde izquierdo hasta x = 0.5, centrada en y = 0.499.
Es un único dominio. No añadas particiones ni dominios auxiliares.
El agente combina primitivas CAD (rectángulos, círculos…) con operaciones booleanas, en este caso una diferencia de sólidos, y verifica que el resultado sea un único dominio.
3. Asignar el material y el modelo de fractura
Asigna a todo el dominio un material elástico lineal isótropo con E = 210000 MPa (210 GPa) y ν = 0.3.
Añádele fractura phase field modelo AT2 con Gc = 2.7 N/mm, longitud de regularización l0 = 0.02 mm y split espectral tracción/compresión, para que solo la energía de tracción haga crecer el daño.
El modelo AT2 necesita tres datos: la energía de fractura Gc, la longitud característica l0 y qué parte de la energía genera daño (aquí, solo la de tracción). Si el prompt no especifica algún parámetro, el agente puede tomar valores por defecto o deducirlos del contexto, y lo indica en su respuesta.
4. Condiciones de contorno y salidas
Define las condiciones de contorno de un ensayo de tracción cuasiestático:
– Borde inferior (y = 0): rodillo, uy = 0 y ux libre.
– Esquina inferior izquierda (0, 0): ux = 0, para quitar el movimiento de sólido rígido.
– Borde superior (y = 1): desplazamiento impuesto uy que crece linealmente de 0 a 0.0075 mm, con ux libre.
– El resto de bordes, incluidas las caras de la entalla, libres.
Como salida quiero la fuerza de reacción total en y del borde superior frente al desplazamiento impuesto (curva F–u).
Antes de aplicar las condiciones, el agente crea automáticamente las entidades geométricas que necesita (bordes, puntos, superficies). Estas selecciones quedan disponibles para reutilizarlas después, por ejemplo para calcular reacciones o integrar resultados localmente. Las condiciones aparecen sobre el modelo como marcadores verdes: puntos en las caras fijas y flechas donde hay desplazamiento impuesto.
Las salidas, como la curva F–u, pueden pedirse antes de calcular. El agente las deja configuradas en Results y se muestran en Plots en cuanto hay resultados.
5. Mallar con refinamiento en la zona de la grieta
Malla con triángulos:
– Tamaño máximo de elemento 0.02 mm en todo el dominio.
– Refina a h = 0.003 mm dentro del rectángulo x ∈ [0.45, 1], y ∈ [0.475, 0.525], que es la banda por donde se va a propagar la grieta (h ≈ l0/7). Hazlo como región de tamaño de malla, no como partición de la geometría.
Dime cuántos nodos y elementos salen.
La calidad de un modelo phase-field depende de que la malla resuelva bien la longitud l0 en la trayectoria de la grieta. El agente lo comprueba antes de mallar: recomienda un tamaño local h ≤ 0,004 mm y genera una malla triangular cuadrática con la banda refinada, sin alterar la geometría. Resultado: 24 737 nodos y 12 216 elementos.
6. Configurar el solver y lanzar el cálculo
Configura el estudio phase field cuasiestático con precisión «accurate», llevando el desplazamiento del borde superior de 0 a 0.0075 mm en una sola fase. Guarda resultados en 20 instantes equiespaciados (cada 5 % de la carga) y lánzalo.
Al terminar, enséñame la curva F–u del borde superior y el campo de daño d en el instante final.
Elegimos la precisión accurate (las otras opciones son draft y fast) y pedimos 20 instantes de salida uniformes. El agente lanza el cálculo sobre CalculiX, un solver de elementos finitos open source, y recoge los resultados cuando termina.
Resultados
Los resultados se consultan en el panel Results, donde se puede cambiar el campo representado sobre la geometría y ver las curvas solicitadas en Plots. El campo de daño muestra la grieta propagándose en línea recta desde la punta de la entalla hasta el borde derecho, como se espera en este benchmark.
El agente resume los resultados clave:
- Carga de pico: Fy = 665,2 N para uy = 0,00553 mm.
- Tras el pico, la fuerza cae de forma brusca hasta anularse: la placa se rompe por completo.
- La grieta alcanza desde x = 0,50 hasta x = 0,995 mm, con daño d ≥ 0,95 en 1 328 nodos.
El cálculo se detiene en t ≈ 0,85 en lugar de llegar a t = 1. Es el comportamiento esperado: una vez el sólido se ha roto completamente, CalculiX no puede seguir avanzando. Además, el agente revisa la calidad del resultado y avisa de una pequeña pérdida de irreversibilidad en la variable de historia H después del pico, por lo que recomienda interpretar ese tramo con cautela. Este tipo de diagnóstico automático es clave para confiar en modelos generados con IA.
Validación frente a COMSOL
Para validar el modelo, reprodujimos el mismo ensayo en COMSOL y comparamos las curvas fuerza–desplazamiento.
Las dos curvas coinciden prácticamente en todo el tramo elástico y en la carga de pico, con una diferencia de alrededor del 1 %. La trayectoria de la grieta también es la misma. Las pequeñas diferencias en la caída posterior al pico se deben a la discretización temporal: con 20 instantes de salida, el tramo de rotura queda definido por muy pocos puntos.
Conclusiones
Con seis prompts en lenguaje natural hemos construido, calculado y validado un modelo de fractura phase-field que normalmente exige experiencia en el modelo de daño, en el mallado y en la configuración del solver. El agente:
- traduce la descripción del ensayo en geometría, material, condiciones de contorno y malla;
- comprueba criterios propios del phase-field, como la resolución de l0 en la malla;
- lanza el cálculo con un solver open source y resume los resultados relevantes;
- señala los aspectos del resultado que conviene revisar.
El ingeniero mantiene el control en todo momento: define el problema, revisa cada paso en la interfaz y valida los resultados.
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