COS’E’ UNA SIMULAZIONE FEA

A volte ci si abitua così tanto al proprio lavoro che diventa naturale credere che chiunque sappia capire il significato di tutte le sigle e di tutti i termini tecnici che lo caratterizzano. In questo articolo cercherò di descrivere con termini comuni in che cosa consiste una simulazione FEM-FEA e che risultati che si possono ricavare.

La descrizione sarà necessariamente semplificata, non me ne voglia chi conosce la materia.

1: Geometria

È necessario indicare al sistema quale sia la forma del componente da analizzare. Immaginiamo di voler analizzare una trave a sbalzo come quella mostrata in figura:

 

FEA Workflow - Geometry of the example

Abbiamo due possibilità per implementare tale geometria nel software di calcolo:

  • Importare la geometria da un CAD 3Dè la via principale da utilizzare, soprattutto per geometrie complesse. Il modello 3d deve rispondere a certe caratteristiche quali: essere “chiuso”, i particolari più piccoli, se non importanti ai fini della simulazione, devono essere semplificati, eventuali componenti saldate devono essere rappresentate da un’unico solido che includa anche i cordoni di saldatura, ecc.  
  • Creare la geometria direttamente nel preprocessore: il pre-processore è uno dei tre componenti fondamentali di un software FEA, è quella parte del codice che permette di importare o creare le geometrie, generare la mesh e imporre le condizioni al contorno, come vedremo nei prossimi step.

In questa fase usualmente si decide se utilizzare elementi solidi, di superficie o travi.  L’esempio che segue mostra un modello di soli elementi solidi, per gli altri elementi valgono considerazioni analoghe.

2: Materiali /Condizioni al contorno / Carichi

  • Materiali: Si tratta di definire il tipo di materiale con il quale è realizzata ogni singola parte del modello. Si definisce anche che tipo di approssimazione utilizzare per definire le caratteristiche del materiale. (Lineare elastico, plastico ecc.)
  • Condizioni al contorno e carichi: La definizione delle condizioni al contorno consiste nel definire quali parti del modello subiscano forze o spostamenti determinati dall’esterno (pressioni, momenti, inerzie, vincoli, ecc.). Si tratta di una delle fasi fondamentali nella corretta impostazione di una analisi FEA. Una mancanza di esperienza nella scelta delle condizioni al contorno si riflette sulla affidabilità del calcolo. E’ questa una fase non automatizzabile che, anche nei software integrati nei cad, richiede un intervento umano di importanza fondamentale
  • Contatti e vincoli evoluti: in questa fase vengono definiti eventuali contatti tra le parti e le relativa definizione, inoltre si possono imporre condizioni particolari come precarichio forze remote. L’utilizzo di queste opzioni richiede ancora maggiore attenzione rispetto alle precedenti, se non si vuole che i numeri che escono dal calcolo siano utili solo per essere giocati al superenalotto…

3: La mesh

Gli aspetti principali riguardo la generazione della mesh sono:

  • tipo di elementi usare (tetraedri, esaedri, lineari, quadratici, ecc)
  • Medotologia di generazione della mesh (mesh strutturata o no, algoritmo di meshatura, densità e dimensione degli elementi, aumento della densità degli elementi in prossimità di dettagli geometrici, ecc.)
  • Verifica della qualità degli elementi finiti ottenuti (uniformità dimensionale, deformazione, ecc)

 

 

4: Analisi

Generalmente un codice FEA consiste di 3 parti:

  • Pre-processor:  Dove viene impostato il modello, definite le condizioni al contorno, i materiali, costruita la mesh.
  • Solutore: E’ il cuore del del sistema, il codice che risolve la “matrice di rigidezza” del modello. Nei software più accurati è possibile settare diversi parametri del solutore, dal tipo di algoritmo per l’inversione della matrice, alla gestione dell numero di cpu utilizzate nel calcolo, ecc.
  • Post-processor: è quella parte del codice che serve a  navigare nel modello risolto e generare grafici e immagini di utilità pratica per il progettista

 

5: Post-processing

Al termine del calcolo, l’analista verifica i risultati, li confronta con quelli che si aspettava di ottenere e valuta se sono affidabili. E’ basilare che l’analista sia anche un tecnico, che sia in grado di calcolare a mano, secondo la teoria della scienza delle costruzioni, quali siano i valori attesi di tensione e spostamento in almeno un punto della struttura.

 

Al termine della verifica è possibile ricavare grafici, immagini e valori delle varie grandezze di interesse. Tensione equivalente di Von Mises e spostamenti sono le due variabili che non mancano mai in una relazione, tutte le altre vengono visualizzate a seconda della necessità.

Infine si può redigere il report, che conterrà i risultati del calcolo, la interpretazione degli stessi e i suggerimenti per il progettista.

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