Cos’è una simulazione FEM-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 cercheremo di descrivere con termini comuni in che cosa consiste una simulazione FEM-FEA e che risultati si possono ottenere.

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

 

schizzo delle condizioni al contorno

1: Geometria

Creazione del modello tridimensionale

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

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

  • Importare la geometria da un CAD 3D: è 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

La definizione delle condizioni al contorno è la fase in cui è necessaria la maggior esperienza. E' necessario conoscere in dettaglio la conseguenza di ogni scelta, lo scopo e le conseguenze di ogni approssimazione inserita nel modello di calcolo.
  • 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 precarichi o 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

In base alle caratteristiche morfologiche del pezzo si definisce che tipo di elementi utilizzare

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 E post-processing

I risultati devono essere verificati

 Infine, 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.  

Uno Strumento potente

L'analisi agli elementi finiti permette di indagare il comportamento meccanico di ogni tipo di materiale e forma.

Know How

Garbage in garbage out, come dicono gli aglofoni. L'affidabilità dei risultati dipende da come si costruisce il modello e da quanto si è in grado di verificarlo.