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Analisi agli elementi finiti

L’analisi a elementi finiti (FEA) consiste nella modellazione e nella simulazione virtuali di prodotti e assiemi per individuare le prestazioni strutturali, acustiche, elettromagnetiche o termiche. La FEA è l’applicazione pratica del metodo agli elementi finiti (FEM).

Che cos’è l’analisi a elementi finiti?

L’analisi a elementi finiti consiste nella modellazione di prodotti e sistemi in un ambiente virtuale per trovare e risolvere potenziali (o esistenti) problemi prestazionali del prodotto. La FEA è l’applicazione pratica del metodo degli elementi finiti (FEM), utilizzato da ingegneri e scienziati per eseguire la modellazione matematica e la risoluzione numerica di problemi relativi alla struttura, all’acustica, all’elettromagnetica, all’ambito termico, alla dinamica dei fluidi e ad aspetti multifisici complessi. I software FEA trovano impiego in un’ampia gamma di settori e sono largamente utilizzati in ambito aeronautico, automotive, elettronico, nei macchinari industriali, nel settore navale e nei prodotti consumer.

Un modello a elementi finiti (FE) è formato da un sistema di punti, definiti “nodi”, che definiscono la forma del progetto. A questi nodi sono collegati gli elementi fisici che formano la mesh degli elementi finiti e contengono le proprietà materiali e strutturali del modello, volti a definirne il comportamento in determinate circostanze. La densità della mesh degli elementi finiti assume valori diversi all’interno del materiale, in base alle variazioni previste dei livelli di sollecitazione in un’area specifica. Le aree geografiche soggette a importanti variazioni nelle sollecitazioni richiedono in genere una mesh con una densità maggiore rispetto a quella per le aree geografiche soggette a variazioni minime o non soggette a variazioni nelle sollecitazioni. Tra gli aspetti interessanti si ricordano i punti di frattura dei materiali già testati, raccordi, angoli, aree di sollecitazione elevata e dettagli complessi.

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Immagini di un’analisi a elementi finiti per la dinamica strutturale di un cambio per il gruppo motopropulsore di un veicolo elettrico del software Simcenter 3D.
Un’immagine del software Simcenter Nastran, uno dei principali solutori di metodi agli elementi finiti (FEM).

Sfrutta l’analisi FEA per migliorare le prestazioni dei prodotti

Scopri come altri utilizzano FEA per progettare l’innovazione utilizzando Simcenter.

Scopri i vantaggi

La FEA è una metodologia consolidata, spesso utilizzata per sostituire o integrare i metodi sperimentali e analitici a supporto della progettazione e dell’analisi di prodotti di uso quotidiano. Rispetto alla prototipazione e agli esperimenti, le simulazioni basate su FEA offrono i seguenti vantaggi.

Prestazioni ottimizzate

L’analisi a elementi finiti consente di analizzare ed esplorare rapidamente le possibilità di progettazione per aumentare le prestazioni del prodotto.

Riduzione dei tempi

L’analisi a elementi finiti consente di portare sul mercato progetti di prodotti ottimizzati più velocemente rispetto a un metodo di costruzione e test.

Riduzione dei costi

Sfruttando l’analisi a elementi finiti, è possibile ridurre significativamente i costi di sviluppo del prodotto rispetto ai tradizionali processi di test basati su prototipi fisici.

Fasi del processo di simulazione FEA

Indipendentemente dal software utilizzato, la maggior parte delle simulazioni FEA segue questi passaggi generici.

Immagine di un modello 3D del telaio di un’auto con grafica di mappatura termica del software Simcenter 3D.

Pre-processing

La fase di pre-processing prevede la modifica della geometria e la sua preparazione per la simulazione. In un processo denominato meshing, uno strumento di pre-processing converte la geometria del progetto in piccoli elementi finiti prima di applicare proprietà del materiale, carichi, vincoli e parametri di simulazione.

Il software di simulazione CFD inizia a risolvere iterativamente le equazioni discretizzate utilizzando il solutore CFD.

Soluzione

Il software di simulazione FEA inizia a risolvere iterativamente le equazioni discretizzate utilizzando il solutore. Questo passaggio può richiedere molto tempo o risorse di calcolo. Per le simulazioni complesse, sempre più aziende si rivolgono al cloud computing in quanto rappresenta una soluzione economica a questo problema.

Analisi lineare di una struttura meccanica visualizzata dal software Simcenter 3D.

Post-processing

Una volta completata la risoluzione, il passaggio successivo consiste nell’analizzare e visualizzare i risultati della simulazione qualitativamente e quantitativamente utilizzando report, monitor, grafici, immagini 2D/3D e animazioni. In questa fase sono incluse anche la verifica e la validazione dei risultati.

Tipi di analisi FEA

Analisi 1D (modelli beam)
Aanalisi 1D si riferisce all’applicazione di modelli creati esclusivamente da elementi monodimensionali composti solo da due nodi, come gli elementi beam. L’analisi 1D può essere utile per l’analisi iniziale di strutture che in genere sono complicate da modellare, come la carrozzeria o la cellula di un’automobile. Il modello beam 1D può aiutare gli ingegneri a valutare rapidamente la dinamica del solido prima che l’intera geometria sia pronta per un’analisi più approfondita.

Analisi 2D (modelli shell)
Gli ingegneri inseriscono mesh della geometria con elementi bidimensionali, quali elementi quad o triangolo per corpi con pareti sottili, come le parti in lamiera. Le proprietà degli elementi definiscono quindi lo spessore dell’elemento shell che il solutore utilizzerà per calcolare tensioni, deformazioni e altri risultati. I pre-processor FEA hanno algoritmi di meshing rapido che aiutano gli ingegneri a creare una mesh shell sulla geometria.

Analisi 3D (modelli solidi)
Per geometrie solide e grosse, come un blocco motore, gli ingegneri usano elementi solidi tridimensionali per rappresentare la geometria. Gli elementi tetra, piramidali ed esagonali vengono creati in tutto il solido. I pre-processor FEA dispongono degli strumenti necessari agli ingegneri per creare modelli di mesh solide.

FEA multifisica
La moderna FEA è molto di più della simulazione di un singolo dominio fisico. Oggi, l’analisi FEA è diventata molto più multidisciplinare, perché consente agli ingegneri di combinare insieme diverse fisiche, come l’interazione fluido-struttura (FSI), la simulazione termo-meccanica, la dinamica multibody con corpi flessibili strutturali basati su FE, l’analisi elettromeccanica-termica e altro ancora. La simulazione multifisica è di fondamentale importanza in un numero sempre maggiore di prodotti complessi che richiedono un’ingegneria interdisciplinare olistica per ottenere le massime prestazioni.

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Immagini del software Simcenter 3D che rappresentano un modello di simulazione del progetto di un trattore.

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