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Analisi agli elementi finiti

L'analisi agli elementi finiti (FEA) è la modellazione virtuale e la simulazione di prodotti e assiemi per prestazioni strutturali, acustiche, elettromagnetiche o termiche. La FEA è l'applicazione pratica del metodo degli elementi finiti (FEM).

Che cos'è l'analisi agli elementi finiti?

L'analisi agli elementi finiti è la modellazione di prodotti e sistemi in un ambiente virtuale per trovare e risolvere potenziali (o esistenti) problemi di prestazioni del prodotto. FEA è l'applicazione pratica del FEM, che viene utilizzato da ingegneri e scienziati per modellare matematicamente e risolvere numericamente complessi problemi strutturali, acustici, elettromagnetici, termici, fluidi e multifisici. Il software FEA può essere utilizzato in un'ampia gamma di settori, ma è più comunemente utilizzato nei settori aeronautico, automobilistico, elettronico, dei macchinari industriali, marittimo e dei prodotti di consumo.

Un modello a elementi finiti (FE) comprende un sistema di punti chiamati "nodi", che formano la forma del progetto. A questi nodi sono collegati gli elementi finiti che formano la mesh ad elementi finiti e contengono le proprietà materiali e strutturali del modello, definendo come reagirà a determinate condizioni. La densità della mesh ad elementi finiti può variare in tutto il materiale, a seconda della variazione prevista dei livelli di sollecitazione di una particolare area. Le regioni che subiscono grandi cambiamenti di sollecitazione di solito richiedono una densità di mesh più elevata rispetto a quelle che subiscono una variazione di sollecitazione minima o nulla. I punti di interesse possono includere punti di frattura di materiale precedentemente testato, raccordi, angoli, dettagli complessi e aree ad alta sollecitazione.

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A finite element analysis for structural dynamics of a gearbox for an electric vehicle powertrain visuals from the Simcenter 3D software.
Un'immagine del software Simcenter Nastran, un risolutore FEM (Finite Element Method) di prim'ordine.

Sfrutta l'analisi FEA per migliorare le prestazioni dei tuoi prodotti

Scopri in che modo gli altri utilizzano FEA per progettare l'innovazione utilizzando Simcenter.

Scopri i vantaggi

La FEA è una metodologia consolidata spesso utilizzata per sostituire o integrare metodi sperimentali e analitici per aiutare la progettazione ingegneristica e l'analisi di prodotti di uso quotidiano. Rispetto alla prototipazione e agli esperimenti, le simulazioni basate su FEA offrono i seguenti vantaggi.

Aumenta le prestazioni

L'analisi agli elementi finiti consente di analizzare ed esplorare rapidamente le possibilità ingegneristiche per migliorare le prestazioni del prodotto.

Riduzione dei tempi

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

Riduzione dei costi

Sfruttando l'analisi degli 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 generalizzati.

Modello 3D del telaio di un'auto con mappatura termica visiva dal software Simcenter 3D.

Pre-processing

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

Il software di simulazione CFD inizia a risolvere in modo iterativo le equazioni discretizzate utilizzando il solutore CFD.

Risoluzione

Il software di simulazione FEA inizia a risolvere in modo iterativo 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 come soluzione economica a questo problema.

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

Post-processing

Una volta completata la risoluzione, il passo successivo è quello di 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 convalida dei risultati.

Tipi di analisi FEA

Analisi 1D (modelli di trave)

L'analisi 1D si riferisce all'applicazione di modelli creati esclusivamente da elementi 1dimensionali composti da due soli nodi, ad esempio gli elementi di trave. L'analisi 1D può essere utile per l'analisi in fase iniziale di strutture che sono tipicamente complicate da modellare, come la carrozzeria di un'auto o la cellula. Il modello di trave 1D può aiutare gli ingegneri a valutare rapidamente la dinamica del corpo prima che l'intera geometria sia pronta per un'analisi di livello più approfondito.

Analisi 2D (modelli di guscio)

Gli ingegneri combinano la geometria con elementi bidimensionali, come un elemento quad o triangolare per i corpi a parete sottile, come le parti in lamiera. Le proprietà dell'elemento definiscono quindi lo spessore dell'elemento shell che il solutore utilizzerà per calcolare la sollecitazione, le deformazioni e altri risultati. I preprocessori FEA sono dotati di algoritmi di meshing rapido che aiutano gli ingegneri a creare una mesh shell sulla geometria.

Analisi 3D (modelli solidi)

Per una geometria solida e grossa, come un blocco motore, gli ingegneri utilizzano elementi solidi tridimensionali per rappresentare la geometria. Gli elementi tetra, piramidali ed esagonali vengono creati in tutto il corpo solido. I preprocessori FEA dispongono degli strumenti necessari agli ingegneri per creare modelli di mesh solide.

FEA multifisica

La FEA moderna è molto più di una semplice simulazione di un singolo dominio fisico individualmente. Oggi, la FEA è diventata molto più multidisciplinare consentendo agli ingegneri di accoppiare insieme diverse fisiche, come l'interazione fluido-struttura (FSI), la simulazione termo-meccanica, la dinamica multicorpo con corpi flessibili strutturali basati su FE, elettromeccanico-termico e altro ancora. La simulazione multifisica è di fondamentale importanza in prodotti sempre più complessi che richiedono un'ingegneria olistica intersettoriale 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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  • Aggiorna rapidamente il modello di simulazione con il software Simcenter 3D in base alle modifiche progettuali per eseguire nuovamente la simulazione in pochi secondi

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