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Analisi degli elementi finiti: quali sono i principali vantaggi?


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Negli ultimi anni sono aumentati gli strumenti che permettono di effettuare simulazioni ingegneristiche, estremamente utili in fase di progettazione, in ambiente virtuale. Molto spesso abbiamo sentito l'acronimo FEM (Finite Element Analysis), ovvero analisi degli elementi finiti, che permette di simulare la statica delle costruzioni meccaniche direttamente sul nostro computer, partendo da un normale formato CAD 3D.

Che cos'è una simulazione FEM?

Una simulazione FEM non è troppo differente da quanto accade su un banco di prova: si ha un prototipo virtuale, ovvero un modello geometrico CAD, realizzato in un determinato materiale e con caratteristiche meccaniche note. Esso viene testato, ad esempio, attraverso prove di resistenza statica a forze di trazione, compressione oppure torsione.

I vantaggi dell’utilizzo di queste nuove tecnologie risiedono in primis sui costi, che possono essere ridotti grazie alla virtualizzazione del prototipo senza dover ricorrere necessariamente ad una prototipazione fisica. Un altro vantaggio è rappresentato dalla velocità di sviluppo:infatti in ambiente virtuale effettuare delle modifiche alla geometria richiede pochi minuti. Tali vantaggi si traducono, di fatto, in un aumento di produttività ed efficienza.

Ovviamente la domanda classica riguarda l'attendibilità di tali risultati, ovvero se quanto ottenuto da una simulazione FEM abbia valenza comparabile a quanto si otterrebbe attraverso una prova sperimentale fisica. Quindi il dubbio che si potrebbe porre è se si tratta di un test davvero attendibili oppure di un gioco, bello quanto vogliamo ma pur sempre un gioco. La risposta non è univoca, ma vi sono alcuni trucchi fondamentali da tener a mente per eseguire delle simulazioni.

Immagine correlatae come funziona?

Per un’analisi FEM completa si parte da un file CAD (file STEP, IGES) e da questo viene realizzata una mesh o griglia di calcolo. Si tratta di una suddivisione della nostra geometria in elementi base che costituiscono il punto di appoggio per la risoluzione matematica del nostro problema. Tale fase rappresenta un punto fondamentale, in quanto la qualità della mesh influenza i risultati in maniera approfondita. Ovviamente la trattazione della metodologia di qualità di una mesh risulta estremamente vasta ma in generale vale la regola del gradiente: dove abbiamo una variazione di tensione molto accentuata all’interno del materiale è consigliabile inserire elementi di dimensione inferiore. 

Eseguita la fase di mesh si passa alla definizione delle proprietà del materiale. Generalmente si utilizzano materiali isotropi lineari elastici, ovvero materiali che hanno una risposta uguale in tutte le direzioni (come i metalli) e si fanno operare in una zona in cui la relazione tra tensione e deformazione risulta proporzionale, evitando quindi una deformazione plastica degli stessi. Si identificano quindi due coefficienti che caratterizzano ogni materiale: Modulo di Young (E) e coefficiente di Poisson (ν).

Noto il materiale è possibile passare alla definizione dei vincoli/carichi del nostro sistema. Questa è sicuramente la parte più intuitiva, in quanto si va a fissare tramite vincoli il pezzo meccanico esattamente come se fosse reale, oppure a caricarlo con forze e pressioni equivalenti a quelle di esercizio.

Il valore aggiunto di simulazioni di questo tipo è quindi assolutamente fuori discussione in ambito meccanico, permettendo una progettazione migliore e più veloce.

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Postato da Michele Sambo

Technical Service and Presales Manager
Nuovamacut Automazione Spa