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Analisi agli elementi finiti: come avvantaggiarsi di un laboratorio virtuale

Con la sigla FEM (Finite Element Analysis), ovvero analisi agli elementi finiti, si può simulare la statica delle costruzioni meccaniche direttamente sul computer, partendo da un normale formato CAD 3D. Alcune riflessioni

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Negli ultimi anni si sono moltiplicati gli strumenti che permettono di effettuare simulazioni ingegneristiche, estremamente utili in fase di progettazione, in ambiente virtuale. Si cita molto spesso la sigla FEM (Finite Element Analysis), ovvero analisi agli elementi finiti, che permette di simulare la statica delle costruzioni meccaniche direttamente sul nostro computer, partendo da un normale formato CAD 3D.

Una simulazione FEM non è troppo differente rispetto a 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, abbattuti dalla realtà virtuale e dalla mancata necessità di continua prototipazione. Altro vantaggio è la velocità di sviluppo: in ambiente virtuale effettuare delle modifiche alla geometria richiede pochi minuti. Tali vantaggi significano, in generale, aumento di produttività ed efficienza.

Ovviamente la domanda classica riguarda la validità di tali risultati, ovvero se quanto ottenuto da una simulazione FEM ha valenza comparabile a quanto si ottiene attraverso una prova sperimentale oppure se si tratta 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 le vostre simulazioni.

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Partiamo dalle basi: per un’analisi FEM completa si parte da un file CAD (i.e. 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. Per chi volesse approfondire l’argomento rimando anche a questo articolo dedicato alla forma di ogni singolo elemento.

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).

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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 indiscutibile nell’ambito meccanico, permettendo una migliore e più veloce progettazione soprattutto ad ingegneri e liberi professionisti. I software FEM sono inoltre notevolmente migliorati negli ultimi anni, sia a livello di accuratezza che di semplicità di utilizzo e di gestione. L’ultima versione disponibile attualmente sul mercato è una categoria di software utilizzabili direttamente da browser, abbattendo inoltre costi di licenza. Alcuni esempi sono CONSELF e SIM4DESIGN, che offrono anche potenzialità di simulazioni CFD.

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