Analisi FEM
Cos’é l’Analisi Strutturale (FEM o FEA)
L’analisi strutturale ad elementi finiti, o per usare gli acronimi inglesi FEM (Finite Element Method) o equivalentemente FEA (Finite Element Analysis), consiste nell’analisi numerica del comportamento struttutrale di un sistema, che puó andare da un semplice componente strutturale quale una trave a sistemi e macchinari anche molto complessi, composti da piú parti che interagiscono fra loro attraverso vincoli di tipo cinematico e/o contatti. Le analisi ad elementi finiti si basato per tanto sulla discretizzazione e sulla risoluzione a mezzo del calcolatore delle equazioni della meccanica e del continuo.
Poiché la risoluzione per via analitica di queste equazioni è nota e praticabile solo per geometrie semplici, l’utilizzo dell’analisi strutturale computazionale risulta l’alternativa piú attendibile ed efficace per lo studio di tutte quelle applicazioni pratiche ed industriali che coinvolgono sistemi complessi e comportamenti non lineari dei materiali e delle interazioni fra le parti (quali ad esempio problemi di plasticità, collasso strutturale elastico, contatti unilateri, ecc.).
Come Possiamo Aiutarti
iChrome ha un’esperienza pluriennale nell’applicazione delle tecniche di analisi FEM in campo industriale, dall’analisi secondo normative (ASME, EUROCODICE) all’analisi di impatto e sicurezza passiva sino allo studio della micromeccanica.
Se pensi che la nostra esperienza possa esserti di aiuto non esitare a contattarci.
Perché ricorrere alle analisi FEM
Attraverso l’analisi FEM é possibile valutare le prestazioni strutturali di un prodotto in termini di stabilità, resistenza, elasticità e rigidezza, interazione con le parti circostanti, compreso scambio di calore, forze scambiate tra le parti per effetto di contatti e vincoli cinematici, resistenza di giunzioni e saldature, etc. Ad oggi, senza nulla togliere all’esperienza di progettisti esperti ed alla verifica a mezzo sperimentale, le analisi ad elementi finiti, se applicate correttamente, rimangono ancora l’unico modo per prevedere il comportamento di strutture complesse. Le analisi FEM risultano pertanto il principale strumento di progettazione e di verifica in ambito industriale per tutti quei problemi in cui sia necessario studiare il comportamenti di componenti strutturali critici. In questo contesto, l’analisi FEM ha tre scopi:
- analisi di un fenomeno: la analisi FEM permettono di isolare e studiare in dettaglio i singoli fenomeni che si verificano all’interno di sistemi anche molto complessi, quali ad esempio campo di deformazione, stato di sforzo, campo di temperature, pressioni di contatto, etc. In molti casi di applicazione pratica, l’analisi FEM è l’unico modo per osservare, analizzare ed infine comprendere il comportamento di questi sistemi in fase di progettazione.
- prevedere e sperimentare virtualmente: l’analisi numerica permette di studiare come un fenomeno cambia al cambiare delle condizioni al contorno, ovvero dei parametri esterni di funzionamento e piú in generale delle scelte costruttive (cambio di geometrie, dimensioni, materiali, situazioni ambientali di utilizzo, etc.). In questo senso, l’analisi numerica risulta essere un potente e versatile strumento di sperimentazione ed analisi.
- Ottimizzare di prodotto: la capacitá delle analisi numeriche in ambito strutturale di sostituirsi, se ben applicate, alla sperimentazione, consente di simulare molteplici soluzioni in frazioni del tempo e con costi ridotti rispetto a quelli necessari ad una vera e proprio campagna di sperimentazione. Attraverso le analisi FEM sará qunidi possibile un risparmio di risorse o, analogamente, una piú spinta ottimizzazione del prodotto mediante studi di trade-off e/o vere e proprie ottimizzazioni numeriche.
Come si svolge un’analisi FEM
La procedura di un’analisi FEM risulta tipicamente organizzate nelle seguenti fasi:
- definizione del dominio di calcolo ovvero definizione della mesh: in questa fase l’ingegnere deve fare delle assunzioni sulla porzione di mondo reale da considerare nella modallazione numericae procedere a quella che in gerco viene detta generazione della mesh, ovvero della disccretizzazione ad elementi finiti dell’assieme oggetto dell’analisi. La definizione della griglia di calcolo risulta strettamente connessa alla tipoloia del calcolo stesso ed al tipo di risultati attesi. Per questo motivo, l’esperienza dell’analista e le sue conoscenza ingegneristiche del problema risultano fondamentali giá in questa prima fase del lavoro;
- definizione della fisica del problema: in questa fase viene definito il modello fisico quali ad esempio, le proprietá meccaniche dei materiali, la loro dipendenza con la temperature e velocitá di deformazione (ove richiesto). Anche questa fase richiede specifiche competenze ingegneristiche ed una approfondita conoscenza delle ipotesi adottate e del loro grado di validitá ed attendibilitá rispetto al sistema analizzato ed ai risultati attesi;
- scelta del modello di integrazione numerico ovvero del metodo di discretizzazione e di risoluzione delle equazioni: in questa fase viene definita e scelta la strategia di risoluzione numerica del problema. Questa fase, come la precedente, richiede specifiche competenze ingegneristiche e, per le applicazioni piú spinte, un’approfondita conoscenza di calcolo numerico. L’analista strutturale é cosí chiamato a decidere se un solutore linear o non lineare siá piú o meno adatto alla risoluzione del problema, ed ancora se sia necessario utilizzare un modello ai piccoli spostamenti o un modello che consenta di valutare grandi spostamenti. Dovrá essere valutata l’opportunitá e/o la necessitá di adottare uno schema di integrazione implicito o esplicito ed ancora se sia necessario condurre un’analisi statica, dinamica ed in funzione del tempo o ancora di tipo modale nel dominio delle frequenze. Queste scelte condizionano la tipologia dei risultati e l’onere computazionele;
- scelta delle condizioni al contorno: vengono qui definite le condizioni di moto imposto, le forze esterne e i vincoli dell’assieme da analizzare;
- esecuzione dell’analisi: il calcolo viene eseguito e monitorato.
- visualizzazione ed analisi dei risultati: l’analista interpreta i dati delle simulazioni cosí da interpretare la fisica del fenomeno.
