Simulazione e analisi nell'ingegneria meccanica
Nell’ingegneria meccanica, lo sviluppo di prodotti si fonda su tre elementi chiave: progettazione, simulazione e analisi.
La progettazione consiste nell’ideare e disegnare le soluzioni tecniche per soddisfare le esigenze del cliente.
La simulazione
consiste nell’applicare modelli matematici per studiare e prevedere il comportamento e le prestazioni di parti, assiemi e disegni
in condizioni realistiche, e quindi per migliorare e ottimizzare le soluzioni progettuali.
L’analisi consiste nell’interpretare i
risultati della simulazione e valutare la fattibilità, l’efficienza e la qualità delle soluzioni progettuali. La simulazione richiede
conoscenze avanzate di argomenti complessi, equazioni specialistiche e matematica matriciale, e quindi può essere difficile da capire
per i non esperti di CAE (Computer Aided Engineering). Gli strumenti di analisi e simulazione sono essenziali per lo sviluppo prodotti:
consentono di ottimizzare le scelte progettuali, ridurre i costi e i tempi di lancio sul mercato, migliorare la qualità e la sicurezza,
e favorire l’innovazione. Senza analisi e simulazione, le organizzazioni devono realizzare e testare prototipi fisici costosi, potenzialmente
più volte.
I diversi tipi di simulazione: quali sono e a cosa servono
Esistono diversi tipi di simulazione, a seconda degli aspetti che si vogliono analizzare e del livello di dettaglio che si vuole raggiungere. Alcuni esempi sono:
- La simulazione strutturale, che calcola le sollecitazioni che un prodotto subisce a causa di carichi e vincoli esterni, e verifica se il prodotto si deforma, si rompe o resiste alle condizioni operative.
- La simulazione termica, che permette di calcolare la temperatura di un oggetto, e di verificare come il calore si trasferisce verso o da esso a causa di convezione, radiazione o conduzione. L’analisi termica può anche studiare come la temperatura influisce sulla deformazione e sulla sollecitazione dell’oggetto.
- La simulazione modale, che permette di calcolare le frequenze e le forme di vibrazione di un oggetto, e di verificare se il prodotto rischia di rompersi a causa di risonanze indesiderate.
- La simulazione dinamica, che simula il comportamento del prodotto in funzione del tempo o della frequenza, considerando le variazioni dei carichi, delle proprietà dei materiali, delle condizioni ambientali, ecc.
- La simulazione di meccanismi, che permette di studiare il movimento e le forze di macchine composte da componenti mobili, e di verificare se il meccanismo funziona correttamente, se ci sono collisioni o frizioni, e qual è lo spazio occupato dai componenti.
- La simulazione di imbozzamento, che simula il fenomeno dell’instabilità di sezioni sottili sottoposte a compressione, che possono deformarsi o collassare in modo improvviso e catastrofico.
Analisi Classica Vs Analisi ad Elementi Finiti (FEA)
Per fare una simulazione, si possono utilizzare due metodi diversi: l’analisi classica e l’analisi agli elementi finiti (FEA). L’analisi classica si basa sull’uso di formule e relazioni matematiche semplificate, che si possono applicare a problemi semplici e ideali, come corpi rigidi, materiali omogenei, geometrie regolari, ecc. L’analisi classica è utile per avere una prima valutazione delle prestazioni del prodotto, ma non tiene conto della complessità e della varietà dei problemi reali.
L’analisi agli elementi finiti (FEA) permette di risolvere problemi complessi e realistici, come corpi deformabili, materiali anisotropi, geometrie irregolari, ecc. L’analisi FEA consiste nel suddividere il dominio di studio in piccoli elementi semplici, connessi tra loro da nodi, e nel risolvere le equazioni che governano il problema per ogni elemento e per ogni nodo. L’analisi FEA è in grado di fornire risultati precisi e dettagliati, ma richiede anche maggiori risorse di calcolo e maggiore esperienza.
FEA o FEM: Quali sono le differenze?
Il metodo degli elementi finiti (FEM – Finite Element Method) è un metodo numerico che permette di risolvere problemi descritti da equazioni differenziali alle derivate parziali, approssimando il dominio del problema con una serie di elementi semplici e discreti.
L’analisi agli elementi finiti (FEA – Finite Element Analysis) è l’applicazione del metodo FEM a problemi di ingegneria, come l’analisi strutturale, termica, modale, dinamica, di meccanismi e di imbozzamento. In altre parole, FEM è il metodo generale, mentre FEA è la sua applicazione specifica.
Possiamo suddividere il processo di analisi FEM in 3 fasi: pre-processing, processing e post-processing.
Fase di Pre-processing
Nella fase di pre-processing si costruisce il modello ad elementi finiti. Per effettuare una simulazione FEA completa, si parte da un file CAD (ad esempio, file STEP, IGES) e si procede con la discretizzazione del dominio di calcolo. Si passa da un modello continuo ad un modello discretizzato e si risolvono, per via numerica, le equazioni che descrivono il modello fisico-matematico.
Nella fase di pre-processing si effettua anche la meshing: il modello originale viene scomposto in numerosi elementi di forma elementare, come quadrati, cerchi e triangoli, diminuendo così la complessità del problema (da cui il termine di analisi agli elementi finiti).
In altri termini, la mesh o griglia di calcolo, è la suddivisione della geometria in elementi semplici che sono la base per la soluzione matematica del problema. Questa fase è molto rilevante, perché la qualità della mesh incide sui risultati in modo notevole.
Dopo aver fatto la mesh, si devono specificare le proprietà del materiale. Di solito vengono utilizzati materiali isotropi lineari elastici, cioè materiali che hanno le stesse proprietà meccaniche e termiche in ogni direzione dello spazio e che reagiscono alle sollecitazioni e alle variazioni di temperatura in modo proporzionale e reversibile, senza subire danni permanenti. Per caratterizzare ogni materiale si usano due parametri: Modulo di Young (E) e coefficiente di Poisson (ν). Una volta noto il materiale, si procede a determinare i vincoli e i carichi che agiscono sul nostro sistema.
Fase di Processing
Quando si passa alla fase di Processing, entra in gioco il software per il calcolo strutturale con solutore FEM integrato che si occupa di trovare una soluzione discreta e approssimata ai sistemi di equazioni alle derivate parziali (o PDE) nell’ambito del dominio di calcolo che abbiamo discretizzato precedentemente.
Fase di Post-processing
La fase di post-processing corrisponde all’elaborazione e alla rappresentazione grafica della soluzione ottenuta. Non è facile eseguire l’analisi FEM in modo corretto perché nel processo si possono trovare molte difficoltà che alterano il risultato raggiunto. È sempre consigliabile affidarsi a programmi professionali per il calcolo strutturale con analisi e risoluzione di possibili problemi.
Creo Ansys Simulation e Creo Simulation Live: due strumenti PTC per simulazioni ad alta fedeltà
Per eseguire una simulazione, è quindi necessario formulare matematicamente il problema, suddividere il dominio di analisi in elementi semplici, specificare le condizioni e i parametri al limite, e applicare un metodo numerico per risolvere il problema. Queste operazioni possono essere facilitate da software appositi, che consentono di costruire e gestire i modelli, di importare e esportare i dati, di visualizzare e interpretare i risultati.
Non lasciarti intimorire dall’eseguire analisi di simulazione e dal convalidare progetti in autonomia! Creo Ansys Simulation e Creo Simulation Live sono le soluzioni che fanno al caso tuo!
Ansys e PTC hanno infatti unito le loro forze per favorire l’innovazione dei prodotti offrendo ai clienti le migliori soluzioni di progettazione supportate dalla simulazione.
Si tratta di due strumenti software di simulazione integrati nell’ambiente CAD di Creo, che ti permettono di eseguire simulazioni in tempo reale e ad alta fedeltà direttamente sul modello 3D, senza doverlo esportare o importare in altri programmi.
Diamo un'occhiata a questi software che vengono utilizzati in tutto il processo di sviluppo, per ridurre i costi della prototipazione fisica, i tempi del ciclo di progettazione e il backlog del reparto di analisi.
Creo Simulation Live (CSL) è uno strumento che fornisce un feedback immediato e interattivo sul comportamento del prodotto durante la modifica o la creazione delle funzioni. Basta definire alcune semplici condizioni e il software pensa al resto, presentando i risultati in tempo reale. Creo Simulation Live permette di eseguire simulazioni strutturali, termiche, modali e del flusso dei fluidi, sfruttando la potenza della GPU del computer. Questo strumento è ideale per le fasi iniziali di progettazione, quando si vogliono testare rapidamente diverse ipotesi e prendere decisioni informate.
Creo Ansys Simulation è uno strumento che integra le funzionalità avanzate di Ansys, leader mondiale nel settore della simulazione, in Creo. Questo strumento permette di eseguire simulazioni strutturali, termiche e modali ad alta fedeltà, con una maggiore accuratezza e una maggiore varietà di opzioni. Creo Ansys Simulation è perfetto per le fasi finali di progettazione, quando si vuole validare il prodotto e ottimizzarlo in modo definitivo.
First Solution è rivenditore Ufficiale di PTC, contattaci se vuoi saperne di più su queste soluzioni e scoprire come possono aiutarti a ottimizzare i tuoi progetti.
Saremo lieti di rispondere alle tue domande e di organizzare una demo gratuita per mostrarti le potenzialità di Creo Ansys Simulation e Creo Simulation Live. Non perdere questa occasione, contattaci!
Scarica l’eBook e approfondisci la simulazione
Se vuoi trarre benefici dalle simulazioni, questo eBook è ciò che fa al caso tuo! Fornisce ai non analisti un approfondimento sulla natura della simulazione all'interno dello sviluppo prodotto. L'eBook è stato redatto per gli ingegneri meccanici e i relativi responsabili che non utilizzano o non conoscono il valore degli odierni strumenti di simulazione e analisi. Illustra al lettore i tipi di procedure di simulazione di base e più avanzate e il relativo valore. Nella sua conclusione, dimostra come Creo Simulation Live e Creo Ansys Simulation, creati per gli ingegneri progettisti che non dispongono di capacità di simulazione avanzate, garantiscano questo vantaggio alla loro organizzazione.
Autore
Sara Asia Riboli - Marketing Specialist
Marketing specialist con competenze consolidate nella progettazione di strategie efficaci online e offline.