Domande e risposte sull’analisi ad elementi finiti

Abbiamo raccolto le domande più comuni che ci sentiamo rivolgere in tema di calcolo FEM per chiarire alcuni dubbi e fornire le informazioni principali riguardo al metodo di analisi che utilizziamo quotidianamente in una molteplicità di campi e applicazioni.

Scopri i vantaggi e valuta se anche per te potrebbe essere utile una valutazione con questo approccio.

 

Cos’è la simulazione FEM e come funziona? 

La simulazione FEM (o FEA –  Finite Element Method o Finite Element Analysis) è una tecnica numerica che ha come obiettivo la risoluzione in forma approssimata di un sistema complesso, scomponendolo in elementi più semplici, detti appunto elementi finiti. Il metodo FEM permette di suddividere il modello geometrico in tanti piccoli elementi che possono essere calcolati più facilmente, utilizzando una griglia geometrica, la mesh (ossia una rappresentazione approssimata di un oggetto, che corrisponde ad una partizione di una superficie continua in celle poligonali). Questi elementi sono collegati tra loro dai nodi e il comportamento del sistema viene descritto mediante equazioni algebriche. Questa rappresentazione permette di approssimare il comportamento reale dal punto di vista strutturale del sistema sottoposto all’esame.

Il software di simulazione risolve le equazioni per predire il comportamento del sistema sottoposto a carichi e condizioni specifiche, consentendo di valutare la deformazione, gli sforzi o altre grandezze fisiche della struttura.

Simulazione FEM - mesh

Quali sono i vantaggi e i benefici della simulazione FEM per l’industria?

Più un sistema risulta complesso, più la simulazione aiuta nella sua comprensione e nella risoluzione di problemi in tempi nettamente ridotti rispetto a un approccio analitico classico.

Il primo vantaggio da menzionare è quindi la riduzione dei tempi di sviluppo e dei costi di prototipazione fisica (la simulazione permette di ridurre drasticamente il numero di prototipi).

L’analisi FEM offre inoltre anche una maggiore comprensione del comportamento del  sistema in condizioni di carico varie, contribuendo a garantire la sicurezza, l’affidabilità e la qualità del prodotto finale ancora prima di costruire un primo prototipo (già durante la fase di design).

In quali settori industriali è utilizzata la simulazione FEM?

L’applicabilità di questa metodologia è notevole. Viene molto spesso utilizzata nei settori:

  • Automotive.
  • Meccanico.
  • Navale.
  • Elettronico.
  • Energetico.
  • Aerospaziale.
  • Ferroviario.

Si tratta però di un elenco riduttivo, perché i casi in cui l’analisi FEM può essere applicata sono innumerevoli. A seconda del sistema da analizzare e le condizioni di esercizio in cui si trova, la tipologia di analisi può variare. Tipicamente un’analisi FEM risulta particolarmente indicata nelle seguenti condizioni:

  • Sistema sottoposto a carichi strutturali statici (analisi comportamento statico).
  • Sistema sottoposto a carichi dinamici nel tempo (analisi comportamento a fatica).
  • Sistema sottoposto a sollecitazioni termiche (analisi termica).
Analisi deformazione_SAECON

Come posso applicare il metodo FEM al mio settore?

Per implementare la simulazione FEM è fondamentale avere una comprensione approfondita delle caratteristiche e dei requisiti del tuo progetto o prodotto. Successivamente, si sceglie un software di simulazione adatto alle specifiche esigenze e si acquisiscono le competenze necessarie per utilizzarlo. Inutile dire che non si tratta di un processo che possono permettersi tutte le aziende: vuoi perché non è detto che al proprio interno il personale abbia le competenze necessarie, vuoi perché un software di simulazione è un investimento importante, da affrontare se queste verifiche si ripetono con periodicità e costanza. Quando invece l’esigenza è sporadica, collaborare con una società di consulenza ingegneristica esperta in simulazione può facilitare il processo e garantire risultati accurati e affidabili in tempi ragionevoli.

Come si realizza un’analisi FEM?

La chiave sono i dati a disposizione. Più sono dettagliate le informazioni sulla geometria, i materiali, le condizioni di carico e le forze esterne che agiscono sulla struttura (o sul sistema) e più  l’analisi risulterà accurata.

Il punto di partenza è una geometria 3D (file CAD 3D) da cui si genera la mesh, che rappresenta il punto fondamentale per la risoluzione matematica del problema. Come già anticipato, la mesh rappresenta la scomposizione del modello iniziale in tanti piccoli elementi di forma ridotta, riducendo così la complessità del problema. Si devono quindi prendere in considerazione le proprietà del materiale, i vincoli e i carichi a cui l’oggetto da analizzare è sottoposto, evidenziando il comportamento di ogni singolo elemento (pre-processing).

La soluzione del problema viene poi espressa dalla combinazione lineare di funzioni dette funzioni di base o funzioni di forma, shape functions.

È in questa fase dell’analisi che entra in gioco il software di calcolo che ha il compito di risolvere i sistemi di equazioni per arrivare alla risoluzione del problema (processing).

Il risultato è un’elaborazione grafica che consente di comprendere se il design scelto è adatto a soddisfare i requisiti progettuali sulla base dei vincoli e dei carichi definiti. Se così non fosse è necessario ripetere l’analisi su un altro design, offrendo al cliente la soluzione ottimale (post-processing).

In questo processo, il ruolo chiave è comunque sempre giocato dall’analista. A lui è infatti affidato il compito di verificare e validare i risultati ottenuti, comparandoli con quelli che si sarebbe aspettato di ottenere con un calcolo “a mano”.

Verifica strutturale parapetto curvo
Verifica strutturale parapetto alluminio FEM

Come l’analisi FEM aiuta a ottimizzare il design e migliorare le prestazioni dei prodotti?

Come abbiamo visto, il metodo a elementi finiti offre una panoramica dettagliata delle sollecitazioni e delle deformazioni che un sistema subisce durante l’utilizzo. Questa informazione consente agli ingegneri di identificare punti critici, zone di sforzo elevato, potenziali problemi di stabilità, ecc. Attraverso iterazioni e modifiche del modello, è possibile ottimizzare il design per ridurre i fattori di rischio e migliorare le prestazioni del prodotto, ottenendo una maggiore efficienza e affidabilità.

Non solo. L’analisi consente anche di studiare design ottimizzati, andando a ridurre (quando possibile) un eccessivo utilizzo di materiale, il che si traduce in un risparmio in termini economici.

Quali analisi offre SAECON?

Le competenze dei nostri ingegneri sono diverse e complementari proprio perché, come abbiamo spiegato, i campi di applicazione della metodologia computazionale sono molto diverse tra loro.

A volte integriamo le verifiche strutturali alla progettazione, andando quindi a intervenire tempestivamente nel momento in cui emergono problemi strutturali.

Altre volte veniamo interpellati per risolvere un problema che si è già manifestato.

Possiamo supportare i clienti per:

  • verifiche strutturali a norma per certificazioni;
  • diagnosi di malfunzionamenti e rotture (FMEA – Failure Mode and Effects Analysis);
  • verifiche dinamiche (vibrazioni, comportamento a fatica, urti…);
  • verifiche termiche;
  • misure sperimentali a supporto dell’analisi FEM per validazione.

Ti abbiamo aiutato a fare chiarezza nel mondo del FEM-FEA?

Non perderti il prossimo articolo, dove ti daremo ancora più informazioni sull’applicabilità di questa metodologia di analisi.

I nostri esperti CAE sono a tua disposizione. Chiamaci per una consulenza.