Studio Consolaro

Analisi agli elementi finiti: un laboratorio virtuale da utilizzare

Per analisi agli elementi finiti, altrimenti detta FEA – Finite Element Analysis oppure FEM – Finite Element Method, si intende una serie di strumenti software che permettono di effettuare simulazioni ingegneristiche.
Tali strumenti riproducono un banco di prova vero e proprio, dove il nostro pezzo meccanico può subire sollecitazioni statiche o dinamiche, può deformarsi o subire una variazione di temperatura.
Come in un banco di prova, siamo interessati alla verifica dei requisiti di progetto da parte del pezzo meccanico. Differentemente da un banco di prova però, in un’analisi FEM siamo un’ambiente virtuale, un ambiente dove il prototipo, che è formato direttamente dal file CAD 3D, può essere modificato in pochi istanti e subire un nuovo test di funzionamento.
Già qui emergono i vantaggi di tale tecnologia: si riduce il numero di prototipi fisici da realizzare e annessi costi e soprattutto tempi di sviluppo.

Un’analisi passo passo

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.
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). 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 Calcolo strutturale FEM dei componenti e la più realistica delle simulazioni permettono di passare alla produzione con la massima tranquillità.
Testando le condizioni di impiego si riducono i prototipi, si accelerano i tempi e si migliora la qualità. Utilizzando l’analisi FEM di simulazione prototipi o metodo degli elementi finiti (FEM – Finite Element Method) è possibile individuare preventivamente:

I vantaggi nell’economia di progetto sono evidenti sia in termini di tempo, sia di costi. Attraverso l’anticipazione virtuale dei comportamenti (statici, dinamici, termici) il progettista potrà, ad esempio, distribuire adeguatamente le masse per diminuire le sollecitazioni, alleggerire i componenti, individuare i materiali adeguati, già in fase di modellazione 3D, ottimizzando al meglio energie e prodotto finale.