Analisi FEM Simulazioni a Elementi Finiti
Analisi CFD
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Analisi FEM
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Vantaggi FEM/CFD
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Cinematica
ANALISI FEM
Cosa sono le analisi FEM?
Esistono molteplici ambiti nei quali le analisi FEM sono utilizzate e sono la risposta moderna ai problemi ingegneristici.
Anche un sistema semplice può avere delle equazioni complesse di risoluzione. Estrapolare la risoluzione analitica (le equazioni che descrivono il comportamento fisico di un oggetto) è proibitivo in quasi tutti i casi.
In passato, l'unico metodo di verifica era eseguire test sperimentali di laboratorio.
Il limite dei test di laboratorio consiste nel dare una risposta puntuale ad una verifica specifica, ma spesso non permettono di capire la catena logica delle cause che generano il successo o il fallimento.
In caso di fallimento, ci si interroga sui motivi per i quali un dispositivo non ha funzionato e spesso si è nuovamente nella situazione di partenza. Si introducono nuove modifiche ed, infine, si continuano ad eseguire ulteriori test.
Le modifiche sono frutto di intuizioni e della capacità tecnica dei progettisti. Ma non sempre l'intuizione riesce a centrare le soluzioni.
Si procede per tentativi e, in men che non si dica, si scivola velocemente in un loop sperimentale da cui non si riesce a trovare una soluzione. Dopo molteplici test e dopo aver speso quantità ingenti di risorse, una delle possibilità è "gettare la spugna" oppure passare alle analisi FEM.
Come funziona il metodo FEM?
Il concetto che sta alla base del calcolo agli Elementi Finiti è semplice quanto elegante. Si lega al concetto "dividi et impera". Se un sistema è troppo complesso per essere risolto, si scompone in tanti sistemi più semplici. Risolvendo il problema per tutti i sottosistemi, si ha la soluzione per il sistema principale.
Come si attua questo nel caso degli Elementi Finiti?
Si procede a scomporre la geometria complessa in tanti elementi semplici per cui è più semplice scrivere delle equazioni.
Questo processo si chiama discretizzazione e sta alla base del calcolo.
Ciò che risulta viene definita griglia di calcolo o mesh, tramite la quale il metodo FEM suddivide la geometria in tanti piccoli elementi di base che diventano trattabili computazionalmente. La soluzione finale viene trovata risolvendo ogni singolo elemento e ricostruendo la soluzione per il modello completo. E' un processo di scomposizione (dall'alto verso il basso) e ricomposizione (dal basso verso l'alto).
Dove viene utilizzata l'analisi FEM?
L'analisi FEM ad elementi finiti ha avuto un forte sviluppo negli ultimi anni. Grazie all'incremento esponenziale della potenza di calcolo e al continuo aumentare delle capacità software questo metodo è divenuto pervasivo in tutti gli ambiti.
I campi di utilizzo sono innumerevoli: vanno dall'ingegneria civile o strutturale come strutture in acciaio, ponti, strutture in cemento armato e calcoli sismici, all'ingegneria meccanica come automobili, aeroplani e macchinari. Dall'ingegneria fluidodinamica come camini, pompe, turbine, sistemi di mixing, piping alla trasmissione del calore come motori, scambiatori, caldaie, bruciatori.
Dalla chimica come sistemi di reazione, trasformazione di fase all'elettromagnetismo come batterie elettriche, motori elettrici, trasmissioni in frequenza, comunicazioni ed antenne.
E' possibile combinare diversi tipi di fisica e creare delle simulazioni FEM multi-fisiche. in cui diversi tipi di fisica collaborano contemporaneamente. Per esempio, interazioni fluido-struttura (FSI Fluid Structure Interaction) e calore con dinamica dei fluidi (CHT Conjugate Heat Transfer).
I campi di applicazione sono tantissimi e i solutori di analisi FEM stanno ampliando le proprie capacità per risolvere problemi multifisici sempre più complessi.
Quali sono gli Obiettivi delle Analisi FEM?
Gli obiettivi delle Analisi FEM sono di varia natura e dipendono dalle esigenze del richiedente:
- Progettazione FEM, in cui, al lavoro di progettazione classico, si affianca il lavoro di analisi FEM. Questa modalità consente di ridurre il time-to-market e permette di elevare la certezza di una buona progettazione.
- Verifica di resistenza, in cui viene chiesto di valutare se un dispositivo resisterà in condizioni operative alle sollecitazioni di funzionamento.
- Verifica secondo normativa. Le norme armonizzano i requisiti minimi affinché un sistema possa considerarsi valido e utilizzabile. Tramite le simulazioni FEM è possibile riprodurre le condizioni di test secondo le norme e condurre la verifica del sistema.
- Ottimizzazione, in cui viene migliorato la prestazione di un dispositivo a fronte di una riduzione dei costi. Oppure, a parità di costi, migliorarne la durata.
- Complessità di funzionamento e scenari: per dispositivi sottoposti a condizioni operative variabili, si possono considerare combinazioni di carico per esplorare la resistenza nelle condizioni peggiori di funzionamento.
Che Analisi FEM proponiamo?
Le analisi FEM eseguite dallo Studio sono:
- Analisi Statiche Lineari, per comprendere ila resistenza di un dispositivo.
- Analisi Statiche Non Lineari, se il dispositivo è soggetto a condizioni non lineari.
- Analisi Cinematiche, nel caso ci siano oggetti in movimento e si desidera trovare le velocità e le accelerazioni a cui sono sottoposti i componenti.
- Analisi Termiche, per valutare la dispersione del calore e le temperature di un dispositivo sottoposto a carichi termici.- Analisi Dinamiche, quando nella simulazione FEM è necessario considerare anche il contributo dato dalla massa e si desidera considerare
- Analisi Modali, per trovare li modi propri di vibrare di un sistema e valutare le frequenze di risonanza.
- Analisi di Verifica a Fatica, se il materiale è sottoposto a condizioni cicliche di carico che ne va a ridurre la vita utile.
- Analisi Buckling, o carico di punta, per valutare il cedimento per instabilità.
- Analisi di Ottimizzazione, per trovare la corretta geometria a fronte di un obiettivo. Per esempio, diminuire il peso mantenendo la medesima resistenza.
Limiti della teoria classica
Le classiche formule derivate dalla teoria della scienza delle costruzioni hanno validità solo in casi particolari. L'errore più comune è quello di estendere il loro utilizzo su qualsiasi struttura. Per esempio, intagli, spigoli, sezioni tozze sono casi in cui esse non dovrebbero essere applicate.Potenziale delle Analisi FEM
Il metodo migliore per risolvere un grande spettro di problemi è quello di eseguire simulazioni FEM. Strutture complesse possono essere totalmente calcolate e ottimizzate.Utilizzando i calcoli a elementi finiti FEM si possono agevolmente individuare:
- punti critici o deboli delle strutture
- eccesso o difetto di materiale
- buona o cattiva distribuzione delle masse
- stati di sollecitazione
- stati di deformazione
- punti di rottura
Laboratorio Virtuale
L'analisi FEM può essere intesa come un laboratorio virtuale. E' possibile progettare e verificare in anticipo nuove idee. Ciò consente di spaziare in tutto lo spettro delle soluzioni meccaniche, senza per forza doverle realizzare e testare.L'analisi FEM sta rappresentando un notevole passo avanti per l'ingegneria moderna. Oggi, tramite l'ausilio dei calcoli FEM, è possibile progettare strutture e macchine impensabili fino a poco tempo fa.
Galleria dei Lavori e dei Calcoli Analisi FEM
Di seguito sono riportati alcuni esempi dei lavori eseguiti dal nostro Studio che dimostrano la pervasività delle analisi strutturali.
