Simulazione FEM

Il metodo degli elementi finiti è un metodo collaudato per ridurre i tempi di sviluppo di nuovi prodotti. Il metodo basato su analisi numeriche aiuta a realizzare prodotti durevoli e altamente resistenti. Questo garantisce anche una sicurezza operativa ottimale.

La simulazione FEM mostra come un componente o un materiale reagisce a determinate influenze. Si basa sul metodo degli elementi finiti (FEM). Con questo metodo di calcolo numerico, un componente o un intero gruppo viene suddiviso in un numero finito di elementi (sottoaree). In questo modo è possibile calcolare il comportamento meccanico delle singole sottoaree e, in ultima analisi, dell’intero componente. La simulazione FEM si basa su algoritmi speciali che determinano valori approssimativi utilizzando una combinazione complessa di equazioni differenziali. Per la simulazione FEM è necessario un computer potente con un’elevata potenza di calcolo. Il software FEM è spesso combinato con applicazioni CAD. I risultati della simulazione FEM possono essere utilizzati per un’ampia varietà di aree con diversi problemi fisici. Una delle applicazioni più comuni è l’analisi della resistenza di componenti solidi di forma complessa. 

Una simulazione FEM è utile in termini di tempo e di costi, soprattutto quando si tratta di prototipi o di prodotti costosi da fabbricare e che richiederebbero un grande sforzo per essere testati. In particolare, i pezzi da fabbricare con una struttura leggera beneficiano della maggiore dinamica che si può ottenere con la simulazione FEM, dell’uso ridotto di materiali e dell’ottimizzazione dell’efficienza energetica.

Le singolarità sono punti critici che sorgono a causa di discontinuità nella geometria, nel materiale o nelle condizioni al contorno e che richiedono un’attenzione particolare nel modello agli elementi finiti. In questi punti è necessario un forte affinamento della mesh per ottenere risultati affidabili. Nella meccanica strutturale, in questi punti si verificano spesso molti picchi di tensione locale, il cui valore e la cui estensione possono dipendere fortemente dalla finezza della risoluzione della mesh. Le singolarità possono avere cause diverse:

• angoli (singolarità angolari)
• introduzione dei carichi
• contatto tra diversi componenti
• combinazione di materiali diversi

Per determinare la resistenza alla fatica di un componente, è necessaria un’elevata qualità delle mesh. Per rappresentare con precisione le tensioni risultanti, la mesh FEM deve essere la più fine possibile per il calcolo statico o ciclico. Come regola empirica nella meccanica strutturale: almeno 5-6 elementi quadrati su un arco di 90 gradi. Per il calcolo della durata di vita, il componente deve essere finemente collegato in rete in tutte e tre le direzioni spaziali, poiché viene valutata anche la caduta di tensione in direzione della profondità.

Per poter eseguire i calcoli sulla base del metodo degli elementi finiti, è necessario leggere la geometria del componente dal suo programma CAD. Poi si inseriscono le voci necessarie nel preprocessore FEM. Vengono quindi inseriti i parametri della mesh, come il tipo di elemento, la dimensione dell’elemento, le proprietà del materiale, le condizioni al contorno e i carichi che agiscono sul componente, come la temperatura o la pressione. Dopo aver suddiviso il componente in piccoli elementi, viene creata una mesh sufficientemente fine. Per gli elementi vengono definite speciali funzioni di approccio che descrivono il loro comportamento in base alle influenze e alle condizioni al contorno. Si tratta di equazioni differenziali che descrivono la rispettiva legge fisica. Queste equazioni differenziali, in combinazione con le rispettive condizioni al contorno, le condizioni iniziali e di transizione di tutti gli elementi, danno luogo a un sistema completo di equazioni. Questo viene poi risolto in modo approssimativo utilizzando il risolutore di equazioni implementato nel software di simulazione FEM. Nell’analisi meccanica, gli spostamenti (deformazioni) sono una grandezza di risultato primaria. Da ciò si possono ricavare i valori di deformazione e dilatazione. Il risultato basato sul comportamento dei corpi parziali consente di prevedere la reazione dell’intero componente. Infine, l’analisi agli elementi finiti deve essere convalidata. Il metodo numerico permette anche di combinare compiti fisici ed è quindi uno strumento versatile. Con il suo aiuto, è possibile evitare in anticipo costosi errori nei prototipi reali. Inoltre, la valutazione della simulazione FEM riduce i tempi di sviluppo. Il metodo degli elementi finiti consente, tra l’altro, di effettuare calcoli per:

• statica lineare e non lineare
• termomeccanica
• dinamismo
• simulazione di formazione
• stabilità operativa

In generale, nella simulazione FEM possono verificarsi i seguenti errori:

• L’analisi del problema può essere effettuata in modo errato a causa di una conoscenza di base insufficiente
• Se non si rispettano le regole della FEM meshing, la soluzione approssimata si discosta maggiormente da quella di un’altra soluzione
• Vengono utilizzati elementi con funzioni di approccio non adatte al problema
• Vengono utilizzati parametri di materiale inadeguati
• I carichi agenti non sono stati presi in considerazione o sono stati ipotizzati in modo errato
• Altre condizioni al contorno non vengono applicate o vengono applicate in modo semplificato

Per escludere eventuali errori, la simulazione deve essere verificata. Questo può essere fatto, ad esempio, confrontando una simulazione con i risultati ottenuti nel test.

Il metodo degli elementi finiti viene utilizzato per:

• Analisi strutturali. Vengono utilizzati per determinare i carichi e le deformazioni dei materiali e dei componenti e per analizzare i contatti.
• Analisi della rigidità. Grazie a questi, l’ingegnere FEM può determinare la deformazione del componente causata dalla pressione o dalla tensione.
• Calcoli di forza. Questi determinano se il rispettivo componente ha una resistenza conforme agli standard pertinenti.
• Analisi del ciclo di vita. Svolgono un ruolo particolarmente importante nello sviluppo di nuovi prodotti. Se i componenti e gli interi gruppi non sono sufficientemente durevoli, i richiami dei prodotti comporteranno costi considerevoli.
• Calcoli di scorrimento. Con il loro aiuto, è possibile determinare la deformazione plastica in funzione della temperatura e del tempo di un materiale o di un componente sotto carico (comportamento a creep).
• Simulazioni termiche. Illustrano l’effetto meccanico del calore sui componenti. Nella produzione di moduli solari, ad esempio, durante la saldatura delle celle possono verificarsi espansioni termiche e sollecitazioni meccaniche, che vengono visualizzate con l’aiuto del software di simulazione FEM.
• Analisi delle vibrazioni. Vengono utilizzati per determinare come l’azione dei carichi stimoli le frequenze naturali dei componenti: La costruzione può avere esito negativo in seguito a rialzi.

La metrologia ottica non a contatto di ZEISS offre test efficienti sui materiali in vari scenari. Può essere facilmente integrato nelle attrezzature di prova esistenti ed esamina il comportamento di materiali, componenti e attrezzature in 2D o 3D. Non è importante se le strutture sono rigide o flessibili. I sistemi di misura ottici di ZEISS verificano l’effetto dei carichi termici e meccanici e offrono un’ampia gamma di possibilità di utilizzo dei risultati delle misure. Tali sistemi di misura possono essere utilizzati

• per supportare le simulazioni numeriche attraverso la determinazione dei parametri dei materiali attraverso la determinazione delle condizioni al contorno
• per verificare le simulazioni numeriche confrontando e verificando le condizioni al contorno attraverso la comparazione dei risultati a superficie intera
• nella caratterizzazione dei materiali
• nello sviluppo del prodotto
• per il controllo qualità

La metrologia ottica senza contatto di ZEISS offre la possibilità di testare diversi materiali per lastre sotto l’influenza della tensione del flusso. Quando si sviluppano nuove attrezzature di formatura, è necessario decidere un modello di progettazione. A tal fine, è necessario considerare il comportamento dei modelli sotto l’influenza di determinati carichi. È immediatamente visibile dove si trovano i punti critici e si possono apportare le relative correzioni.