Analisi agli Elementi Finiti: Cos'è e Come Funziona?

Ti sei mai chiesto come gli ingegneri e i produttori testano la durata, la resistenza e la sicurezza dei loro progetti?

Se hai mai visto una pubblicità di automobili, potresti credere che gli ingegneri e i designer distruggano continuamente i loro prodotti per testarne la resistenza. Potresti concludere che i produttori ripetano questo processo fino a quando il design non può sopportare una quantità enorme di danni e raggiunge un livello accettabile di durata. Anche se costa milioni alle aziende testare e distruggere i loro concetti, questo è l'unico modo per dimostrare la durata di un prodotto, giusto?

La risposta è sì e no. Mentre gli ingegneri quasi sempre testano il design finale di un prodotto facendolo interagire con forze fisiche reali, gli ingegneri e i produttori utilizzano anche software di ingegneria assistita da computer (software CAE) per ottimizzare la resistenza e la durata prima di testarlo effettivamente. Il processo di utilizzo del software per testare come un prodotto reagisce alle forze del mondo reale si chiama analisi agli elementi finiti (FEA). 

Sebbene la FEA contenga una serie di passaggi complessi, può essere suddivisa in un unico obiettivo: testare gli effetti degli stressori su un oggetto.

Perché utilizzare l'analisi agli elementi finiti?

Ci sono vari modi in cui l'analisi agli elementi finiti può aiutare gli ingegneri e i produttori ad accelerare le funzioni principali del loro lavoro quotidiano.

L'analisi agli elementi finiti riduce drasticamente i costi di produzione. Storicamente, gli ingegneri e i produttori dovevano ridisegnare manualmente gli oggetti più e più volte fino a quando gli ingegneri non erano sicuri che il design finale sarebbe rimasto intatto sotto stress fisico. Questo richiedeva molti ridisegni, che avrebbero allungato il processo di progettazione, costando molti soldi.

Tuttavia, con l'analisi agli elementi finiti, i designer possono testare la durata all'interno dello spazio virtuale del software di ingegneria assistita da computer. Questo riduce significativamente i tempi di consegna dei progetti, il che consente ai produttori di risparmiare denaro e tempo riducendo lo spreco di materiali. Il risultato finale è un design sicuro e durevole.

Come condurre l'analisi agli elementi finiti 

L'analisi agli elementi finiti è un metodo di analisi strutturale che utilizza processi matematici. La FEA richiede di suddividere un oggetto più grande e complicato in sezioni più gestibili. Man mano che continui a dividere la struttura, ottieni un'idea migliore di come l'oggetto risponderà agli stressori. Questo metodo di suddivisione di una struttura per la FEA è noto come metodo degli elementi finiti (FEM). 

Passo 1: Modellazione

Durante la modellazione dell'oggetto, dovresti omettere le caratteristiche geometriche sofisticate e vedere la struttura di base dell'oggetto. Presta attenzione a quali caratteristiche sono presenti per motivi strutturali rispetto all'appeal estetico. Comprendi perché stai rimuovendo un aspetto geometrico mentre ne mantieni un altro.

Passo 2: Definizione del materiale

Come suggerisce il nome del passo, qui dovrebbero essere definite le proprietà del materiale. Queste dipendono dal tipo di analisi che viene eseguita. Gioca con diversi materiali per verificare quale si adatta alle esigenze richieste.

Passo 3: Definizione dei carichi

La tua struttura non può esistere nel vuoto. Questo passo ti aiuta a identificare quali forze esterne agiscono sulla struttura. Come influisce su un componente rispetto a un altro?

Passo 4: Condizioni al contorno

Come abbiamo fatto nei problemi matematici in precedenza, impostare le condizioni per cui la struttura esisterà viene fatto principalmente per ridurre la complessità del problema. Se conosciamo le condizioni in anticipo, ci aiuta a risparmiare molto tempo nei calcoli. 

Passo 5: Mesh

La geometria della tua struttura è divisa in forme più piccole chiamate, rullo di tamburi per favore, elementi finiti. Mesh significa semplicemente collegare i calcoli da questi elementi finiti per creare una struttura a maglia. 

Passo 6: Soluzione

Semplicemente, le equazioni differenziali parziali vengono convertite in equazioni algebriche. Questo aiuterà a rappresentare le equazioni come matrici. Le matrici singolari vengono quindi assemblate in una matrice globale, che viene poi risolta per le variabili sconosciute.

A questo punto, il tuo software di calcolo FEM avrà creato una rappresentazione per il tuo oggetto. Continua a controllare tra i diversi design per vedere quale si adatta alle tue esigenze.

Esempi di metodo degli elementi finiti

Sebbene il metodo degli elementi finiti possa sembrare complesso in teoria, i casi d'uso pratici lo rendono molto più facile da comprendere.

Un caso d'uso principale del metodo degli elementi finiti è testare la resistenza e la durata di un ponte. Quando gli ingegneri progettano un ponte, l'estetica tende a ottenere tutta la gloria.

Come consumatori e abitanti delle città, diamo priorità all'appeal visivo di un'opera architettonica rispetto alla sua sicurezza e durata. Questo è il motivo per cui uno dei ponti più famosi al mondo è il bellissimo Golden Gate Bridge a San Francisco.

È un capolavoro architettonico che era il ponte sospeso a campata unica più lungo del mondo al momento della sua costruzione. Ha collegato la contea di Marin alla città di San Francisco ed era anche visivamente attraente.

Ma quante volte le persone pensano a quanto pianificazione ci sia voluta per progettare una struttura così grande? Come hanno fatto gli ingegneri a costruire un ponte che è rimasto in piedi per più di 80 anni senza software per computer che li aiutasse? La risposta sta nel metodo degli elementi finiti.

Quando pensiamo al Golden Gate Bridge, si può apprezzare tutti i diversi elementi che gli ingegneri hanno dovuto considerare. Il ponte è effettivamente un ponte stradale, piloni, cavi, travi e fondazione combinati in un unico oggetto capace di supportare 887.000 tonnellate. 

Successivamente, gli ingegneri hanno dovuto testare come questo ponte avrebbe reagito ai terremoti e ai forti venti comuni nella Bay Area. Il modo migliore per farlo era suddividere come ogni elemento avrebbe risposto alle forze fisiche per costruire l'intero ponte.

Ad esempio, il sistema di travi sotto il ponte è stato aggiunto per irrigidire il ponte stradale e ridurre la tensione della carreggiata sul ponte stesso. Senza di esso, il ponte crollerebbe. Gli ingegneri hanno persino posizionato ammortizzatori a ciascuna estremità del ponte per aiutarlo a resistere alle forze sismiche.

Senza gli ammortizzatori, il ponte potrebbe crollare in un terremoto. Pensare che gli ingegneri del Golden Gate Bridge abbiano dovuto fare tutto questo manualmente è sconcertante. Tuttavia, ciò che è ancora più impressionante è che hanno realizzato tutto questo in soli quattro anni, affidandosi al metodo degli elementi finiti.

Avanzando rapidamente fino ad oggi, abbiamo software di ingegneria assistita da computer che consentono agli ingegneri di condurre analisi agli elementi finiti prima che inizi la costruzione. Mentre gli ingegneri del passato dovevano pensare a tutti questi elementi in anticipo, gli ingegneri di oggi possono ottimizzare e garantire la sicurezza dei loro progetti utilizzando il software.

Questo è il motivo per cui la costruzione del Golden Gate Bridge apparirebbe completamente diversa oggi. Con il software CAE, gli utenti possono giocare con la geometria della costruzione per costruire strutture durevoli e sicure.

Una volta terminata la progettazione di una struttura o di un oggetto, il software esegue l'analisi agli elementi finiti. Nel caso di un ponte, questo coinvolge principalmente lo stress diretto che il peso avrebbe sulla struttura. Il software può quindi identificare quali elementi del ponte fallirebbero sotto stress specifici e se il ponte crollerebbe. Utilizzando l'analisi agli elementi finiti, gli ingegneri possono rapidamente identificare le aree che necessitano di essere ridisegnate.

Software di analisi agli elementi finiti

Come abbiamo detto prima, il software assistito da computer aiuta con l'analisi agli elementi finiti. Ma come identifichiamo un buon software CAE?

Il software CAE deve soddisfare i seguenti requisiti per essere considerato all'interno della sua categoria.

• Consentire agli utenti di creare simulazioni tramite un'interfaccia utente grafica (GUI)
• Consentire il test dei componenti all'interno di una simulazione con variabili ambientali personalizzabili
• Aiutare a ottimizzare i processi e lo sviluppo del prodotto

Di seguito sono elencati i cinque migliori software CAE utilizzati per l'analisi agli elementi finiti. Questi sono elencati in base alle tendenze del software osservate durante la pubblicazione di questo articolo.

1. MATLAB

MATLAB è uno strumento di programmazione, modellazione e simulazione sviluppato da MathWorks.

Cosa piace agli utenti:

“Il fatto che Matlab sia semplice da usare e abbia un eccellente supporto della comunità è ciò che apprezzo di più. Sono disponibili vari metodi di elaborazione dei segnali e delle immagini. Le operazioni matematiche e le operazioni matriciali diventano semplici e aiutano a semplificare il lavoro e la ricerca.”

- recensione MATLAB, Vandan C

Cosa non piace agli utenti:

“La licenza e il costo sono un po' pesanti, e anche la dimensione dei dati dell'applicazione è pesante, quindi eseguire il progetto richiede troppo tempo e rende il flusso di lavoro tedioso. Tuttavia, dà risultati definiti dopo l'attesa, rendendo tutto utile.”

- recensione MATLAB, Sagar V.

2. Fusion 360

Fusion 360 è la prima e unica soluzione integrata cloud CAD, CAM, CAE e PCB per lo sviluppo di prodotti per designer di prodotti, ingegneri meccanici, ingegneri elettronici e operatori di macchine. Ti consente di connettere l'intero processo di sviluppo del prodotto dalla progettazione alla produzione per consegnare prodotti di alta qualità al mercato più velocemente e avere un impatto positivo sul tuo risultato finale.

Cosa piace agli utenti:

“Fusion è conveniente, facile da usare e si adatta facilmente alle dimensioni del team. Avere un solo formato di file e un solo file per costruire tutto è eccellente.”

- recensione Fusion360, Adam O.

Cosa non piace agli utenti:

“È un po' difettoso. Alcuni problemi richiedono di cercare nei forum per trovare una soluzione temporanea fino a quando non viene rilasciata una patch. Alcuni problemi persistono per un po', mentre altri vengono risolti istantaneamente.”

- recensione Fusion360, Justin H.

3. SOLIDWORKS

SOLIDWORKS offre strumenti connessi e facili da usare che ti aiutano a innovare e accelerare ogni aspetto del processo di sviluppo del prodotto.

Cosa piace agli utenti:

“Il software mi consente di vedere diverse viste in tempo reale durante la progettazione, quindi mi aiuta a visualizzare meglio la mia parte e a comprenderne la funzione più chiaramente che mai.”

- recensione SOLIDWORKS, Md. Sazzad M.

Cosa non piace agli utenti:

“Il design parametrico non è così prezioso per Solidworks. Inoltre, fare schizzi tramite equazioni non è facile e ci sono meno opzioni. Ci sono solo poche opzioni per la modellazione di superfici di classe A. Keyshot non è nemmeno fornito con Solidworks.”

- recensione SOLIDWORKS, Himanshu K.

4. Solid Exchange

Solid Edge è un portafoglio di strumenti software convenienti, facili da distribuire, mantenere e utilizzare che avanzano in tutti gli aspetti del processo di sviluppo del prodotto - progettazione meccanica ed elettrica, simulazione, produzione, documentazione tecnica, gestione dei dati e collaborazione basata su cloud.

Cosa piace agli utenti:

“Capacità di modellazione ricche di funzionalità, tecnologia sincrona, rendering con KeyShot, forte kernel Parasolid, simulazione super facile (analisi FEA).”

- recensione Solid Exchange, Florian S.

Cosa non piace agli utenti:

“L'ambiente di animazione e schizzi potrebbe ricevere alcuni miglioramenti e potrebbero aggiungere più funzioni per lavorare con le mesh insieme alla modellazione B-rep.”

- recensione Solid Exchange, Flavio H.

5. Altair SimSolid

Eseguendo analisi strutturali su assiemi CAD completamente caratterizzati in pochi minuti, SimSolid è una tecnologia di simulazione rivoluzionaria per designer, ingegneri e analisti. Elimina la preparazione della geometria e la mesh: i due compiti più dispendiosi in termini di tempo, estesi in termini di competenze e soggetti a errori eseguiti in una simulazione strutturale convenzionale. 

Cosa piace agli utenti:

“Altair SimSolid è costruito su una tecnologia di simulazione ingegneristica avanzata che lo rende ideale per analizzare prodotti complessi e reali. Il suo approccio unico, tutto in uno, offre velocità e precisione, mentre le sue capacità di mesh e modellazione risparmiano tempo e semplificano la costruzione di modelli. È anche una suite integrata completa e potente di strumenti che consente ai professionisti dell'ingegneria di progettare facilmente in 3D.”

- recensione Altair SimSolid, Yashovardhan J

Cosa non piace agli utenti:

“Non è consentita alcuna modifica geometrica una volta che il modello è stato importato. L'introduzione di strumenti di modellazione geometrica in SimSolid aumenterebbe l'efficienza del flusso di lavoro di analisi.”

- recensione Altair SimSolid, Giulio D.

Analisi finita per un guadagno infinito

Sebbene imparare a condurre l'analisi agli elementi finiti richieda pazienza e pratica, il guadagno può essere immenso. Che tu lavori nei settori automobilistico, energetico o dell'ingegneria civile - l'analisi agli elementi finiti aiuterà a migliorare la sicurezza e la durata dei tuoi progetti.

Vuoi saperne di più sui principi di ingegneria e design? Leggi di cosa è la modellazione delle informazioni edilizie e come sta aiutando ingegneri e architetti.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato nel 2019. È stato aggiornato con nuove informazioni.