Analisi a elementi finiti (FEA)

L’analisi a elementi finiti (FEA) consiste nella modellazione di prodotti e sistemi in un ambiente virtuale, al fine di individuare e risolvere problemi potenziali o esistenti in termini di struttura o prestazioni. La FEA è l’applicazione pratica del metodo degli elementi finiti (FEM), utilizzato da ingegneri e scienziati per eseguire la modellazione matematica e la risoluzione numerica di problemi relativi alla struttura, alla dinamica dei fluidi e ad aspetti multifisici complessi. I software FEA trovano impiego in un’ampia gamma di settori e sono largamente utilizzati in ambito aeronautico, biomeccanico e automobilistico.

Un modello a elementi finiti (FE) è formato da un sistema di punti, definiti “nodi”, che definiscono la forma del progetto. A questi nodi sono collegati gli elementi fisici veri e propri, che formano la mesh degli elementi finiti e contengono le proprietà materiali e strutturali del modello, volti a definirne il comportamento in determinate circostanze. La densità della mesh degli elementi finiti assume valori diversi all’interno del materiale, in base alle variazioni previste dei livelli di sollecitazione in un’area specifica. Le regioni soggette a importanti variazioni nelle sollecitazioni richiedono in genere una mesh con una densità maggiore rispetto a quella per le regioni soggette a variazioni minime o non soggette a variazioni nelle sollecitazioni. Tra gli aspetti interessanti si ricordano i punti di frattura dei materiali già testati, raccordi, angoli, aree di sollecitazione elevata e dettagli complessi.

Creazione di modelli a elementi finiti

Utilizzando travi e gusci anziché elementi solidi, è possibile creare un modello rappresentativo con meno nodi senza comprometterne la precisione. Per ogni schema di modello è necessario definire una serie diversa di proprietà, come ad esempio aree di sezione, spessore piastra, momenti di inerzia, rigidità alla curvatura, costante di torsione e taglio trasversale.

Simulazione di ambienti di lavoro reali

Per simulare gli effetti di un ambiente di lavoro reale in FEA, è possibile applicare al modello FE diversi tipi di carico, ad esempio carichi nodali (forse, momenti, spostamenti, velocità, accelerazioni, temperatura e flusso termico), relativi agli elementi (carico distribuito, pressione, temperatura e flusso termico) o ai solidi accelerati (gravità).

Tra i tipi di analisi FE vanno ricordati la statica lineare, la statica e la dinamica non lineari, le modalità normali, la risposta dinamica, la deformazione e il trasferimento di calore. I risultati più comuni calcolati dal solutore riguardano gli spostamenti dei nodi, le velocità e le accelerazioni, nonché le forze degli elementi, le tensioni e le sollecitazioni.

Vantaggi del FEA

Il FEA può essere utilizzato nella progettazione di nuovi prodotti o nell’ottimizzazione di prodotti esistenti, con l’obiettivo di verificare che il progetto sia conforme alle specifiche prima di entrare in produzione. Il FEA consente di:
  • Prevedere e migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei prodotti

  • Ridurre le attività di test e realizzazione di prototipi fisici

  • Valutare diversi progetti e materiali

  • Ottimizzare la progettazione e ridurre l'uso di materiale

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