FEA / Analisi a Elementi Finiti

L'analisi a elementi finiti (FEA) consiste nella modellazione di prodotti e sistemi in un ambiente virtuale allo scopo di individuare e risolvere potenziali o effettivi) problemi strutturali di prestazioni. FEA è l’applicazione pratica del metodo a elementi finiti (FEM), utilizzato da ingegneri e scienziati per modellare matematicamente e risolvere numericamente problemi complessi di natura strutturali, fluida e multifisica. Il software FEA può trovare impiego in svariati settori industriali, principalmente aeronautica, biomeccanica e industria automobilistica.

Un modello a elementi finiti (FE) è costituito da un sistema di punti, detti “nodi”, che definiscono la forma del modello. A questi nodi sono collegati gli elementi finiti veri e propri che formano la mesh (maglia) a elementi finiti e contengono le proprietà materiali e strutturali del modello, che ne definiscono il comportamento e la reazione in determinate condizioni. La densità della mesh a elementi finiti può variare a seconda della variazione attesa nei livelli di carico/sollecitazioni in un'area specifica. Le aree soggette a forti variazioni del carico solitamente richiedono una mesh più densa rispetto a quelle con variazioni di carico ridotte o assenti. I punti di interesse possono essere punti di frattura di materiali precedentemente testati, raccordi, spigoli, dettagli complessi e zone soggette a forti sollecitazioni.

I modelli FE possono essere creati usando elementi monodimensionali (travi 1D), bidimensionali (shell 2D) o tridimensionali (solidi 3D). Utilizzando travi e shell invece di elementi solidi, è possibile creare un modello rappresentativo con un numero minore di nodi senza compromettere la precisione. Ogni schema di modellazione richiede una gamma di proprietà differenti, come ad esempio:

  • sezioni
  • momenti d’inerzia
  • costanti torsionali
  • spessore piastra
  • rigidità alla flessione
  • tagli trasversali

Per simulare in FEA gli effetti di ambienti di lavoro reali, è possibile applicare diversi tipi di carico al modello FEA, fra cui:

  • nodale: forze, momenti, spostamenti, velocità, accelerazioni, temperature e flussi termici
  • elementare: carico distribuito, pressione, temperatura e flusso termico
  • carichi da accelerazione (gravità)

Le tipologie di analisi sono:

  • Statica lineare: analisi lineare con carichi applicati e vincoli statici
  • statica non-lineare e dinamica: effetti da contatto (laddove una parte del modello entra in contatto con un'altra), definizioni non-lineari del materiale (plasticità, elasticità ecc.) grandi spostamenti (tensioni superiori alla teoria dei piccoli spostamenti che delimita l’approccio con analisi lineare)
  • Modalità normali: frequenze naturali di vibrazione
  • Risposta dinamica: carichi o movimenti che variano con il tempo e la frequenza
  • Deformazione da compressione: carichi critici in presenza dei quali una struttura diventa instabile
  • Conduzione termica: conduzione, radiazione e cambiamento di fase

I risultati tipici calcolati da un solutore sono:

  • spostamenti, velocità e accelerazioni nodali
  • forze, tensioni e sollecitazioni elementari

Vantaggi dell’analisi FEA

L’analisi a elementi finiti può essere utilizzata nella progettazione di nuovi prodotti o per perfezionare un prodotto esistente, assicurando che il progetto sia in grado di rispettare le specifiche prestazionali prima di andare in produzione. L’analisi FEA consente di:

  • prevedere e migliorare le prestazioni e l’affidabilità di un prodotto
  • ridurre il ricorso a prototipi e collaudi fisici
  • valutare diversi progetti e materiali
  • ottimizzare i progetti e ridurre il consumo di materiali

Software FEA

Riportiamo di seguito alcuni esempi di pacchetti software FEA:

Simcenter 3D is a unified, scalable, open and extensible environment for FEA with connections to design, 1D simulation, test and data management. Simcenter speeds the FEA process by combining best-in-class geometry editing, associative simulation modeling and multi-discipline solutions embedded with industry expertise. Simcenter 3D integrates fast and accurate solvers that power structural, acoustics, flow, thermal, motion and composites analyses, as well as optimization and multiphysics simulation.

NX Nastran is a finite element solver that analyzes stress, vibration, structural failure/durability, heat transfer, noise/acoustics and flutter/aeroelasticity.

LMS Samtech contains a finite element method (FEM) solver suite to simulate critical performance engineering attributes for mechanical systems. It is designed to fulfill the precise requirements of applications such as wind turbine development, rotor dynamics, structural and thermal analyses, and composites. Its high-end solvers handle both nonlinear FEM and multi-body simulation. The software also features a high-level CAE integration platform for managing the aviation engineering process.

STAR-CCM+ is a stand-alone simulation solution for computational fluid dynamics (CFD), computational solid mechanics (CSM), heat transfer, particle dynamics, reacting flow, electrochemistry, electromagnetics, acoustics and rheology. STAR-CCM+ delivers accurate and efficient simulation technologies through a single integrated user interface and automated workflows. This facilitates the analysis and exploration of complex real-world problems.

HEEDS provides an efficient and easy to use design exploration framework. Workflows are easily automated through integration with your current design and simulation tools. HEEDS automatically explores the design space to quickly identify solutions that meet your goals and constraints such as reducing product costs while keeping stresses below acceptable limits.

Femap è un pre e post-processor nativo Windows indipendente dal CAD, con avanzate funzioni di analisi a elementi finiti (FEA). Offre a progettisti e analisti una soluzione di modellazione FEA in grado di gestire anche le operazioni più complesse in modo semplice, accurato ed economico.

Solid Edge Simulation is a built-in FEA tool for design engineers to validate part and assembly designs digitally within the Solid Edge environment. Based on proven Femap finite element modeling technology, Solid Edge Simulation significantly reduces the need for physical prototypes, thereby reducing material and testing costs, while saving design time.

I componenti software descritti di seguito sono utilizzati da diversi sviluppatori di software FEA come motori per i loro applicativi:

Parasolid is 3D geometric modeling component software, enabling users of Parasolid-based products to model complex parts and assemblies. It is used as the geometry engine in hundreds of different CAD, CAM and CAE applications.

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