Home Articoli Simulation Abaqus FEA: potente modellazione a elementi finiti

Abaqus FEA: potente modellazione a elementi finiti

Gli elementi finiti in “analisi agli elementi finiti” (e il modo in cui li si crea) sono fondamentali. Gli utenti di FEA devono essere in grado di creare facilmente modelli di mesh di alta qualità e gli algoritmi alla base del comportamento di tali mesh sotto carico devono bilanciare velocità, precisione e capacità per soddisfare le intenzioni della simulazione (che si tratti di una valutazione “rapida e sporca” della rigidità o di un’analisi ad alta fedeltà delle sollecitazioni non lineari).

Una buona e produttiva esperienza per l’analista dipende dalle capacità dello strumento FEA con la mesh FE e dal processo di mesh. Le soluzioni FEA di facile utilizzo, integrate nel CAD, come Simulazione SOLIDWORKS sono focalizzati sulla facilità d’uso per svolgere le attività FEA più comuni, fornendo una guida alla progettazione. Spesso è sufficiente un rapido tetramesh del secondo ordine di poche parti.

Ma se si tratta di applicazioni più specializzate, di dimensioni e interazioni di assiemi crescenti o di un caso d’uso FEA di “prototipazione virtuale”? Allora potreste aver bisogno del controllo dettagliato delle mesh di Abaqus, di geometrie di elementi brick o prismatici, o di elementi e formulazioni di elementi specializzati. Questo articolo presenta alcune delle caratteristiche Abaqus può aiutare a produrre modelli FE di alta qualità e orientati allo scopo per un’analisi migliore e più rapida.

Il processo di meshing: Discretizzazione della geometria

Abaqus offre una varietà di metodi di meshing e di geometrie di elementi per adattarsi a qualsiasi problema. Le tecniche di meshatura aggiuntive offerte da Abaqus possono potenzialmente aumentare l’accuratezza e ridurre i tempi di risoluzione della simulazione, ma a volte con un’applicabilità limitata, basata sulla forma del componente o sul tempo a disposizione dell’analista per produrre una mesh migliore. Abaqus/CAE può anche istanziare parti retinate nello stesso modo in cui SOLIDWORKS può istanziare parti modellate.

Meshing libero

La tecnica di mesh più semplice è chiamata mesh libera come quella utilizzata in SOLIDWORKS Simulation. Quando si esegue il meshing di una geometria solida, si esegue prima il meshing della superficie e poi si riempie il volume con elementi solidi. Con la meshatura libera, è possibile aggiungere un controllo di raffinatezza per modificare la dimensione finale degli elementi in aree locali, specificando la dimensione desiderata per una parte della geometria in corrispondenza dei volumi, delle facce, dei bordi o dei vertici selezionati.

Sezione di trave a canale CAD

Sezione di trave CAD

Sezione di trave a canale tetrameshed (48.800 elementi)

Sezione di trave tetrameshed (48.800 elementi)

Meshing Sweep

Abaqus è uno strumento per analisti strutturali e offre diversi metodi per produrre la mesh desiderata. La mesh libera è uno di questi metodi, ma altri offrono vantaggi come un maggiore controllo del raffinamento o la generazione diretta di formulazioni specifiche di elementi che non sono altrimenti consentite con la mesh libera. Un esempio è il metodo mesh sweep che è particolarmente utile per i comuni elementi strutturali prodotti come parti estruse. Per un confronto con la mesh libera, si consideri una semplice trave rettangolare.

La retinatura libera della trave comporta la generazione automatica di elementi tetraedrici (tet) solidi su tutta la superficie, mentre una retinatura spazzata produrrà una distribuzione uniforme di elementi basata sulla discretizzazione 2D della faccia iniziale. Nell’immagine sottostante è stata prodotta una miscela di elementi esaedrici (hex) e cunei/prismi.

Sezione di trave a canale Abaqus a maglia esagonale (2.600 elementi)

Sezione di trave esagonale (2.600 elementi)

Il vantaggio ottenuto con la maglia spazzata è la capacità di creare elementi multipli attraverso lo spessore di parti molto sottili senza un elevato numero di maglie. La maglia di tets richiede un totale di 48.800 elementi per ottenere 3 elementi attraverso il nastro, mentre per la maglia HEX sono stati necessari solo 2.600 elementi.

Anche con l’uso del controllo locale della mesh disponibile con il tet meshing, a volte è difficile generare un numero adeguato di elementi all’interno del volume del pezzo senza un elevato numero di mesh. Una buona maglia di elementi esaedrici di solito fornisce una soluzione di precisione equivalente a un costo inferiore.

Partizione

Per alcune geometrie, soprattutto quelle con elementi ingombranti e sezioni trasversali non uniformi (ad esempio, le flange dei recipienti a pressione e le alette di sollevamento), la meshatura libera è il metodo migliore per creare in modo efficiente la mesh. Tuttavia, è possibile utilizzare il metodo strumento di partizione in Abaqus per suddividere la parte in sezioni separate e collegare regioni specifiche con tipi di elementi diversi (vedi sotto).

Partizione Abaqus/CAE; sinistra (non partizionata), destra (partizionata)

Partizione Abaqus/CAE; sinistra (non partizionata), destra (partizionata)

Semina della geometria

La meshatura è ulteriormente migliorata in Abaqus con geometry seeding . L’uso efficace del seeding aiuta a ottenere modelli di sollecitazione uniformi, che sono di fondamentale importanza per l’accuratezza in cui si sviluppano le concentrazioni di sollecitazione. La semina della geometria è una tecnica che consente di controllare direttamente la lunghezza dei bordi degli elementi per produrre transizioni uniformi tra gli elementi geometrici. La densità di maglia desiderata in queste aree si ottiene aggiungendo punti di “semina” lungo i bordi della geometria dove devono essere collocati i nodi. Di seguito è riportato un esempio di controllo dei bordi con seme. La spaziatura tra questi semi può essere regolata per ottenere un controllo completo sulla densità locale della maglia.

Geometria di semina Abaqus/CAE; sinistra (seminato globalmente), destra (seminato localmente)

Vincoli della topologia virtuale

Per ottenere tempi di mesh più rapidi e, in genere, tempi di soluzione più brevi, gli utenti di Abaqus possono sfruttare vincoli topologici virtuali, una funzionalità che rimuove le piccole caratteristiche geometriche irrilevanti ai fini dell’analisi (vedi sotto). Eliminando questi piccoli elementi, il processo di meshatura diventa più efficiente e la mesh risultante viene semplificata.

Topologia virtuale Abaqus/CAE; sinistra (nessuna modifica), destra (modifica della topologia virtuale)

Associatività della maglia

Abaqus può godere dell’associatività CAD con l’uso di interfacce associative. Con un’interfaccia associativa per SOLIDWORKS, CATIA o altri strumenti CAD, il preprocessore Abaqus/CAE può attingere direttamente dal CAD originale anziché esportare solidi muti. Le entità analitiche rimangono associate ai componenti e alle connessioni attraverso le modifiche del CAD, in modo che l’analista non debba ricominciare da zero a ogni iterazione. L’analista può anche modificare i parametri CAD dall’interno di Abaqus/CAE per testare rapidamente ipotetiche modifiche al progetto. Se lo si desidera, queste modifiche possono essere riportate al CAD originale.

Un utente accede ai parametri CAD dall'interno di Abaqus/CAE

Un utente accede ai parametri CAD dall’interno di Abaqus/CAE

Mesh “orfana” non associata

Un altro vantaggio delle capacità di meshing di Abaqus è la possibilità di lavorare direttamente con nodi ed elementi non associati ad alcuna geometria CAD. Queste “maglie orfane” possono essere state create in altri preprocessori o addirittura in altri solutori di elementi finiti. Abaqus/CAE consente agli utenti di modificare la mesh spostando i nodi, allargando, dividendo o unendo gli elementi, definendo le condizioni al contorno, ecc.

Tecniche di adattamento della mesh

In qualsiasi analisi agli elementi finiti è importante trovare un equilibrio tra accuratezza ed efficienza. In altre parole, una buona analisi presenta la soluzione più accurata al minor costo. La maggior parte del “costo” è controllata dal numero di elementi del modello a elementi finiti, che può essere gestito con tecniche di adattamento della maglia.

Secondo la Guida dell’utente di Abaqus: “La discretizzazione a elementi finiti che risulta da una mesh subottimale dei modelli può limitare la capacità di ottenere risultati di analisi adeguati a un costo ragionevole della CPU. […] Le tecniche di adattività disponibili in Abaqus aiutano a ottimizzare la mesh e, quindi, a ottenere soluzioni di qualità controllando il costo dell’analisi. Il termine “adattività” riflette i processi adattivi, o dipendenti dalla soluzione, che Abaqus utilizza per adattare la mesh in modo da soddisfare gli obiettivi dell’analisi. Sono disponibili tre versioni, che vengono solitamente selezionate in base alla loro applicabilità all’accuratezza o al controllo della distorsione della mesh; al loro impatto sulla definizione della mesh, sia attraverso lo smussamento di una singola mesh che attraverso la generazione di più mesh dissimili; e quando [in the analysis process] l’adattività”.

  • Meshing adattativo arbitrario lagrangiano-euleriano (ALE)
  • Rimescolamento adattivo a topologia variabile
  • Mappatura della soluzione da maglia a maglia

 

Queste tecniche aiutano a migliorare l’accuratezza e l’efficienza della simulazione regolando dinamicamente la risoluzione della maglia nelle regioni di interesse.

Meshing adattivo Abaqus/CAE; iterazione #1 (sinistra), iterazione #2 (centro), iterazione #3 (destra)

Meshing adattivo Abaqus/CAE; iterazione #1 (sinistra), iterazione #2 (centro), iterazione #3 (destra)

Librerie di elementi: Selezione del tipo per il compito di analisi

Oltre alle diverse geometrie degli elementi (come i tet rispetto agli esagoni), i diversi tipi di elementi possono rappresentare gli stessi componenti utilizzando tecniche numeriche diverse, richiedendo livelli di impostazione e calcolo potenzialmente molto diversi. Ad esempio, gli elementi esagonali possono rappresentare l’intero volume di una parte estrusa, mentre gli elementi quadrilateri infinitamente sottili possono rappresentare lo spessore in modo puramente numerico con un parametro di spessore, con requisiti computazionali notevolmente ridotti durante la risoluzione FE. In Abaqus è disponibile una serie di opzioni di rappresentazione per travi, connettori, corpi rigidi, molle e molte altre entità strutturali.

Disponibilità di elementi del programma CAD

Come accennato in precedenza, gli elementi generati negli strumenti di simulazione basati su CAD, come SOLIDWORKS Simulation, sono generati direttamente dalla geometria disponibile tramite la meshatura libera. Questi programmi producono elementi solidi (continuum), shell e beam dalla geometria solida, superficiale e lineare disponibile, rispettivamente. Gli elementi sono quindi legati alla geometria. Si tratta di un’ottima funzionalità per il progettista o l’ingegnere che deve realizzare simulazioni rapide di verifica del progetto, ma potrebbe non essere necessaria per alcune applicazioni.

Oltre gli elementi di base – La libreria Abaqus

Gli analisti a volte lavorano su simulazioni che richiedono più degli elementi di base offerti dai programmi CAD. Abaqus risponde a questa esigenza con una libreria molto completa di elementi che possono essere combinati come necessario per costruire un modello a elementi finiti efficiente dal punto di vista computazionale.

Famiglie di elementi Abaqus comunemente utilizzate

Famiglie di elementi Abaqus comunemente utilizzate

Gli elementi solidi sono comunemente utilizzati per modellare parti voluminose come fusioni o fucinati. Gli elementi shell sono più efficienti per modellare parti sottili come le lamiere. Gli elementi beam sono efficaci per modellare parti lunghe e sottili. Ad esempio, i bulloni vengono talvolta approssimati con elementi beam.

In termini di forme di elementi continuum e shell, Abaqus va oltre gli elementi tetraedrici e triangolari presenti in SOLIDWORKS. Include altre forme di elementi, come:

  • Quadrato/quadrato: Questi elementi shell offrono una maggiore precisione ed efficienza rispetto ai loro fratelli triangolari.
  • Esaedrico/mattone: Questi elementi hanno sei facce e sono adatti a rappresentare volumi con forme più regolari, come cubi o prismi rettangolari. Gli elementi esadecimali sono generalmente preferiti per la loro precisione ed efficienza.
  • Prisma/spigolo: Gli elementi prisma o cuneo hanno una base a tre lati e possono essere utilizzati per modellare strutture con una geometria più affusolata o obliqua, come piramidi o componenti a forma di cuneo.

L’immagine seguente mostra alcuni esempi di diverse forme di elementi utilizzati per modellare la stessa parte cilindrica in Abaqus CAE. Si noti come gli elementi esagonali sulla sinistra siano in grado di catturare la forma utilizzando il minor numero di nodi.

Elementi solidi Abaqus/CAE; sinistra (esagono), centro (tet), destra (cuneo)

Elementi solidi Abaqus/CAE; sinistra (esagono), centro (tet), destra (cuneo)

La variegata libreria di tipi di elementi di Abaqus trova applicazione in diversi settori e industrie. Alcune applicazioni meno conosciute includono:

Elementi connettori: Questi elementi versatili sono utilizzati per collegare due parti in qualche modo. A volte le connessioni sono semplici, come due pannelli di lamiera saldati a punti o una porta collegata a un telaio con una cerniera. In altri casi, il collegamento può imporre vincoli cinematici più complessi, come i giunti a velocità costante, che trasmettono una velocità di rotazione costante tra alberi disallineati e in movimento. Oltre a imporre vincoli cinematici, le connessioni possono includere un comportamento (non lineare) della forza rispetto allo spostamento (o alla velocità) nelle loro componenti di movimento relativo non vincolato, come la forza muscolare che resiste alla rotazione di un’articolazione del ginocchio in un modello di occupante sottoposto a crash test.

Gli elementi connettore in Abaqus forniscono un modo semplice ed efficiente per modellare questi e molti altri tipi di meccanismi fisici la cui geometria è discreta (cioè, da nodo a nodo), ma le relazioni cinematiche e cinetiche che descrivono la connessione sono complesse.

Elementi di connessione in Abaqus

Elementi particellari discreti: Il metodo degli elementi discreti è utile per modellare particelle discrete o materiali granulari per simulare la loro interazione con i contenitori. Grazie alla potente funzionalità Abaqus General Contact, questi elementi possono interagire tra loro e con qualsiasi altro elemento del modello. Di seguito è riportato un esempio di miscelazione di materiali granulari in un miscelatore a tamburo.

Miscelazione di mezzi granulari in un miscelatore a tamburo

Miscelazione di materiali granulari in un miscelatore a tamburo

Elementi speciali: Abaqus include elementi dedicati ad applicazioni specifiche, come l’acustica, elementi coesivi per la modellazione della frattura o della delaminazione, elementi idrostatici per la simulazione del comportamento dei fluidi e altro ancora. Di seguito è riportato un esempio di post-buckling e crescita della delaminazione in un pannello composito.

Abaqus post buckling e crescita della delaminazione in un pannello composito

Post buckling e crescita della delaminazione in un pannello composito – Fornendo un’ampia gamma di tipi e forme di elementi, Abaqus offre agli utenti la flessibilità necessaria per modellare e analizzare accuratamente strutture e fenomeni diversi nelle loro simulazioni.

Famiglie di elementi: Ordine, metodo di integrazione, controllo della sezione

Mentre il programma CAD SOLIDWORKS Simulation offre formulazioni di elementi del primo e del secondo ordine, Abaqus offre caratterizzazioni aggiuntive degli elementi che consentono agli utenti di adattare l’analisi a requisiti specifici, garantendo risultati accurati e affidabili. Queste opzioni aumentano la versatilità del software e consentono agli utenti di affrontare un’ampia gamma di problemi, dall’analisi strutturale standard a fenomeni complessi che comportano grandi deformazioni, interazione fluido-struttura o rottura dei materiali. Inoltre, consentono all’utente di regolare con precisione la velocità rispetto all’accuratezza nei casi più importanti.

Controlli degli elementi solidi Abaqus/CAE

Controlli degli elementi solidi Abaqus/CAE

Queste caratterizzazioni consentono un’ulteriore personalizzazione e controllo del comportamento dell’elemento e dello schema di integrazione:

  • Elementi del 2° ordine: La formulazione degli elementi può essere adattata per soddisfare requisiti di modellazione specifici o per catturare i fenomeni in modo più accurato.
  • Opzioni di formulazione: Sono disponibili formulazioni lagrangiane ed euleriane. La formulazione lagrangiana è comunemente utilizzata per la maggior parte delle analisi solide e strutturali, mentre la formulazione euleriana è adatta a problemi che comportano grandi deformazioni, interazione fluido-struttura o separazione dei materiali. Inoltre, Abaqus offre una formulazione a guscio continuo specificamente progettata per le strutture sottili.
  • Opzioni di integrazione: Gli utenti possono scegliere tra schemi di integrazione completa e ridotta per gli elementi. L’integrazione completa offre risultati più accurati integrando le proprietà dei materiali e le equazioni di governo sull’intero volume dell’elemento. L’integrazione ridotta, invece, offre efficienza computazionale integrando su un numero ridotto di punti di integrazione, sacrificando una certa accuratezza per ottenere calcoli più rapidi.
  • Controllo della sezione: In alcuni tipi di elementi sono disponibili varie opzioni. Queste includono la prevenzione dei modi a clessidra, la limitazione della distorsione dell’elemento e la considerazione dei danni o dei cedimenti del materiale durante l’analisi. Questi controlli migliorano la stabilità e l’accuratezza dell’analisi mitigando i problemi legati al comportamento dell’elemento.

Oltre le simulazioni strutturali

Abaqus FEA è un cavallo di battaglia quando si tratta di simulazioni strutturali, ma le sue funzionalità di mesh e di elementi vanno oltre la struttura, offrendo elementi che servono anche ad altre fisiche, come gli elementi euleriani con comportamento simile a quello dei fluidi. Questa flessibilità consente agli utenti di modellare e simulare la fluidodinamica, i fenomeni multifisici e altri scenari non strutturali utilizzando il software Abaqus.

Simulazione di forgiatura a caldo: Simulazione delle sollecitazioni termiche CEL con interazioni di contatto

Simulazione di forgiatura a caldo: Simulazione delle sollecitazioni termiche CEL con interazioni di contatto

Inoltre, Abaqus fornisce strumenti per risolvere le comuni difficoltà di mesh incontrate nelle geometrie complesse. Questi strumenti aiutano a riparare la geometria, garantendo che la mesh rappresenti accuratamente il progetto previsto. Affrontando questi problemi, gli utenti possono ottenere risultati di analisi affidabili e una rappresentazione accurata della geometria.

Conclusione

I programmi di simulazione basati su CAD come SOLIDWORKS sono ben adatti per l’analisi strutturale e termica di base e di solito hanno un’interfaccia facile da usare che offre un’efficienza senza pari con una selezione specifica dei processi FEA più diffusi. Ma quando ci si scontra con le limitazioni o si ha la necessità di uscire dagli schemi, Abaqus offre una grande varietà di funzionalità ampliate nell’area del modello a elementi finiti. La sua più ampia gamma di tecniche e algoritmi di meshatura consente simulazioni complesse, interazioni di assemblaggio più complesse e un calcolo più rapido del comportamento accurato del modello.

Articolo precedenteAggiornamenti di SOLIDWORKS 2024 per la lamiera – Scopri le novità
Articolo successivoSOLIDWORKS Electrical 2024: Balloons automatici, dati delle parti, intervalli e altro ancora