FEM benchmark

exxon

Utente Junior
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#1
Da un'idea nata per caso in un'altra discussione, ho pensato di dare seguito al tentativo di un benchmark tra i vari FEM disponibili con gli strumenti che utilizziamo quotidianamente. Penso possa essere interessante sapere il grado di affidabilità dei risultati che otteniamo, confrontandoli con quelli di altri strumenti equivalenti.

Ho realizzato il modello di una struttura con una complessità superiore a quella di una semplice barretta ma sufficientemente semplice da non nascondere insidie per i vari algoritmi solutori.

Benchmark.PNG

Il benchmark consiste nel vincolare una delle superfici circolari affacciate e nell'applicare una forza normale all'altra superficie in direzione tale da aumentare la distanza tra le superfici stesse. Il confronto sarebbe sulla distanza tra i centri delle due superfici circolari in funzione allo sforzo applicato.

Chi è interessato al test può aderire indicando il FEM (con dettaglio di release) che intenderà utilizzare. Verrà poi stabilito il materiale (tale per cui risulti disponibile per tutti i solutori) e di conseguenza lo sforzo (o meglio, gli sforzi) da applicare.

In allegato il modello in formato step.
 

Allegati

cacciatorino

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#2
Andrebbe definita non solo la geometria del solido, ma anche il tipo di materiale e le caratteristiche della mesh.

Mi sfugge cosa vuoi ottenere con questo test: di fronte a tre FEM che ti danno tre risultati diversi, quale prenderesti per buono? Secondo me l'unico metodo realistico per la validazione di un FEM e' quello dove puoi confrontare il risultato ottenuto con la soluzione esatta che calcoli con la teoria della trave.

P.S. Penso che tutti i FEM sul mercato siano già ampiamente validati e affidabili, ed eventuali risultati bislacchi siano responsabilita' dell'operatore piu' che del software.
 

exxon

Utente Junior
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#3
Andrebbe definita non solo la geometria del solido, ma anche il tipo di materiale e le caratteristiche della mesh.
Infatti, avevo scritto
Verrà poi stabilito il materiale (tale per cui risulti disponibile per tutti i solutori) e di conseguenza lo sforzo (o meglio, gli sforzi) da applicare.
Lo scopo non è stabilire se il solutore A sia meglio del solutore B.

Una volta stabilito il materiale, ognuno farà la propria simulazione e posterà i risultati. Se saranno sovrapponibili (come ovviamente si spera), significherà che le proprie simulazioni sono (più o meno) attendibili. Se invece ci saranno deviazioni consistenti, questo non significherà che il tal solutore (o l'altro) non sono attendibili, ma che sono poco attendibili i risultati che si ottengono da una simulazione condotta in questo modo.

Potrà essere interessante, come secondo step, analizzare queste possibili differenze e individuarne la natura.
 

Stan9411

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#4
questo problema non ha una soluzione analitica. Il fem ne calcolerà una approssimata. Questa soluzione dipende da:
- corretta modellazione di carichi e vincoli
- scelta tipo di elemento
- scelta ordine elemento
- scelta dimensione elemento
- scelta del tipo di analisi
- corretta modellazione di carichi e vincoli

Inoltre ( e questo non dipende dal progettista ):

- tipo di algoritmo usato per la risoluzione
- eventuali residui/tolleranze impostate nel codice per favorire l’inversione delle matrici e snellire l’onere computazionale

Ciò detto, va da se che, tra un software e l’altro, ci saranno differenze di risultato, per il semplice fatto che ciascuna software-house sviluppa i propri algoritmi, chi badando alla velocità computazionale, chi alla potenza ecc ecc..

Il punto è: se i due software danno risultato diversi, ad esempio di 0,1 mm, ( a patto che i due utenti abbiano scelto consapevolmente la stessa mesh per dimensione e tipo di elemento [che su software diversi ha nomi diversi e questo già immagino creerà dibattito]) che conclusioni ne trai ? È una differenza accettabile ? Imputabile al solutore o all’utente ? E quale delle due è più “giusta” ?
 

exxon

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#5
La prova vorrebbe stabilire proprio questo: dato un particolare meccanico e uno sforzo completamente stabiliti, quali differenze si ottengono dovute alle scelte individuali operatore/software.

Supponiamo che i dati iniziali siano una commessa di consulenza, ognuno sceglierà le impostazioni che ritiene più adatte alla soluzione per ottenere il risultato più vicino alla realtà possibile. Il confronto avverrà poi su questi valori.

Lo scopo non è ottenere "il vincitore" "il miglior FEM" o "il miglior operatore". Lo scopo è vedere quanto ampia sia la fascia di risultati ottenuti. Se il citare questo o quel software dovesse essere un problema (personalmente non vedo il perché), si potrebbe anche fare anonimo.

Sulla valutazione dei risultati, il criterio dovrebbe essere il buon senso: se per un determinato carico, l'operatore A ottenesse una deformazione di 1.0 mm, mentre l'operatore B una deformazione di 1.1 mm, la congruenza mi sembrerebbe ottima; se al contrario A ottiene 1 mm e B 3 mm, non sarebbe più così.
 

cacciatorino

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#6
La prova vorrebbe stabilire proprio questo: dato un particolare meccanico e uno sforzo completamente stabiliti, quali differenze si ottengono dovute alle scelte individuali operatore/software.

Supponiamo che i dati iniziali siano una commessa di consulenza, ognuno sceglierà le impostazioni che ritiene più adatte alla soluzione per ottenere il risultato più vicino alla realtà possibile. Il confronto avverrà poi su questi valori.

Lo scopo non è ottenere "il vincitore" "il miglior FEM" o "il miglior operatore". Lo scopo è vedere quanto ampia sia la fascia di risultati ottenuti. Se il citare questo o quel software dovesse essere un problema (personalmente non vedo il perché), si potrebbe anche fare anonimo.

Sulla valutazione dei risultati, il criterio dovrebbe essere il buon senso: se per un determinato carico, l'operatore A ottenesse una deformazione di 1.0 mm, mentre l'operatore B una deformazione di 1.1 mm, la congruenza mi sembrerebbe ottima; se al contrario A ottiene 1 mm e B 3 mm, non sarebbe più così.
Il problema e' che differenze di quel tipo le puoi ottenere anche se tutti e due usano Ansys, per dire. Basta che uno faccia la mesh tetra con elementi grossolani e lineari, e l'altro invece la fa esa quadratica fine con le submesh etc etc.
E' un problema per chi deve commissionare un'analisi FEM: se non ha competenze specifiche non ha nessun modo di valutare la qualita' del lavoro che gli viene fornito, puo' solo fidarsi. Il fornitore potra' anche usare il solutore migliore sul mercato, ma se non lo sa usare i risultati saranno comunque inaffidabili.
 

exxon

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#7
Questo vale in ogni ambito scientifico.

Il test voleva mettere a confronto risultati ottenuti da chi utilizza abitualmente questi strumenti e lo fa in modo corretto.
 

exxon

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#8
Ad ogni modo, io posto i miei risultati (senza specificare il software utilizzato).

Materiale acciaio dolce.
Yield Strength 811 MPa
Ultimate Tensile Strength 997 MPa
Stress Young's Modulus 168 GPa
Poisson's Ratio 0.29 ul
Shear Modulus 65.1 GPa

Applicando una forza pari a 1000 N, la deformazione misurata tra i centri delle superfici circolari
è di 1.7 mm.
 

cacciatorino

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#9
Ad ogni modo, io posto i miei risultati (senza specificare il software utilizzato).

Materiale acciaio dolce.
Yield Strength 811 MPa
Ultimate Tensile Strength 997 MPa
Stress Young's Modulus 168 GPa
Poisson's Ratio 0.29 ul
Shear Modulus 65.1 GPa

Applicando una forza pari a 1000 N, la deformazione misurata tra i centri delle superfici circolari
è di 1.7 mm.
Analisi lineare o non lineare?
Mesh tetraedrica o esaedrica?
Mesh lineare o quadratica?
dimensioni degli elementi?
Hai fatto delle submesh?
Hai semplificato il modello in qualche modo?
Curva di applicazione del carico? Schema dei vincoli?
Hai applicato delle forze o delle pressioni?

Non e' per fare il pedante, era per rendere evidenti quante variabili bisogna "normalizzare" per arrivare ad un risultato confrontabile.
 

Stan9411

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#10
Lui vuole che tu (o chiunque altro voglia) la faccia nella maniera che reputi corretta dal punto di vista delle impostazioni in modo da ottenere il risultato che tu reputi più affidabile.

Fai conto che tu e le tue scelte di modellazione facciate parte del software ..
 

Stan9411

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#11
Io non sono d’accordo ... perché senza “normalizzare” le competenze degli utenti, anche un grande fem può dare risultati insensati in mani inesperte.. però exxon insiste a voler fare questo confronto senza ascoltare ragioni, fidandosi del fatto che tu e lui (o chiunque altro) siate equivalenti dal punto di vista delle competenze in materia di modellazione di una analisi strutturale.
 

exxon

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#12
Stan9411 ha compreso il senso del benchmark.

Se stabilissimo tutti i parametri, ciò che verificheremmo sarebbe solo la correttezza dell'algoritmo di calcolo (che do per corretto a priori per qualsiasi software commerciale di un certo livello).

Non è che "insista senza voler ascoltare ragioni": ho capito perfettamente le ragioni addotte dai colleghi. Non è che non le condivida, è solo che mi prefiggo uno scopo diverso.

Se doveste predirre quella deformazione utilizzando una simulazione FEM, quanto vi risulterebbe?
 

Luca862

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#13
Il test lo trovo interessante.
Personalmente mi serve capire se eseguo i calcoli in modo corretto e mi permette di confrontarmi con altre persone.

Ho notato che manca la densità. Ho usato quella di default per acciaio dolce = 7,850 g/cm³

Questi i miei risultati con due software diversi:
Software n°1: 1,76 mm
Software n°2: 1,80 mm
 

cacciatorino

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#14
Io non sono d’accordo ... perché senza “normalizzare” le competenze degli utenti, anche un grande fem può dare risultati insensati in mani inesperte.. però exxon insiste a voler fare questo confronto senza ascoltare ragioni, fidandosi del fatto che tu e lui (o chiunque altro) siate equivalenti dal punto di vista delle competenze in materia di modellazione di una analisi strutturale.
O forse vuole verificare proprio quanto la (im)perizia dell'analista possa falsare i risultati.

Dando una passata di sgrosso senza rifinire niente a me viene 0.75mm.
 

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Ultima modifica:

cacciatorino

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#15
Con una mesh piu' fine e quadratica mi viene 1.6 mm. Schermata del 2019-01-18 14-41-09.png
 

exxon

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#16
Perché dovrebbe essere necessario leggere tra le righe? Non è mia intenzione dare dell'"imperito" a nessuno.

La risposta di cacciatorino conferma che questo benchmark è più sensato di quanto potrebbe magari apparire:
1a soluzione: 1.7 mm
2a soluzione: 0.75 mm

I due risultati non sono compatibili. Non importa (magari solo per ora) il motivo di questa inaccettabile differenza. Ciò che conta è che ci sono differenze che possono influenzare molto il processo di progettazione.

Se la domanda fosse stata "Che lunghezza ha la banda metallica per fare un cerchio di botte di diametro 1m", i risultati sarebbero stati uguali con almeno qualche decimale. In questo caso l'errore è tale da rendere priva di senso l'intera simulazione...

Aggiornamento:
Dopo la seconda simulazione, i dati coincidono... interessante.

Io avevo fatto tre simulazioni, con mesh sempre decrescenti e avevo preso per buona l'ultima con la quale non avevo scostamenti della seconda cifra significativa rispetto a quella precedente. Evidentemente, seguendo lo stesso criterio, anche la simulazione di cacciatorino fornisce lo stesso risultato.
 

cacciatorino

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#17
I due risultati non sono compatibili. Non importa (magari solo per ora) il motivo di questa inaccettabile differenza. Ciò che conta è che ci sono differenze che possono influenzare molto il processo di progettazione.
Il problema e' proprio questo: sapere perche' vengono queste differenze. Ma qui' la differenza non la fa il software ma l'operatore, per cui il confronto non va fatto fra software ma fra operatori, da cui il discorso sulla capacita' o meno di chi usa quesi programmi di capire cosa gli stanno dando in pasto e di cosa ottengono in cambio.

Per esempio nel primo caso ho usato una mesh che oltre che essere grossolana era anche lineare, cosa che porta a sovrastimare la rigidezza.
 

exxon

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#18
Io parto dal presupposto che chi partecipa a un test di questo genere non sia uno sprovveduto. La minima competenza necessaria la do per scontata. Il mio dubbio è che anche l'operatore esperto possa ottenere risultati poco realistici senza rendersene conto (a causa delle necessità implicite del software utilizzato, non della maggiore o minore preparazione).

Spero qualcun altro si voglia aggregare con i propri risultati (due campioni sono un po' scarsi dal punto di vista statistico). Per ora abbiamo una banda di incertezza di +/- 3%, che ritengo molto buona.
 

telegino

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Software: Solid Edge, AutoCad Mechanical, SolidWorks
Regione: Veneto
#19
Ciao,

ho fatto lo stesso test, con SE10 e trovo 1,6 mm..

Ciao
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Onda

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Regione: Italia
#20
Utilizzando Nastran 2014 . elementi quadratici ho 1.96 di spostamento
Saluti
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