Simcenter Simsolid

La simulazione numerica si è affermata come pilastro strategico della progettazione meccanica moderna. Dalle prime fasi concettuali fino alla validazione finale, le soluzioni di analisi strutturale consentono di anticipare il comportamento del prodotto, ridurre i test fisici e accelerare il processo decisionale in ambito ingegneristico.

Tuttavia, chiunque utilizzi soluzioni FEM conosce il principale collo di bottiglia del processo: la generazione della mesh. La semplificazione geometrica, il defeaturing, la definizione dei contatti e la verifica della qualità degli elementi assorbono una parte rilevante del tempo di analisi.

Simcenter Simsolid risponde a questa sfida con una tecnologia di simulazione "meshless", in grado di lavorare direttamente sulla geometria CAD senza la necessità di generare una mesh tradizionale.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, "senza mesh" non significa "senza discretizzazione". Simcenter Simsolid utilizza una discretizzazione volumetrica adattiva che elimina la necessità di generare una mesh tradizionale basata su un reticolo regolare di elementi finiti. 

Anziché definire nodi e connettività, il software suddivide la geometria CAD in regioni di supporto volumetriche, superficiali e lineari, sulle quali vengono costruite funzioni di approssimazione. Queste funzioni rappresentano il comportamento elastico della struttura e si adattano automaticamente nelle zone in cui è richiesta una precisione maggiore.

Inoltre, il solver di Simcenter Simsolid è iterativo e adattivo: nelle zone con elevata concentrazione di tensioni, il software introduce automaticamente gradi di libertà aggiuntivi, migliorando progressivamente la precisione e la qualità della soluzione.

Non si tratta però soltanto del tempo risparmiato durante la fase di modellazione FEM. La tecnologia meshless di Simcenter Simsolid offre anche altri vantaggi rilevanti:

▪ Analisi diretta sul CAD: senza semplificazione geometrica, senza idealizzazione e senza necessità di defeaturing

▪ Assiemi complessi: gestione automatica di centinaia di componenti, giunzioni saldate e imbullonate

▪ Connessioni intelligenti: riconoscimento automatico di contatti e collegamenti

▪ Precisione validata: studi NAFEMS e prove indipendenti mostrano scostamenti di pochi punti percentuali rispetto ai solver FEA tradizionali

▪ Interazioni rapide: possibilità di valutare più alternative progettuali nello stesso tempo che richiederebbe una singola analisi convenzionale

Di seguito è riportato il modello di un piccolo assieme composto da travi realizzate in lamiera piegata e collegate tra loro mediante viti. Il modello è stato analizzato sia con l'ambiente FEM Simcenter Femap, utilizzando il solver Simcenter Nastran, sia con Simcenter Simsolid.

Poichè la geometria consente diversi approcci di modellazione, l'analisi FEM "tradizionale" è stata condotta utilizzando tre tipi diversi di mesh:

▪ Elementi Tetra10: mesh generata automaticamente definendo 2 elementi nello spessore delle lamiere. Il modello è stato costruito con 124 mila nodi e 243 mila elementi.

▪ Elementi Hexa8: mediante la partizione dei corsi in geometrie semplici e l'utilizzo dell' Hexa-Mesher di Femap. Anche in questo caso sono stati modellati 2 elementi nello spessore. Il modello è stato costruito con 34 mila nodi e 54 mila elementi.

▪ Elementi Quad4: estrendo la superficie media delle lamiere tramite il comando Midsurface di Femap. Il modello è stato costruito con 16 mila nodi e 17 mila elementi.

Nei tre casi precedenti, le viti precaricate sono state rrappresnetate con elementi Beam, colleati al resto del modello tramite elementi RBE2. La preparazione dela geometria necessaria per collegare le viti e la loro successiva modellazione hanno rappresentato, in tutti i casi, una delle fasi più onerose in termini di tempo.

Applicando ai diversi modelli le stesse condizioni al contorno (vincoli, carico e precarico delle viti), sono stati ottenuti i seguenti risultati in termini di deformazione massima della struttura.  

Come si può osservare, i risultati ottenuti con Simcenter Simsolid sono allineati a quelli dei due modelli sviluppati con elementi solidi, mentre il modello realizzato con elementi shell presenta una rigidezza leggermente superiore. Ciò si spiega con il fatto che l'elemento Shell di Nastran non è in grado, per sua natura, di rappresentare stati di deformazione e tensione variabili nello spessore.

Nella zona delle viti, il precarico introduce uno stato tensionale che tende a "comprimere" localmente la lamiera, e questo effetto non può essere colto completamente dagli elementi shell, con un risultato quindi leggermente approssimato.

Si può pertanto affermare che il metodo meshless consente di impostare un flusso di lavoro di simulazione notevolmente più rapido, senza che queste semplificazioni incidano in modo significativo sulla precisione dei risultati.

In proposito sono disponibili numerosi studi e confronti che analizzano i risultati ottenuti dal solver meshless di Simcenter Simsolid rispetto ai solver tradizionali. Tra questi si segnalano sia riferimenti di taglio più accademico, come i modelli di validazione sviluppati da NAFEMS, sia confronti orientati all'industria, come il benchmark realizzato tra Simsolid e SolidWorks Simulation.

 Simcenter Simsolid trova applicazione in diversi settori: 

▪ Automotive e macchinari industriali, dove la rapidità è un fattore chiave nella validazione di strutture complesse con giunzioni saldate o imbullonate.

▪ Progettazione di prodotto, per valutare concept e ottimizzare geometrie in tempi ridotti.

▪ Architettura e costruzioni, per l'analisi di travature reticolari, facciate e strutture metalliche complesse.

▪ Analisi a fatica e vibrazioni, grazie ai moduli integrati per valutazioni SN/EN, anche su giunzioni saldate.

Simcenter Simsolid si integra facilmente con i sistemi CAD più diffusi sul mercato (SolidWorks, Inventor, Creo, NX e CATIA) e può essere utilizzato sia come applicazione standalone sia integrato nella piattaforma Simcenter Inspire.

Molte aziende lo adottano come strumento di preanalisi: consente di scartare rapidamente le alternative meno promettenti, per concentrare poi gli sforzi sulle soluzioni con maggiore potenziale nella fase finale di validazione con un approccio FEM tradizionale.

Questo approccio "ibrido" permette di ridurre sensibilmente i tempi di sviluppo, favorire la collaborazione tra progettisti e ingegneri di simulazione e raggiungere un migliore equilibrio tra velocità e precisione.