CALCOLO STRUTTURALE FEM: DI COSA SI TRATTA

Realizzare un macchinario, una componente o semplicemente un oggetto meccanico a forma complessa richiede un lavoro di progettazione, non solo nel design, ma anche e soprattutto nella sua composizione e struttura. 

Questo tipo di valutazione, utilizzata nell’ambito della progettazione meccanica, prende il nome di analisi strutturale degli elementi finiti (detta FEM Finite Element Method) e serve ad esaminare le prestazioni strutturali dell’oggetto che si vuole realizzare in termini di:  

  • stabilità 
  • resistenza 
  • spessore 
  • elasticità  
  • rigidezza. 

COME FUNZIONA L’ANALISI STRUTTURALE FEM 

Il calcolo strutturale FEM è fra i tipi di analisi più richiesti nel mercato dell’ingegneria e della progettazione meccanica, poiché è possibile applicarlo in moltissimi campi: dai macchinari all’automotive, dal settore edile a quello industriale. 

 Le fasi dell’analisi strutturale FEM sono le seguenti, indifferentemente dal settore in cui si opera: 

  1. Scomposizione della struttura 
  2. Assemblamento degli elementi  
  3. Simulazione del comportamento in una o più situazioni reali 
  4. Risoluzione di eventuali problematiche 

 Vediamo nel dettaglio come funziona.  

La struttura (o il modello) che solitamente è di grandi dimensioni, tramite calcoli matematici e geometrici, viene scomposta in milioni di piccoli elementi ben definiti e misurabili all’interno di una griglia geometrica chiamata mesh (fase 1: scomposizione). La densità della mesh può essere modificata in base alla complessità della struttura. 

 I calcoli vengono eseguiti per ogni singolo elemento o punto e combinati tra loro per formare il risultato finale complessivo della struttura (fase 2: assemblamento).  

Grazie a questo tipo di analisi è possibile simulare virtualmente i movimenti dell’oggetto nel mondo reale, al fine di prevederne il comportamento in diverse condizioni come vibrazioni, calore, fatica e stress (fase 3: simulazione). 

La suddivisione rende più facile l’analisi del comportamento dell’oggetto al fine di evidenziare eventuali punti critici e risolverli prima ancora di aver realizzato un prototipo (fase 4: risoluzione). 

PRINCIPALI VANTAGGI DEL CALCOLO STRUTTURALE FEM 

Come abbiamo visto, il calcolo strutturale FEM è un tipo di analisi che viene effettuata prima di avviare la prototipazione o la produzione di un oggetto e presenta diversi vantaggi per l’azienda che decide di utilizzarlo, tra cui: 

  1. Precisione nella realizzazione: utilizzando il calcolo strutturale FEM la fase di collaudo rivela i parametri da migliorare (come eventuali punti deboli o soggetti a rotture) che senza questo tipo di analisi verrebbero trascurati. 
  2. Rapidità: grazie all’analisi strutturale FEM vengono ridotti i tempi legati ai processi di progettazione e prototipazione perché quasi tutti gli oggetti possono essere virtualmente testati in poche ore. 
  3. Miglioramento del design: senza il calcolo degli elementi finiti, il progettista dovrebbe modellare le componenti strutturali di un progetto separatamente. Utilizzando l’analisi strutturale FEM invece è possibile realizzare virtualmente l’oggetto in un unico sistema strutturale per determinare in che modo i componenti interagiscono e influenzano l’intero modello. 
  4. Prototipi virtuali: i prototipi hanno dei costi elevati in quanto, per essere realizzati, richiedono molto tempo e molta manodopera. Le simulazioni effettuate grazie all’analisi strutturale FEM consentono di elaborare prototipi virtuali riducendo così le fasi iniziali di protipazione del modello. 
  5. Aumento della produttività e delle entrate: l’azienda che decide di utilizzare questo tipo di analisi avrà maggiori probabilità di produrre prodotti qualitаtivamente migliori all’interno di un ciclo di progettazione più breve e con meno spreco di materiale e tempo. 

A COSA SERVE L’ANALISI STRUTTURALE FEM 

Valutare le prestazioni strutturali di un progetto meccanico con il calcolo strutturale FEM è utile per rispondere rapidamente alle esigenze di progettazione strutturale come: 

  • Identificare aree da ottimizzare e/o migliorare 
  • Verificare possibili deformazioni 
  • Individuare la tipologia e la qualità dei materiali necessari alla produzione 
  • Ricavare spostamenti e tensioni 
  • Definire i punti di rottura. 

I vantaggi pratici dell’utilizzo dell’analisi strutturale FEM hanno portato moltissime realtà aziendali che operano in diversi settori a renderlo una parte fondamentale dei loro processi di progettazione 

Nell’ambito della progettazione meccanica il calcolo strutturale FEM può essere integrato con l’analisi fluidodinamica CFD in modo da valutare non solo il comportamento strutturale del modello, ma anche quello dei fluidi, gas e fumi.  

A differenza dell’analisti FEM, utilizzare test sperimentali realizzando uno o più prototipi richiede un notevole investimento di tempo e risorse. Nonostante questo, non si ha la certezza del risultato finale.  

Simulare il sistema strutturale che si intende realizzare mediante il calcolo strutturale FEM consente di avere un risultato migliore, più rapido e meno costoso 

L’esperienza e le competenze ingegneristiche di Project nell’ambito della progettazione meccanica ci permettono di aiutare i clienti a trovare soluzioni sempre più innovative mettendo a disposizione servizi personalizzati che vanno dall’idea al prodotto finito. 

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