Che cos'è l'analisi degli elementi finiti (FEA)?

L'analisi di elementi finiti (FEA) è il processo di previsione del comportamento di un oggetto basato su calcoli effettuati con il metodo degli elementi finiti (FEM). Mentre il FEM è una tecnica matematica, la FEA è l'interpretazione dei risultati forniti dal FEM. La FEA fornisce agli ingegneri informazioni dettagliate su sistemi e strutture complessi, aiutandoli a prendere decisioni di progettazione più informate. 

FEM utilizza la matematica per scomporre i sistemi complessi in parti più piccole e più semplici o "elementi". Applica, quindi, equazioni differenziali a ciascun elemento individualmente, utilizzando la potenza dei computer per suddividere, e quindi risolvere, i problemi di ingegneria.  

FEA è l'applicazione delle equazioni FEM ed è la base di molti tipi di software di simulazione. Viene utilizzata per convalidare e testare i progetti in modo sicuro, rapido ed economico creando modelli virtuali di risorse del mondo reale.

La modellazione a elementi finiti consente di simulare il mondo fisico senza i costi, i tempi o i rischi legati alla costruzione di prototipi fisici. Questi modelli vengono utilizzati per risolvere varie condizioni e scenari in una varietà di settori, in particolare quelli con ambienti complessi o ad alto rischio come quello aerospaziale e biomeccanico. 

La sedia su cui sei seduto. Caricabatterie wireless per telefono. Il sangue che scorre nelle vene. Tutto intorno a noi ci sono oggetti e sistemi che possono essere modellati usando la FEA. Grazie alla sua capacità di approssimare problemi dimensionali altamente irregolari, la FEA può essere applicata praticamente a tutto. Qualsiasi comportamento fisico descritto usando equazioni differenziali, come la maggior parte dei problemi di ingegneria e anche alcuni problemi esoterici come la meccanica quantistica, può essere risolto usando la FEA.

La FEA è comunemente utilizzata in settori in cui i test fisici sono impossibili o poco pratici. Esempi di applicazioni che utilizzano modelli FEA includono:

Ingegneria civile: La FEA viene utilizzata per valutare la sicurezza e l'integrità di strutture come ponti, edifici e dighe. La FEA può aiutare gli ingegneri a ottimizzare i progetti per soddisfare gli standard di sicurezza e prevedere le esigenze di manutenzione. 

Ingegneria aerospaziale: La FEA è utilizzata per simulare le prestazioni dei componenti e dei sistemi degli aeromobili nelle molteplici condizioni di volo. Utilizzando la FEA è possibile modellare l'integrità del carrello di atterraggio, l'aerodinamica, lo stress termico, la previsione della durata a fatica, le vibrazioni, il consumo di carburante e altro ancora.

Ingegneria automobilistica: La FEA viene utilizzata per valutare i sistemi di un veicolo, inclusi head-up display, longevità della batteria, illuminazione esterna e resistenza alla collisione strutturale. Nei test di sicurezza, la FEA può aiutare gli ingegneri a valutare le prestazioni di vari sistemi di sicurezza in una varietà di condizioni di impatto.

L'analisi di elementi finiti funziona discretizzando il dominio di interesse e quindi assemblando equazioni fisiche per risolvere il problema ingegneristico in questione.  Assemblando insieme questi elementi per rappresentare il sistema fisico, gli ingegneri possono prevedere il comportamento dell'intera struttura. La FEA, rispondendo alla domanda: "La mia auto sarà sicura dopo aver percorso oltre 160.000 km?", inizia suddividendo l'auto in sistemi, i sistemi in componenti e i componenti in elementi, utilizzando una griglia di elementi nota come meshing. 

Processo di analisi di elementi finiti

1. Pre-elaborazione: definire la fisica e le condizioni reali da utilizzare nel modello.
   
2. Processo: suddividere l'oggetto in elementi finiti tramite meshing e applicare le rappresentazioni fisiche e/o equazioni pertinenti a ciascun elemento. Quindi assemblare le equazioni e risolverle.
3. Post-elaborazione: calcolare i risultati per analizzare e interpretare le implicazioni per l'intero dominio.

Gli ingegneri affrontano enormi sfide nella progettazione di soluzioni che soddisfino le esigenze in continua evoluzione delle persone e del pianeta. Per esplorare scenari e condizioni illimitati, si affidano alla flessibilità della FEA. Con la FEA, è possibile modellare qualsiasi geometria di forma (da un blocco quadrato al cuore umano), di qualsiasi dimensione (dalla nanoscala a un grande aereo passeggeri), con qualsiasi tipo di fisica (trasferimento di calore, dinamica dei fluidi, meccanica strutturale, ecc.). Fondamentalmente, se si dispone di un'equazione differenziale parziale, è possibile utilizzare la FEA. 

I vantaggi della FEA includono:

Valutazione di geometrie complesse: la FEA può analizzare strutture complesse che altrimenti sarebbero difficili o impossibili da valutare

Simulazione di una serie di fenomeni fisici: la FEA consente agli ingegneri di modellare più problemi fisici contemporaneamente

Risparmio di tempo, denaro e risorse: la FEA riduce la necessità di prototipazione fisica, in modo che gli ingegneri possano valutare la sicurezza, l'affidabilità e le prestazioni di un progetto prima che venga realizzato

Come per molte tecnologie, l'output è buono quanto l'input. I modelli FEA dipendono dalla precisione delle informazioni utilizzate per costruirli. Tutte le ipotesi, come la geometria, le proprietà di un materiale e il tipo di analisi, possono influenzare l'integrità dei risultati del modello. Solo fornendo dati accurati, la FEA può produrre approfondimenti accurati.

Un'altra sfida della FEA è che, per ottenere i migliori risultati, dovrebbe essere utilizzata in collaborazione con esperti. Sebbene la FEA sia diventata più facile da usare e l'IA prometta di democratizzare ulteriormente la simulazione, al momento sono ancora necessarie una guida e misure di salvaguardia adeguate per utilizzare gli strumenti FEA in modo efficace.

A seconda degli specifici problemi ingegneristici affrontati, esistono diversi tipi di test che possono essere gestiti utilizzando la FEA. Software di simulazione multiuso, come Ansys Mechanical, forniscono una gamma di strumenti di analisi da utilizzare in scenari progettuali personalizzati. Alcuni dei tipi più comuni di test FEA sono:

Analisi statica: eseguita su carichi costanti quando le condizioni non cambiano nel tempo.  

Analisi dinamica: utilizzata per i calcoli che comportano variazioni nel tempo o nella frequenza.  

Analisi modale: esamina le frequenze naturali per prevedere come vibrano le strutture e come tali vibrazioni possono influenzare le prestazioni. 

Mentre il mondo si trova ad affrontare problemi ingegneristici sempre più complessi, come la produzione di energia, l'automazione e i viaggi nello spazio profondo, la FEA continuerà a essere la tecnica giusta per esplorare le soluzioni più innovative. Sfruttando la sempre crescente potenza di elaborazione dell'High Performance Computing (HPC) e incorporando la percezione cognitiva dell'intelligenza artificiale, la FEA del futuro sarà in grado di fornire informazioni migliori a più persone, più velocemente che mai. 

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