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BLOG ANSYS

April 28, 2021

I fondamenti del meshing FEA per l'analisi strutturale

La simulazione è uno strumento fondamentale per molti settori. Secondo Grand View Research, il mercato globale del software di simulazione dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 17,1% dal 2021 al 2028. Si tratta di un aumento sostanziale, principalmente dovuto ai numerosi vantaggi che il software di simulazione offre alle aziende, tra cui la riduzione dei costi di sviluppo del prodotto, dei test fisici e dei prototipi difettosi.

Nelle applicazioni di ingegneria assistita da computer (CAE) come la simulazione, ci sono tipi di software per analizzare il tuo prodotto come l'analisi agli elementi finiti (FEA), la fluidodinamica computazionale (CFD) e molti altri. Per condurre una simulazione CAE, ci sono tre passaggi importanti per un'analisi: pre-elaborazione, risoluzione e post-elaborazione. Parliamo della fase di pre-elaborazione FEA, in particolare dell'importanza di una rete di buona qualità.

Un esempio di mesh su una parte della scatola del cambio.

Cos'è il meshing in FEA?

L'analisi agli elementi finiti (FEA) è una rappresentazione matematica di un sistema fisico che comprende una parte/assemblaggio, proprietà del materiale e condizioni al contorno. In diverse situazioni, il comportamento del prodotto nel mondo reale non può essere approssimato con semplici calcoli manuali. Una tecnica generale come la FEA è un metodo conveniente per rappresentare comportamenti complessi catturando accuratamente i fenomeni fisici utilizzando equazioni alle derivate parziali. La FEA è migliorata ed è stata democratizzata in modo che possa essere utilizzata sia da ingegneri progettisti che da specialisti.

Il meshing è uno dei passaggi più importanti nell'esecuzione di una simulazione accurata utilizzando FEA. Una mesh è composta da elementi che contengono nodi (posizioni delle coordinate nello spazio che possono variare in base al tipo di elemento) che rappresentano la forma della geometria. Un solutore FEA non può lavorare facilmente con forme irregolari, ma è molto più 'contento' con forme comuni come i cubi. Il meshing è il processo di trasformazione di forme irregolari in volumi più riconoscibili chiamati «elementi».

Prima di iniziare la mesh, è necessario caricare una geometria o un modello CAD in, ad esempio, Ansys Mechanical per iniziare il processo di simulazione.

Come preparare il CAD/Geometry for meshing

Quando si utilizza un software di simulazione FEA, come Mechanical, è importante determinare quali feature del modello CAD devono essere 'meshate' e quali no. Molte volte, la geometria CAD è molto complessa e dettagliata ai fini della produzione. Ma per una simulazione, potresti non aver bisogno di tutti i dettagli in modo che alcune parti della tua geometria possano essere rimosse, il che significa rimuovere dettagli per risparmiare tempo.

Ad esempio, il prodotto potrebbe avere una targhetta allegata. Potrebbe non essere necessario apprendere gli effetti fisici di questa targhetta, quindi la piastra può essere decaratterizzata per evitare di creare una mesh, risparmiando mesh e tempo di risoluzione.

Utilizzando Ansys Spaceclaim, la targhetta sulla geometria è stata facilmente tolta per evitare di fare una potenziale analisi non necessaria sulla piastra.

Un altro aspetto importante della preparazione del modello CAD per la simulazione è la descrizione della relazione tra due o più parti nella geometria. Ad esempio, se la geometria condivide nodi tra facce (o spigoli) comuni, è importante decidere se sarà una mesh conforme o non conforme. Una rete conforme viene utilizzata per le parti unite mediante colla o saldature. Una rete non conforme viene utilizzata per le parti unite da contatti o giunti. In Ansys Mechanical, puoi combinare questi approcci per soddisfare le tue esigenze.

 Leggi il blog '3 passaggi per migliorare il tuo modello FEA' per saperne di più.

Tipi di metodi di mesh: tetraedrico vs. esaedrico

Esistono due tipi principali di metodi di mesh. Per questi scopi, ci riferiamo a modelli 3D:

  • Mesh degli elementi tetraedici o «tet»
  • Maglia di elementi esaedrici o «hex»

Gli elementi esadecimali o «brick» generalmente producono risultati più accurati con conteggi di elementi inferiori rispetto agli elementi tet. Se si tratta di una geometria complessa, gli elementi di testo potrebbero essere la scelta migliore. Questi metodi di mesh predefiniti o automatici possono essere sufficienti per portarti dove devi andare, tuttavia, ci sono metodi aggiuntivi che possono darti un maggiore controllo della mesh.

Meshing ibrido

In Mechanical, è possibile utilizzare un metodo Multizone, che è un ibrido di elementi esadecimali e tet che consente di fare mesh con diverse parti della geometria con metodi diversi. Ciò consente di eseguire meno preparazione della geometria e di disporre di più mesh di controllo locali.

Una geometria di connessione del tubo che utilizza le capacità di mesh ibrido di Ansys Mechanical

 

Sweep Mesh

Con lo sweep meshing, la mesh effettivamente «spazza» la mesh attraverso il volume e le facce per aiutare a creare una mesh efficiente con dimensioni regolari.

La scelta del metodo mesh da utilizzare dipende in genere dal tipo di analisi (esplicita o implicita) o dalla fisica che si sta risolvendo e dal livello di precisione che si desidera ottenere. Alcune altre opzioni sono il meshing cartesiano e i test a strati che vengono utilizzati per analisi specifiche come la produzione additiva.

Controlli mesh

I controlli di mesh consentono una mesh più precisa. Ansys Mechanical consente di controllare le mesh locali, invece di una mesh globale che esegue la mesh dell'intero CAD con lo stesso metodo. Alcuni esempi di controlli di meshing locale includono il dimensionamento locale, il perfezionamento e la rimozione della sfera di influenza della geometria.

Prendiamo ad esempio un telaio per moto. È possibile applicare un approccio di mesh generale su tutta la geometria, ma utilizzare una strategia diversa in cui si trovano le connessioni di saldatura e quelle bullonate. L'uso dei controlli di mesh locale consente di creare una mesh più raffinata in queste posizioni e non di creare una mesh dell'intera parte con elementi più piccoli, che richiederebbe più tempo per essere risolta.

Una geometria del telaio della moto a maglie che mostra giunti saldati.

 

Perché è importante una rete di buona qualità?

In poche parole, una rete di buona qualità equivale a risultati più precisi. Una maglia scadente può comportare difficoltà di convergenza, che possono portare a risultati errati e conclusioni false. La qualità della mesh dipende da alcuni scenari:

  • Che tipo di analisi stai conducendo.
  • Quanto tempo vuoi investire nella rete.
  • Quanto tempo vuoi investire nella risoluzione.

In alcuni casi, potresti essere alla ricerca di una soluzione rapida, qualcosa che ti aiuti a chiarire una decisione di progettazione. In questo caso, potresti non voler dedicare molto tempo alla configurazione della mesh. Altre volte, potresti desiderare una soluzione o un risultato molto preciso, che richiederebbe tempo e sforzi per impostare la mesh con metodi e controlli diversi.

Una buona mesh ha un criterio di qualità che si adatta alle tue esigenze (tipo di analisi, livello di precisione, tempo) come la qualità degli elementi e le proporzioni. In definitiva, consigliamo di comprendere la geometria e utilizzare i controlli per ottenere la migliore mesh possibile, il che, dopo tutto, porta a una migliore progettazione del prodotto.

Scopri di più nel nostro corso Intro to Meshing sull'Ansys Learning Hub.

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