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BLOG ANSYS

December 2, 2020

3 passaggi per migliorare i modelli FEA

Lo sviluppo di un modello di analisi agli elementi finiti (FEA) efficace e di successo può essere un'esperienza frustrante per i progettisti. Il modello deve essere semplice e facile da replicare pur essendo abbastanza complesso da fornire risultati di test validi. Questo crea un problema in cui i modelli sono spesso troppo semplificati e approssimati per fornire un'analisi accurata, oppure il modello è troppo complicato per una facile elaborazione. Diversi tipi di modelli richiedono anche diversi tipi di generazione di mesh. Infine, i carichi devono essere applicati con precisione per ottenere risultati accurati. Discuteremo di ciascuna di queste sfide e delle relative soluzioni.
 

Come migliorare un modello FEA: semplificazione del modello

Un passo importante nel miglioramento di un modello FEA è la semplificazione del modello. Tuttavia, il modello deve essere semplificato nel modo giusto per ottenere analisi accurate.


Un esempio di simulazione di analisi agli elementi finiti in Ansys Sherlock

La generazione della geometria del modello è uno degli aspetti più difficili della FEA. Un errore comune tra gli utenti principianti di FEA è supporre che un modello CAD (Computer-Aided Design) creato come parte del processo di progettazione del prodotto possa essere inserito direttamente in uno studio FEA. I modelli CAD dei progettisti in genere includono dettagli straordinari, che richiederebbero ore o giorni di elaborazione per essere incorporati in un'analisi di simulazione.

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Tuttavia, molti di questi dettagli non sono spesso necessari nella FEA. Ancora peggio, l'inclusione di dettagli non necessari in un modello FEA può portare a mesh di scarsa qualità, tempi di esecuzione di simulazioni inefficienti e risultati imprecisi.

Per un analista, capire quando e come semplificare un modello che è stato passato loro da un progettista è una competenza chiave per una simulazione FEA efficace.

Ottimizzazione dell'analisi agli elementi finiti: rimozione di funzioni oggetto non necessarie

Forse i dettagli più comuni che possono essere rimossi immediatamente dalla maggior parte dei modelli CAD sono i raccordi e gli arrotondamenti. I bordi veramente squadrati esistono raramente nel mondo reale. Gli spigoli sono generalmente arrotondati e i modelli CAD spesso includono questo arrotondamento su molti, se non tutti, i corpi geometrici. Tuttavia, gli spigoli quadrati sono molto più facili per la mesh nel mondo FEA e la maggior parte dei raccordi/arrotondamenti piccoli non influirà sui calcoli dello spostamento globale. Gli strumenti CAD hanno in genere una funzione che facilita la rimozione di raccordi/arrotondamenti, come il comando di riempimento in Ansys SpaceClaim. L'uso appropriato di queste funzionalità può ridurre rapidamente la complessità del modello con il minimo sforzo dell'utente.


Rimozione incrementale degli arrotondamenti in Ansys SpaceClaim
 

Incorporazione di geometrie e vincoli efficaci

Un'altra semplificazione comune è la rimozione di corpi insignificanti o la loro sostituzione con geometrie o vincoli efficaci. Ad esempio, la maggior parte dei gruppi meccanici include elementi di fissaggio, come bulloni e rivetti. A volte, può essere necessario includere la geometria di un bullone nel modello; tuttavia, in molti casi, le geometrie dei bulloni possono essere sostituite con geometrie 3D notevolmente semplificate, elementi di travi 1D o addirittura rimosse completamente e approssimate con vincoli di contatto rigidi o condizioni fixed boundary.

I risultati degli shock meccanici mostrano risultati globali e locali trascurabili quando sono molto piccoli
i componenti del chip sono inclusi (a sinistra) rispetto a quando sono esclusi (a destra).
 

Ad esempio, se viene simulato uno shock meccanico su un assemblaggio di circuiti stampati (PCBA) 12x12 pollici, componenti molto piccoli come i resistor 0201 non avranno alcun effetto sulla rigidità globale del modello e possono essere rimossi completamente. Potrebbe essere necessario modellare componenti più grandi come un 16 PIN SOIC, ma la saldatura può essere sostituita e approssimata con un contatto rigido tra i conduttori e la scheda. Ansys Sherlock è uno strumento che può aiutare a generare un modello pronto per la FEA a partire dalle informazioni disponibili nella fase di progettazione di un PCBA, raccogliendo le informazioni ECAD destinate alla produzione di PCBA e automatizzando la creazione di un modello PCBA mesh, semplificato e pronto per la FEA.
 

Come migliorare un modello FEA: corretta generazione di mesh

Oltre alla decomposizione di un modello, è necessario prendere una serie di decisioni per una corretta generazione di mesh. Ci sono in genere tre aree che Ansys-DFR considera quando crea mesh accurate:

  • Scelta del guscio rispetto agli elementi solidi
  • Scegliere elementi esadecimali (mattoni) rispetto a elementi tet (piramidi)
  • Scelta della dimensione e dell'ordine delle maglie corretta


Shell vs. Solid Element

Il più delle volte, la geometria CAD sarà composta interamente da corpi tridimensionali. Tuttavia, in un modello FEA, può essere vantaggioso creare mesh di alcuni di questi corpi con elementi shell piuttosto che elementi 3D solidi.

Gli elementi shell sono approssimazioni 2D della geometria 3D che memorizzano lo spessore di un corpo come proprietà fisica. Possono essere utilizzati per geometrie a parete sottile con una lunghezza molto maggiore dello spessore del corpo e quando la deformazione di taglio è insignificante (ad esempio, un telaio in lamiera o le pareti su una lattina di soda). Esistono anche speciali elementi di rinforzo a guscio e trave che possono essere utilizzati per modellare i sottili strati di rame all'interno di un circuito stampato (PCB).

Caratteristiche del PCB in rame modellato come rinforzo a guscio e trave

Le nuove funzionalità di Ansys Sherlock consentono la generazione rapida di queste geometrie di rinforzo. Questi rinforzi consentono all'utente di catturare l'effetto che le tracce hanno sulle deformazioni della tavola in modo efficiente.

Inoltre, incorporare correttamente gli elementi shell nei modelli FEA può migliorare notevolmente sia il tempo di esecuzione della simulazione che l'accuratezza dei risultati. Se utilizzati in modo appropriato, gli elementi shell possono di solito generare una mesh di qualità superiore su strutture a pareti sottili (come la lamiera) con un numero di elementi molto più basso, con risultati più accurati a un costo computazionale significativamente ridotto. Gli strumenti CAD come la funzione «Crea superficie intermedia» in Ansys SpaceClaim possono aiutare nella preparazione delle geometrie per la mesh dello shell.


Corpo solido (a sinistra) sostituito con corpo di superficie (a destra) utilizzando lo strumento Ansys SpaceClaim Midsurface Tool.

Può sembrare intuitivo supporre che la mesh 3D produca maggiori dettagli, il che fornisce risultati più accurati. Ma non è sempre così. Soprattutto nei casi di grandi piegature, gli elementi solidi spesso creano strutture artificialmente rigide quando vengono utilizzati per creare mesh di geometrie a pareti sottili, risultando in simulazioni imprecise. Inoltre, può essere molto difficile perfezionare la rete e generare abbastanza elementi attraverso lo spessore di una struttura a pareti sottili per ottenere risultati accurati di spostamento e sollecitazione.

Inoltre, se la geometria è abbastanza complessa, le strutture a pareti sottili possono risultare in una mesh di scarsa qualità quando si utilizzano elementi solidi, creando elementi simili a schegge con proporzioni scadenti, influenzando negativamente i risultati.
 

Elementi Hex vs. Tet

Quando si determina se utilizzare elementi esaedrici (esagonali) o elementi tetraedrici (tet) in una configurazione del modello FEA, è importante tenere presente la forma complessiva e la complessità dell'oggetto stesso. La regola generale è quella di creare mesh con elementi esaedrici, se possibile. Gli elementi esagonali o «mattoni» generalmente producono risultati più accurati con conteggi di elementi inferiori rispetto agli elementi tetraedrici. Tuttavia, se l'oggetto contiene angoli acuti o altre geometrie complesse, potrebbe essere necessario creare mesh con elementi tetraedrici.


Un corpo identico con elementi esadecimali (a sinistra) ed elementi di testo (a destra).

È preferibile semplificare il modello abbastanza da integrarlo interamente con i mattoni, ma questo non è sempre fattibile. Per geometrie complesse che richiedono mesh di prova, assicurarsi che la mesh non produca risultati imprecisi. Questo di solito significa un numero maggiore di elementi, elementi di ordine elevato e tempi di esecuzione più lunghi.

Per questi motivi, si consiglia vivamente qualsiasi semplificazione del modello come la rimozione del raccordo o la divisione del corpo che consenta la mesh esagonale senza modificare in modo significativo la geometria.
 

Dimensioni e ordine delle mesh

Comprendere correttamente l'ordine e le dimensioni delle mesh è fondamentale per trovare l'equilibrio tra risultati accurati e tempi di esecuzione ragionevoli in un'analisi agli elementi finiti.

La dimensione della mesh si riferisce semplicemente alla caratteristica lunghezza del bordo di un elemento. Una dimensione della mesh più piccola produrrà più elementi nel modello, con conseguenti tempi di esecuzione più lunghi e risultati più accurati. L'ordine descrive la funzione di forma utilizzata per calcolare gli spostamenti degli elementi.

Gli elementi del primo ordine hanno nodi solo agli angoli degli elementi e calcolano lo spostamento linearmente tra i nodi. Gli elementi del secondo ordine includono i nodi intermedi tra gli angoli e calcolano lo spostamento quadraticamente. I dettagli aggiuntivi negli elementi del secondo ordine si traducono in genere in una maggiore precisione, ma a un costo computazionale significativamente maggiore.


Un elemento quadratico (a sinistra) e un elemento lineare (a destra). I nodi sono evidenziati in verde.
Notare i nodi del lato centrale tra gli angoli dell'elemento del secondo ordine.

La chiave per generare mesh FEA efficaci è trovare un equilibrio appropriato tra ordine e dimensione per il particolare problema che viene analizzato. Quando possibile, utilizzate elementi di secondo ordine e perfezionate iterativamente la mesh fino a quando i risultati non convergono. Tuttavia, per problemi molto più grandi che si risolvono nell'ordine dei giorni anche con elaborazione ad alte prestazioni, ciò potrebbe non essere fattibile. In questi casi, un analista dovrà utilizzare la sua esperienza per prendere le giuste decisioni in merito alla dimensione e all'ordine delle maglie.
 

Come migliorare un modello FEA: applicazioni di carico corrette

La determinazione delle applicazioni di carico corrette è un passo importante della FEA. Le applicazioni di carico sono gli input del modello per cui l'oggetto viene testato, come un evento specifico tra cui un ciclo termico, uno shock da caduta, vibrazione o flessione statica. Comprendere le sfumature di come applicare i carichi è essenziale per simulare un evento che l'oggetto dovrà affrontare in un ambiente reale.

Un esempio comune è determinare se i carichi applicati debbano essere applicati come statici o transitori. Ad esempio, se un ingegnere sta simulando la flessione di una struttura durante l'assemblaggio, può essere accettabile modellare il carico come spostamento statico perché è probabile che le velocità di deformazione siano molto più lente e risultino indipendenti dal tempo. Tuttavia, se un ingegnere sta modellando una deflessione simile causata dalla caduta dello stesso assemblaggio, è probabile che debba utilizzare un modello transitorio per catturare gli effetti inerziali associati, poiché il tempo di applicazione del carico è molto più veloce e gli effetti dipendenti dal tempo devono essere catturati.

Nel mondo della simulazione elettronica, ci occupiamo spesso di un caso simile quando si simula il ciclo termico.  Ad esempio, quando si studia l'espansione termica a livello di scheda (piuttosto che a livello di componente), è spesso possibile utilizzare approssimazioni lineari delle proprietà del materiale e le rampe di temperatura statiche, indipendenti dal tempo,  possono essere ragionevoli. Ciò è accettabile quando lo spostamento a livello di scheda e le sollecitazioni/deformazioni elastiche sono al centro di un'analisi piuttosto che deformazione/energia di scorrimento. Tuttavia, quando si studia l'affaticamento della saldatura a livello di componente, è necessario includere le proprietà di scorrimento della saldatura dipendenti dal tempo. In questo caso è importante applicare con precisione i tempi di rampa e di sosta del ciclo termico, piuttosto che semplicemente aumentare la temperatura in modo lineare. I modelli di creep includono proprietà dipendenti dal tempo, quindi i cicli simulati devono essere modellati nella loro interezza per calcolare in modo più accurato i risultati di deformazione da creep che vengono utilizzati per fare previsioni di affaticamento nelle saldature.

Lo stesso evento del mondo reale non è sempre uguale nel mondo FEA a seconda del risultato desiderato dell'analisi. È importante tenere sempre a mente i fattori di stress del mondo reale che l'oggetto dovrà probabilmente affrontare e in che modo tali fattori di stress potrebbero influenzare la componente di interesse. L'immissione corretta di queste sfumature si tradurrà in un'analisi accurata, valida e attuabile.

Con la giusta pre-elaborazione, è possibile aumentare significativamente la velocità di FEA senza comprometterne la precisione.

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