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BLOG ANSYS

June 23, 2021

Come creare mesh e simulare saldature con Ansys Mechanical

Nel nostro blog precedente, The Fundamentals of FEA Meshing for Structural Analysis, abbiamo spiegato cos'è la mesh di analisi agli elementi finiti (FEA), i tipi di metodi di mesh e perché una mesh di buona qualità è importante per l'accuratezza delle simulazioni.

Usiamo di nuovo l'esempio del telaio della moto da quel blog. L'utilizzo di diverse strategie di mesh in cui saldature o connessioni bullonate si trovano sulla geometria consente di creare una mesh più raffinata in determinate posizioni invece che nell'intero modello, il che potrebbe richiedere più tempo per risolvere. In questo blog, discuteremo della mesh di saldatura e del motivo per cui è importante avere una mesh di buona qualità per un'analisi di saldatura.

La geometria del telaio della moto mostra diversi tipi di connessioni saldate

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

 

Tipi di elementi utilizzati nelle strutture saldate

Le saldature sono un comodo processo di fabbricazione che utilizza il calore per collegare più parti, fondendo il materiale in una regione localizzata e fondendo i metalli di base che vengono uniti. Le saldature sono comuni sia nelle parti fuse spesse come i blocchi motore che nelle parti a pareti sottili come i telai delle automobili.

La simulazione è un metodo ampiamente utilizzato e consolidato per analizzare la resistenza e la durata di queste strutture saldate. Un attento sguardo al meshing delle saldature consente di calcolare con precisione la vita utile delle saldature e rappresentare la rigidità della struttura per l'analisi di crash o rumore, vibrazione e ruvidità (NVH).

Per l'analisi di strutture saldate viene generalmente utilizzata una combinazione di elementi solidi, a guscio e a trave.

Mentre gli elementi solidi possono essere utilizzati per modellare parti ingombranti prodotte da processi di fusione e forgiatura, gli elementi a guscio e trave sono convenienti per rappresentare geometrie a pareti sottili prodotte da operazioni di formatura, laminazione e trafilatura della lamiera. Collegando il cambiamento di curvatura negli elementi della trave e dello shell alle deformazioni, le sezioni sottili possono essere rappresentate convenientemente da modelli di dimensioni più piccole, ma estremamente precisi.

Saldature simulate come elementi shell ed elementi trave

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

 

Saldature in mesh e simulazione

Utilizzo di mesh strutturate e non strutturate per simulare saldature

La tecnologia di meshing per geometrie complesse a pareti sottili è progredita in modo significativo e ha reso possibili mesh strutturate, anche per geometrie complesse. In diverse applicazioni, il modello di deformazione e la variazione dei valori di deformazione hanno una direzione preferita che rende preferibili le mesh strutturate.  

Le mesh strutturate sono utili perché si ottiene una soluzione accurata e indipendente dalle dimensioni delle maglie con elementi relativamente più grandi rispetto alle mesh non strutturate. Ciò è particolarmente utile quando si valuta la durata di singole saldature. 

Rete strutturata vs non strutturata mostrata sulla geometria saldata

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

 

Perché simulare le saldature è una sfida

Una sfida particolare nell'analisi delle strutture saldate è la creazione e il meshing di saldature per l'analisi. Ad esempio, una tipica struttura del telaio automobilistico potrebbe contenere alcune migliaia di singole saldature a punti, mentre la struttura del telaio di un fuoristrada potrebbe contenere diverse dozzine di saldature.  

Ansys Mechanical consente agli utenti di creare e modellare saldature a punti e saldature in modo efficiente e automatizzato. Gli utenti possono creare rapidamente connessioni di saldatura a punti inserendo le posizioni delle saldature da sistemi CAD (Computer-Aided Design). Ciò include la capacità di controllare la rigidità delle singole saldature per una rappresentazione accurata. I pratici strumenti di mesh consentono di creare saldature con schemi di mesh corretti nelle posizioni delle radici di saldatura e nelle aree delle zone interessate dal calore, che sono fondamentali per prevedere la durata dell'affaticamento.

L'importanza della qualità delle maglie e della durata delle saldature

Le strutture saldate sono soggette a una varietà di condizioni di carico, compresi carichi variabili armonicamente o casualmente, serbatoi pressurizzati e depressurizzati, telai auto sottoposti ad accelerazione, frenata e dossi stradali.

Quando si valuta la durata delle saldature sotto tali carichi di fatica, si deve tenere conto del processo di saldatura che altera le proprietà del materiale di base. Il raffreddamento rapido del bagno di saldatura può aumentare la durezza, anche se con una duttilità inferiore. Anche le impurità durante il processo di saldatura possono essere dannose per la resistenza delle singole saldature. Per una previsione accurata della durata, è inoltre necessario tenere conto di quanto sopra e di eventuali deformazioni residue nel materiale di base dopo il processo di saldatura. 

Mantenere le zone interessate dal calore nelle connessioni di saldatura per i calcoli dell'affaticamento.

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

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Questi fattori possono essere considerati durante il calcolo della durata delle saldature utilizzando gli strumenti dell'affaticamento. Perché la previsione di vita è sensibile ai gradienti di sollecitazione nella zona termicamente alterata della saldatura, ed è essenziale che la maglia sia dimensionata in modo adeguato in questa regione.

Una rete quadrilatera strutturata è ideale in questi tipi di situazioni. È adatta per catturare la sollecitazione di picco sul punto di saldatura e sul steep stress gradient intorno alla regione. Mentre una dimensione di mesh graduata di forma regolare è ideale per valutare la durata delle saldature, i requisiti sono diversi per l'analisi della sicurezza negli incidenti. In questo caso, è preferibile una rete di dimensioni uniformi per l'efficienza computazionale.

Una dimensione della maglia mal classificata potrebbe aumentare il tempo di soluzione del solutore esplicito. Per l'analisi di crash e NVH, l'accurata rappresentazione della rigidità della saldatura è la più importante. Questo è essenziale per il calcolo accurato dell'assorbimento di energia da parte della struttura in carico dinamico di urto o modalità di frequenza naturale nell'analisi modale e armonica.

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Saldature di giunzione simulate con elementi esagonali per mantenere le posizioni delle radici e delle dita

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

 

Ansys Mechanical ha un netto vantaggio che consente la progettazione parametrica di strutture saldate. La capacità di rigenerare automaticamente le saldature con modifiche di progettazione migliora notevolmente la produttività. La comodità di generare mesh con impostazioni minime per crash, durabilità e flussi di lavoro NVH, insieme alla connettività senza soluzione di continuità ad Ansy nCode DesignLife per il calcolo della durata dell'affaticamento, crea un'esperienza di utilizzo potente.

Scopri di più nel nostro webinar on demand FEA Preprocessing Productivity Improvements di Ansys Mechanical.

Puoi anche seguire il corso Ansys Explicit Dynamics nell'Ansys Learning Hub.

 

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