Si chiama NEiWorks ed è il primo

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1 Simulazione g Giancarlo Sada Analisi FEM Uno strumento alla portata di tutti Grazie alla stretta integrazione delle funzionalità di analisi mediante il metodo agli elementi finiti nell ambiente di progettazione, un utente di SolidWorks può impostare ed eseguire le verifiche progettuali senza abbandonare il sistema a lui familiare. L apertura e la scalabilità di NEiWorks permettono di utilizzare gli stessi dati per svolgere analisi con i solutori Nastran Si chiama NEiWorks ed è il primo di una famiglia di prodotti di Noran Engineering volti a fornire un integrazione efficiente tra l ambiente di progettazione e gli strumenti di analisi basati sul solutore Nastran. All interno di SolidWorks e con lo stesso «look and feel», il progettista può svolgere un flusso di analisi con una modalità di interazione analoga a quella con cui viene svolta la progettazione. Le informazioni per l esecuzione della simulazione integrano il database progettuale proprio di SolidWorks: in esso vengono salvate le condizioni al contorno, le proprietà dei materiali, le forze e i vincoli, il tipo di analisi e la connettività della mesh, in modo che una nuova simulazione o un suo sottocaso possano essere eseguiti senza dover ripetere I risultati dell analisi, in questo caso lo stress equivalente di Von Mises, possono essere rappresentati come curve di livello sul modello geometrico visualizzato in modalità realistica. 64 operazioni o inserire nuovamente dei dati. L esperienza svolta con SolidWorks permetterà in futuro, nei piani di Noran Engineering, di fornire funzionalità equivalenti per i sistemi CAD della stessa fascia, tra cui SolidEdge, Autodesk Inventor e IronCAD. Per consentire ai progettisti di usufruire di queste tecniche senza dover essere degli esperti di analisi, sono disponibili degli automatismi che coprono, in particolare, la fase di creazione della mesh. Grazie a una specifica opzione, il modello di analisi viene ricalcolato ogni volta che si interviene sulla geometria, in modo rapido e con un algoritmo adattivo che infittisce la griglia nei punti critici, quali i raccordi o i fori. In aggiunta, il sistema lascia la possibilità di aggiornare la mesh in modo globale o locale nei casi in cui lo si ritenga necessario. La tecnologia disponibile in NEiWorks permette di svolgere analisi sofisticate operando con tecniche e algoritmi che rappresentano lo stato dell arte e uno standard industriale de facto. Ciò nonostante, la strategia commerciale di Noran Engineering colloca questo prodotto nella fascia bassa del mercato, con l inil progettista industriale

2 L algoritmo per la creazione delle mesh provvede a infittire la griglia nelle zone che presentano fori, cavità o raccordi. Una specifica opzione permette di aggiornare automaticamente il modello di analisi dopo ogni modifica alla geometria. Il parametro dimensionale globale che caratterizza la creazione della mesh, calcolato automaticamente in base alle caratteristiche della parte sotto analisi, può essere alterato attraverso un apposito dialog-box. tento di entrare nella piccola e media impresa. L obiettivo tecnico dell azienda è quello di fornire all interno di NEiWorks un sistema FEM completo, in grado di sfruttare l intera libreria delle soluzioni NEiNastran per consentire, per esempio, l esecuzione di calcoli nonlineari, considerare le plasticizzazioni, definire parti in materiali compositi e adottare tecniche di riduzione. Queste metodologie, in qualche caso, escono dallo spettro di intervento del progettista e permettono a un analista esperto una perfetta integrazione con le restanti fasi del flusso progettuale. Le analisi disponibili al momento, che comprendono quelle statiche lineari, le deformazioni, lo stress termico, l instabilità elastica e le frequenze naturali, saranno integrate nelle successive versioni con il calcolo nonlineare, la plasticizzazione dei materiali, l analisi transitoria e la risposta in frequenza. L apertura e la scalabilità di NEiWorks permettono di adottare anche flussi alternativi, che sfruttano la compatibilità con l ambiente Nastran, tra cui NEiNastran, NX Nastran e MSC. Nastran. È possibile, per esempio, sia esportare esclusivamente la mesh per l esecuzione di un analisi o per associarla alla fornitura della progettazione a terze parti, sia caricare i risultati ottenuti con un solutore Nastran sul modello presente in SolidWorks. Queste possibilità, nell offerta di Noran Engineering, sono da considerarsi standard e non rappresentano delle integrazioni al pacchetto base. In NEiWorks il progettista ha la possibilità di utilizzare anche elementi di tipo piastra e monodimensionali, per meglio caratterizzare la tipologia dell oggetto che intende analizzare. Un solido di piccolo spessore (a) può essere schematizzato mediante elementi TETRA (b) o modellato con elementi piastra (c). 65

3 Software L utente può accedere alla vasta libreria dei materiali Nastran o definirne di propri specificando un insieme di dati nell apposito dialog-box. I materiali, raggruppati in un ramo dell albero dell analisi, possono essere assegnati a una delle parti con un operazione di drag-and-drop. Un vincolo è specificato attraverso le informazioni relative ai gradi di libertà per le traslazioni e le rotazioni nelle diverse direzioni e alle condizioni di simmetria. Una volta definito, può essere utilizzato in tutti i sottocasi presenti all interno del sistema. 66 Preparazione dell analisi L utente accede alle funzionalità di NEiWorks attraverso un pannello aggiunto a quelli di SolidWorks. L albero mostrato include tutte le informazioni associate all esecuzione dell analisi. Nella prima diramazione, relativa all assieme, sono inseriti gli scenari (o sottocasi) di analisi, mentre le successive ramificazioni racchiudono i dati necessari per prepararne lo svolgimento: i materiali, le proprietà fisiche, i vincoli, i carichi e la definizione dei contatti. La creazione di una nuova analisi avviene aggiungendo una diramazione al nodo dell assieme. Specificato il nome e il tipo, un ulteriore informazione fondamentale a questo livello è l unità di misura: il progettista può scegliere tra vari sistemi di unità (sistema internazionale [m-k-s], sistema internazionale modificato [mm-t-s], unità imperiali), con la certezza che tutte le informazioni pertinenti, per esempio le proprietà dei materiali, sono trasformate automaticamente in un sistema di unità congruente. Successivamente, la geometria deve essere «discretizzata» attraverso la creazione di un modello adatto all analisi mediante il metodo agli elementi finiti. Ciò avviene selezionando la relativa voce nel menu sensibile al contesto associato alla geometria nell albero delle analisi. Il comportamento di default è quello di considerare la parte come un solido e di utilizzare elementi tetraedrici, con un algoritmo che provvede automaticamente a infittire la griglia nelle zone che presentano delle cavità o dei raccordi, mentre gli elementi assumono una dimensione più grande nelle zone con maggiore regolarità. Il parametro dimensionale globale, calcolato automaticamente in base alle caratteristiche della parte sotto analisi, può essere alterato attraverso un apposito dialog-box, dove è riportato anche il conteggio globale degli elementi. Aggiornando la dimensione, per esempio riducendola per aumentare la precisione dei risultati, NEiWorks ricalcola la mesh, anche in automatico, grazie all apposita opzione. I ridotti tempi di calcolo permettono di mantenere attiva questa opzione anche durante la fase di progettazione. Oltre a intervenire in modo globale sul modello, il progettista può anche richiedere delle alterazioni locali indicando punti, curve o superfici: tutti gli elementi che si affacciano sull entità selezionata sono aggiornati, cercando di rispettare le condizioni richieste dal progettista e di mantenere minime le distorsioni degli elementi, la cui irregolarità, come noto, è una delle principali cause della riduzione della qualità dei risultati. Oltre alla discretizzazione attraverso elementi tetraedrici (di ordine lineare o parabolico), molto popolare negli strumenti FEA integrati nei sistemi CAD, in NEiWorks il progettista ha la possibilità di utilizzare anche elementi di tipo piastra e quelli mono-dimenil progettista industriale

4 Il solutore viene invocato dal menu sensibile al contesto dell albero delle analisi. SolidWorks si mette in attesa che l esecuzione sia completata per poter caricare i risultati. sionali, per meglio caratterizzare la tipologia dell oggetto che si intende analizzare. Questa indicazione, fornita assegnando una proprietà fisica, permette di migliorare la qualità dei risultati nel caso di parti con specifiche caratteristiche. Gli elementi di tipo piastra sono indicati nel caso di oggetti sottili, assegnando alla superficie uno spessore uniforme. Per un elemento mono-dimensionale, viene indicata la connessione tra due punti e la forma della sezione, per desumere le proprietà di resistenza, rigidezza e massa. Le condizioni al contorno Il modello di analisi rappresenta una invariante rispetto alle diverse condizioni in cui l oggetto viene analizzato: ciascuna di esse costituisce un sottocaso ed è rappresentata in una specifica diramazione dell albero. I diversi sottocasi possono essere attivati in modo puntuale a seconda delle esigenze. In questo modo viene mantenuta la storia di calcolo, che potrà essere svolto una sola volta per tutte le condizioni, pur lasciando distinti i diversi risultati. Le proprietà dei materiali possono essere assegnate prelevandone le caratteristiche salienti da una libreria oppure definirle contestualmente specificando un insieme minimo d informazioni, quali la densità, il modulo di Young e il coefficiente di Poisson, che potrebbero essere sufficienti per un analisi strutturale. È da sottolineare la possibilità offerta all utente di accedere alla vasta libreria dei tipi di materiale Nastran, che comprende, per esempio, i compositi e gli ortotropi. Tutti i materiali disponibili sono raggruppati in un apposito ramo nell albero di NEiWorks: l utente può selezionarne uno e trascinarlo su una delle parti del modello di calcolo per creare la relativa associazione. In alternativa, dal menu sensibile al contesto si può attivare un dialog-box da cui prelevare il materiale prescelto e modificare le caratteristiche del materiale assegnato, secondo lo schema precedentemente descritto. Procedure analoghe a quelle per la definizione dei materiali sono disponibili per l indicazione dei carichi e dei vincoli, applicati alle entità da selezionare secondo i formalismi propri di SolidWorks. Un carico è definito compilando un insieme di campi, associati all entità evidenziata nell area di lavoro. Viene indicato il tipo di carico, la forza, la direzione e l intensità, in un unità di misura congruente a quanto specificato al momento della definizione dell analisi. In modo analogo, un vincolo è definito attraverso le informazioni relative ai gradi di libertà per le traslazioni e le rotazioni nelle diverse direzioni e alle condizioni di simmetria. Vincoli e carichi, rappresentati graficamente sul modello, sono raggruppati in altrettanti rami dell albero dell analisi e possono essere trascinati nel sottocaso in cui si intendono applicare. Questo approccio permette di riutilizzare informazioni già fornite al sistema in diverse situazioni, senza necessità di ripetere le specifiche per nuove analisi, situazione che spesso si evidenzia in altri strumenti basati su un approccio a wizard. L introduzione di un nuovo sottocaso richiede semplicemente l aggiunta di un nuovo ramo, dove al modello di calcolo sono applicabili carichi, vincoli e materiali attraverso il trascinamento delle informazioni precedentemente preparate. 67 Esecuzione dell analisi Specificati tutti i dati, il progettista può attivare l esecuzione dell analisi dal menu sensibile al contesto. I sottocasi attivi sono passati al solutore per il loro svolgimento, ottenuto attraverso l inil progettista industriale

5 Software SCHEDA TECNICA Sistema: NEiWorks 1.1 Produttore: Noran Engineering Inc. California USA Distributore: SmartCAE S.r.l. Piazza della Gualchierina, Prato Tel Fax URL: info@smartcae.com; info@noraneng.com Requisiti minimi di sistema: PC Pentium IV 2 GHz, 1 Gbyte di RAM, sistema operativo Windows 2000/XP Professional, scheda grafica con supporto OpenGL, SolidWorks2003 o superiore. I risultati dell analisi sono caricati automaticamente al termine dell esecuzione. La visualizzazione può essere ruotata come un normale modello tridimensionale. vocazione di un eseguibile esterno. Durante questo processo, in un apposita finestra sono riportati i passi principali, mentre SolidWorks rimane in attesa che venga restituito il controllo. Utilizzando uno dei flussi alternativi descritti nel seguito, è possibile generare esclusivamente la mesh e il file di controllo dell analisi e procedere con l attività di progettazione nell ambiente CAD. Il solutore crea un file di monitoraggio dell esecuzione, che può essere utilizzato per diagnosticare eventuali problemi. In esso sono elencate tutte le sotto-operazioni che ne costituiscono l esecuzione, dalla generazione delle matrici, al tipo di solutore, alla memoria utilizzata. In base a quanto riportato, è possibile desumere la natura di un eventuale problema, che potrebbe essere, per esempio, l assenza di un vincolo o l incompleta specifica di un collegamento tra parti, che rende il sistema labile, per cui il solutore statico non è in grado di produrre risultati. Al termine dell esecuzione i risultati sono automaticamente caricati nell ambiente di SolidWorks. La loro visualizzazione si basa su modelli o template, concepiti per evidenziare un particolare effetto, tra cui le deformazioni, la massima tensione principale, gli spostamenti, ecc. Questi template, disponibili sotto forma di libreria, posso essere trascinati dallo specifico nodo dell albero delle analisi nel sottocaso in cui tali valori devono essere analizzati. La rappresentazione grafica, basata su mappe di colore o su linee di contorno visualizzate contestualmente sul modello, è mostrata nell area di lavoro di SolidWorks. La scala della mappa di colore utilizzata per mostrare i risultati dell analisi prescelta può essere alterata per localizzare zone di picco; se il valore massimo è difficilmente individuabile sul modello, è sufficiente ridurre la scala in modo che la zona risalti immediatamente. Il progettista può intervenire per definire il criterio utilizzato per la visualizzazione dei risultati. È possibile selezionare tra una computazione svolta rispetto al centro dell elemento o sul nodo del tetraedro; in quest ultimo caso, i valori possono essere mediati tra gli elementi che convergono sul nodo secondo diverse modalità. Questo è un esempio delle funzionalità che maggiormente si avvicinano a un sistema di analisi FE dedicato, che nel caso di NEiWorks fanno la loro comparsa in un prodotto integrato in un sistema CAD. Modifiche progettuali Uno degli aspetti più interessanti della disponibilità di un sistema FEA integrato in un ambiente di progettazione CAD è la gestione delle modifiche incrementali e l analisi di diverse opzioni 68

6 Alterando la scala della mappa di colore utilizzata per mostrare i risultati dell analisi si possono localizzare facilmente zone di picco. progettuali per un componente. Se i risultati evidenziano la necessità di intervenire sulla geometria CAD, il progettista può apportare le variazioni che ritiene opportune e richiedere esplicitamente l aggiornamento della mesh o attivare l opzione perché la stessa operazione sia svolta automaticamente. Da un punto di vista pratico, potrebbe essere più efficiente utilizzare quest ultima opzione quando devono essere svolti gli ultimi aggiustamenti, evitando cicli computazionali su un modello troppo preliminare. Le modifiche apportate non influenzano, solitamente, le condizioni al contorno già specificate, a meno di intervenire in modo fondamentale sulla struttura del componente. Facendo riferimento alla nomenclatura tipica di SolidWorks, se non vengono modificati gli identificatori delle entità, i vincoli e i carichi sono riportati automaticamente sul modello aggiornato. Nel caso in cui ciò non fosse possibile, NEiWorks segnala l anomalia indicando che le entità non sono più presenti ed è necessario ridefinirle. L esecuzione dell analisi e la generazione dei nuovi risultati chiude così il ciclo progettuale. Analisi di assiemi In NEiWorks l analisi può essere estesa agli assiemi, verificando così il comportamento di più elementi o come la geometria di una parte modifichi le prestazioni di tutto l assieme. Ciò è reso possibile dalla disponibilità del concetto di contatto, gestito dal sistema in modo molto semplificato per ridurre la complessità di questa fase, spesso considerata uno «scoglio» all analisi di assiemi. I passi preliminari di preparazione del modello e delle condizioni al contorno, descritti in precedenza nel caso di parti singole, rimangono invariate, con l unica eccezione che la mesh deve essere creata per ciascuna delle geometrie, eventualmente utilizzando parametri diversi. Nel caso in cui per una parte dell assieme la mesh dovesse essere già stata creata e ottimizzata, questa risulta già presente nell albero delle analisi. In particolare, il modello finale può essere composto da mesh disomogenee, combinando, per esempio, mesh solide a tetraedri con altre ottenute attraverso l uso di elementi piastra. A ciascuna parte può, inoltre, essere assegnato un materiale diverso. Per semplificare la specifica di queste informazioni o l indicazione dei vincoli, la mesh di ciascuna parte può essere eliminata dalla rappresentazione agendo sulla relativa opzione di visualizzazione. La definizione dei contatti permette di indicare come il carico debba essere trasferito tra le diverse parti e avviene sfruttando la tecnologia delle superfici di contatto tipica di NEiNastran. Per semplificarne la gestione attraverso NEiWorks, tutti i parametri sono racchiusi in un dialog-box che raggruppa le informazioni richieste all utente: nella parte superiore sono stabilite le caratteristiche del contatto (tipologia, tipo di penetrazione, grado di rigidità, coefficiente di attrito, ecc.), seguite dall indicazione delle superfici coinvolte, evidenziate contestualmente sul modello. In base alle proprietà del contatto, è possibile catalogare le superfici coinvolte come master o come slave. Flussi alternativi Il flusso operativo descritto precedentemente è solo una delle modalità operative permesse dalla combinazione di 69

7 Software NEiWorks col solutore Nastran. In diverse aziende è prassi comune suddividere la fase di progettazione da quella di analisi: in questo caso, con NEiWorks è possibile generare esclusivamente la mesh e trasferire i dati all analista per la prosecuzione dell attività. Ciò può avvenire sempre con NEiWorks oppure, vista la specificità dell operatore e le caratteristiche di apertura e scalabilità, in un altro prodotto compatibile, per esempio il Nastran Editor. In base a quanto già svolto, potrebbe essere sufficiente caricare la La definizione dei contatti tra le diverse mesh di un assieme avviene sfruttando la tecnologia delle superfici di contatto tipica di NEiNastran. Per semplificarne la gestione attraverso NEiWorks, tutti i parametri sono racchiusi in un dialog-box che raggruppa le informazioni richieste all utente. ba- s e dei risultati mesh e le condizioni al contorno e lanciare l analisi. In altri casi, è possibile provvedere al raffinamento della mesh, cambiare le caratteristiche del materiale o intervenire su vincoli, carichi e definizione delle superfici di contatto, per aumentare il grado di accuratezza dell analisi, in integrazione a quanto già svolto in NEiWorks o in modo completamente svincolato dall ambiente CAD. È possibile ipotizzare anche alcuni percorsi di verifica. In un primo caso, un progettista junior può trasferire il data- I dati prodotti con NEiWorks possono essere riutilizzati in altri prodotti compatibili della famiglia Nastran. Se necessario, un analista può utilizzare la mesh e le condizioni al contorno preparate dal progettista e proseguire con verifiche di dettaglio senza dover ripetere le attività già svolte. perché possano essere caricati in SolidWorks e analizzati da un progettista esperto, che possa confermare la bontà dei risultati ottenuti e del relativo progetto. Una seconda possibilità è rappresentata dal trasferimento dei risultati generati da NEiWorks a un analista, che possa analizzarli con Nastran Editor, senza la necessità di disporre di un sistema CAD. La possibilità di produrre esclusivamente la mesh dell oggetto in corso di progettazione permette anche di soddisfare un requisito delle aziende che sub-appaltano le attività di progettazione: sempre più spesso la fornitura non è limitata al database CAD della parte, ma include la sua mesh. 70