PRINCIPALI TIPI DI ELEMENTO E LORO IMPIEGO

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1 CORSO DI COSTRUZIONI MECCANICHE II CLS ING. ELETTRICA PARTE II REV.: 01 DEL 02 MAGGIO 2005 PRINCIPALI TIPI DI ELEMENTO E LORO IMPIEGO

2 PRINCIPALI TIPI DI ELEMENTO 2D 3D ASTA TRAVE SOLIDO GUSCIO Pb. Piastra/guscio di Elasticità Travature piana Telai reticolari Piastra/guscio Pb. di Elasticità 3D 3D assialsimmetrico ili ti y z y

3 ALTRI TIPI COMUNI DI ELEMENTO GAP PIPE Pb. contatto Massa Tubazioni Molla Masse concentrate Elementi elastici

4 ELEMENTO ASTA/1 Travature reticolari piane e spaziali solo sforzo normale 2 nodi 2 o 3 g.d.l /nodo carichi applicabili solo nei nodi Car. geometriche: A

5 ELEMENTO ASTA/2 N 2 nodi N 2(3) g.d.l.. per nodo nel piano (spazio) F.ne di forma lineare N 11 =A 11 +B 11 j y Espressione nel S.R. elemento: i N 11 0 N N 0 N N 11 = (L-)/L N 13 = /L

6 ELEMENTO ASTA/3 OSSERVAZIONE: La soluzione ottenuta è esatta, nel senso che rappresenta senza errori lo stato di tensione/deformazione di un membro di una travatura reticolare. Elemento asta (L L ) v ( ) = vi + v L ( L ) ε = vi + v L j j L = L v j v L i = cost N ε = = cost Membro travatura reticolare EA v = v + ε L j ε = v j i v L i

7 ELEMENTO ASTA/4 - TRALICCIO Traliccio di sostegno per batterie di perforazione petrolifera. Questo Il modello tipo è di giustificabile strutture viene con: tradizionalmente bassa rigidezza flessionale trattato con delle modelli aste a travatura reticolare, assimilando giochi tra bulloni i nodi e fori a cerniere.

8 ELEMENTO ASTA/5 - TRALICCIO Nel fare il modello si escludono solitamente le aste che non hanno una funzione strutturale (rompitratta) Modello di calcolo

9 ELEMENTO ASTA/6 ALTRE STRUTTURE Peso copertura = 10 KN/m Briglia superiore Aste di Briglia inferiore parete 1.5 A=900 mm 2 A=450 mm

10 ELEMENTO ASTA/7 Sforzo normale Deformata Modello File di comandi: capriata_reticolare_piana.tt

11 ELEMENTO ASTA/8 Dati di input per l elemento asta 3D (8) di ANSYS

12 ELEMENTO ASTA/9 Accesso ai risultati per l elemento asta 3D Comando ETABLE ETABLE,N,SMISC,1! estrae la "forza normale" dal data base

13 ELEMENTO ASTA/10 Accesso ai risultati per l elemento asta 3D Comando ETABLE ETABLE,SN,LS,1! estrae il dato "tensione assiale" dal data base

14 ELEMENTO ASTA/11 Rappresentazione grafica risultati Comando PLETAB ETABLE,N,SMISC,1 PLETAB,N

15 ELEMENTO ASTA/12 Rappresentazione grafica risultati Comando PLLS ETABLE,N,SMISC,1 PLLS,N,N

16 ELEMENTO TRAVE/1 2D Telai piani 2 nodi 3gdl/nodo g.d.l carichi concentrati e distribuiti Car. geometriche: A, J, Il piano,y deve contenere: nodi carichi uno degli assi principali di inerzia i delle sezioni i

17 ELEMENTO TRAVE/2 3D Telai spaziali 2 (3) nodi 6 g.d.l /nodo carichi concentrati e distribuiti Car. geometriche: A, J zz, J yy, J, Il SR di elemento è definito per convenzione o con il 3 nodo Gli assi y e z locali devono Gli assi y e z locali devono coincidere con gli assi principali di inerzia della sezione

18 Trave: Elementi con piani: il nodo ogni si nodo vuole rappresentare lo stato di rappresenta un punto del spostamento continuo, tramite dell intera due sezione g.d.l. i y v i Ipotesi sezioni piane v iy 3 g.d.l. per nodo θ v v vy ( y) = v + θy = v y i ELEMENTO TRAVE/3 i = i θy v y = = i y

19 ELEMENTO TRAVE/4 Stato t di tensione/deformazione i implicitamente it t conseguente alla scelta di elementi trave: le deformazioni dovute al taglio sono trascurate le uniche componenti di tensione non nulle sono: 2D σ τ z 3D y τ y le σ hanno un andamento lineare nella sezione (formula di Navier) σ τ y σ y

20 y v v ELEMENTO TRAVE/5 yi θ yj v i θ j i v viy v i v j i L j { v ( ) } = θ v { e i } y U = v j θ v { ( )} [ ( )]{ jy e v = N U } θ j Piccoli spostamenti/deformazioni v () =f (v i, v j ) 1 2 condizioni per v () N = N = N = N 0 F.ni di forma lineari in = 1 vi + v j = N11vi + L L ( ) N v j v =

21 y v v ELEMENTO TRAVE/6 yi θ yj v i θ j i v viy v i v j i L j { v ( ) } = θ v { e i } y U = v j θ v d v jy y θ = θ j 4 condizioni per v y () v y () di 3 grado in ( ) d 2 3 = A + B + C + D v = ( ) y (0) viy θ 0 v y θ = B + 2C + 3D 2 v y ( L) = v jy θ ( L) = θ = i θ j

22 = θ L L L L L L v v i iy y θ 2 3 L L L L L L i iy y RAVE/ θ 2 3 L L L L L L v j jy EM. TR = θ θ v i iy ELE i v θ L L L L L i iy θ 0 0 N 0 0 N iy i v θ 6 6 L L L L L v j jy = i θ N N 0 N N N 0 0 N j y v v v v j θ N N 0 N N 0 θ jy v

23 ELEMENTO TRAVE/8 Oss.ne: la f.ne utilizzata per rappresentare lo spostamento della trave in direzione ortogonale al suo asse è una cubica. ( ) 2 3 = A + B + C D v y + T y = d 3 v ( ) y d 3 = costante Le f.ni di forma rappresentano correttamente punto per punto la deformata del tratto di trave solo nel caso di taglio costante. Negli altri casi la rappresentazione di spostamenti, deformazioni e tensioni nei punti interni è approssimata, con errore che decresce al diminuire delle dimensioni dell elementoelemento T=costante T non costante

24 ELEMENTO TRAVE/9 Esempio: trave appoggiata con carico uniformemente distribuito A=10 4 M ma = J=10 elementi 8 M ma =

25 ELEMENTO TRAVE/10 Esempio: trave appoggiata con carico concentrato A=10 4 J=10 8 M ma = M ma = elementi

26 ELEMENTO TRAVE/11 GRU A PONTE 3D Trave principale i Interasse ruote testata (e 1 ) =5 m Scartamento (S) =20 m Scartamento carrello = 2.5 m 200 Testata

27 ELEMENTO TRAVE/12 GRU A PONTE Fi ile di co omandi : GRU U_A_PO ONTE.t t Deformata Momento Taglio Z flettente (asse torcente Z locale) M y (asse Y X locale) ) Modello

28 ELEMENTO TRAVE/13 Dati di input per l elemento trave 2D (BEAM3) di ANSYS

29 ELEMENTO TRAVE/14 Caratteristiche di sollecitazione per l elemento trave 2D di ANSYS SR tradizionale per le caratteristiche di sollecitazione I z J SR usato da ANSYS per le caratteristiche di sollecitazione (Il SR è definito per ogni singolo elemento trave con senso di percorrenza dal nodo I al nodo J) y M Z I J y M N = MFORX Risultanti i di azioni i T agenti sul tratto di Y =-MFORY M asta a valle della X = MMOMZ sezione

30 ELEMENTO TRAVE/ = = 10 4 MFORY Segno del Taglio T M MMOMZ Posizione diagramma

31 ELEMENTO TRAVE/16 Effetto del senso di percorrenza dell elemento I y M Z 10 3 J J 10 3 M = = Z y I MFORZ MMOMZ MMOMZ MFORZ

32 ELEMENTO TRAVE/17 Dati di input per l elemento trave 3D (BEAM4) di ANSYS

33 ELEMENTO TRAVE/18 Car. sollecitazione trave 3D SR tradizionale per le caratteristiche di sollecitazione SR usato da ANSYS per le caratteristiche di sollecitazione (Il SR è definito per ogni singolo elemento trave con senso di percorrenza dal nodo I al nodo J) I y z N = MFORX T Y =MFORZ I T X =MFORY M X = MMOMY M Y = MMOMZ M Z = MMOMX y J Risultanti di azioni agenti sul tratto di asta a valle della sezione z J K

34 ELEMENTO TRAVE/19 I Effetto della posizione del nodo K I y y z J K z J K MMOMY MFORZ MMOMZ MFORY

35 ELEMENTO TRAVE/20 I Effetto del senso di percorrenza dell elemento J y z J I y K K z MFORZ MMOMY MFORZ MMOMY

36 ELEMENTO TRAVE/21 Accesso ai risultati per l elemento trave 3D Comando ETABLE Tensione fibra baricentrica Tensione fibra baricentrica ETABLE,NI,LS,1! Nodo I ETABLE,NJ,LS,6! Nodo J

37 ELEMENTO TRAVE/22 Accesso ai risultati per l elemento trave 3D Comando ETABLE Torsione ETABLE,MZI,SMISC,4! Nodo I ETABLE,MZJ,SMISC,10! Nodo J MFORX = Forza normale MFORY = Taglio y MFORZ = Taglio z MMOMX = Torsione MMOMY = Flessione y MMOMZ = Flessione z

38 ELEMENTO ASTA/12 Rappresentazione grafica risultati Comando PLLS ETABLE,MYI,SMISC,5 ETABLE,MYJ,SMISC,11 PLLS,MYI,MYJ Momento flettente M Momento flettente M y (asse Y locale)

39 ELEMENTO TRAVE/13 GRU A BANDIERA 500 2D CP Sez. braccio Φ 500 sp. 5

40 ELEMENTO TRAVE/14 GRU A BANDIERA File di comandi: GRU_A A_BANDIERA.tt

41 ASPETTI PARTICOLARI DEL MODELLO C*** C*** VINCOLI C*** D,1,ALL,0! incastro base colonna CP,1,UX,3,7! appoggio orizzontale inferiore colonna-braccio CP,2,UX,4,5! cerniera superiore colonna-braccio CP,3,UY,4,5

42 ELEMENTI PIPE /1 Serie di elementi per lo studio di sistemi di tubazioni ( piping ) in 2 o 3 dimensioni tubo rettilineo: elemento trave con un apposita definizione dei parametri geometrici (diametri invece di A, J, etc.)

43 tubo curvilineo: elemento con una speciale definizione della matrice di rigidezza, che tiene conto del basso rapporto tra raggio di curvatura e diametro elementi speciali: finalizzati a rappresentare correttamente la rigidezza di molti componenti tipici ( T, valvole, etc.)

44 ELEMENTI PIPE /3 Elemento tubo curvo - PARAMETRI RILEVANTI PER FLESSIBILITA r = average radius R = radius of curvature E = modulus of elasticity t = thickness Fattori di variazione della flessibilità (Fleibility factors: relazioni semi-empiriche di best-fit ): ANSYS Fleibility Factor = 1.65/(h(1 + PrX k /te)) or 1.0 (whichever is greater) Karman Fleibility Factor = ( h 2 )/(1 + 12h 2 ) Fattore di intensificazione delle tensioni= 0.9/h 2/3 or 1.0 (whichever is greater) h = tr/r 2 P = P i -P o if P i -P o > 0, otherwise P = 0, P i = internal pressure, P o = eternal pressure X k = 6 (r/t) 4/3 (R/r) 1/3 if KEYOPT(3) = 1 and R/r 1.7, otherwise X k = 0

45 ELEMENTI PIPE /3 P = 100 N s = 2 mm D = 40 mm Estremità incastrata Struttura tubulare con curvatura, RC = 100 mm 300 mm 500 mm Z Y X Z Y X Modello con elementi Pipe e Beam Modello 3D completo (shell)

46 ELEMENTI PIPE /4 Risultato esatto (Modello 3D completo) TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MX U Modello 3D (shell) completo Y Z X MN TIME=1 SX (AVG) RSYS=0 DMX = SMN = SMX = MN Tensione MX

47 ELEMENTI PIPE /4 Risultato esatto : Spost. ma.= mm Tensione ma. = MPa TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX = SMX = Spost. ma. = mm Tensione ma. = MPa MX Beam 10 elementi Y MN Z X

48 ELEMENTI PIPE /4 Risultato esatto : Spost. ma.= mm Tensione ma. = MPa TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX = SMX = Spost. ma. = mm Tensione ma. = MPa MX U Beam 100 elementi Y MN Z X

49 ELEMENTI PIPE /4 Risultato esatto : Spost. ma.= mm Tensione ma. = MPa TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX = SMX = Spost. ma. = mm Tensione ma. = MPa MX U Pipe ANSYS fleibility Y MN Z X

50 ELEMENTI PIPE /4 Risultato esatto : Spost. ma.= mm Tensione ma. = MPa SUB 1 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX = SMX = Spost. ma. = mm Tensione ma. = MPa MX U Pipe Karman fleibility Y MN Z X

51 Dimensioni espresse in metri Il modello rappresenta i tratti di tubazione di colore blu ed i 2 vessel File comandi: piping.tt

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53 ASPETTI PARTICOLARI DEL MODELLO COEFFICIENTE CARICHI DOVUTI DI A DILATAZIONE VARIAZIONI DI TERMICA TEMPERATURA C*** C*** MATERIALE CARICHI C*** C*** acciaio tubazione ino olio C*** MP,EX,1, TREF,20! temperatura di montaggio MP,ALPX,1, NSEL,,NODE,,1,10 NODE ! coefficiente i di dilatazione i termica C*** BF,ALL,TEMP,200! temperatura di lavoro C*** acciaio ferritico C*** tubazione benzina MP,EX,2, C*** MP,ALPX,2, NSEL,,NODE,,11,18! coefficiente di dilatazione termica BF,ALL,TEMP,400! temperatura di lavoro

54 ELEMENTI PIANI/1 Esempi di zone di transizione Problemi di elasticità piana 4 (3) nodi 2 g.d.l /nodo tre classi di problemi: stati piani di tensione ( plane stress ) stati piani di deformazione ( plane strain ) stati assialsimmetrici ( ai-symmetric stress/strain )

55 Rispetto all elemento triangolare è possibile Superficie scrivere rigata: 4 condizioni ogni (invece di 3) per ciascuna delle f.ni di sezione forma con piani =cost mostra una variazione l lineare con y e viceversa i j k N11( i, yi ) = 1 N11 ( j, y j ) = 0 N 11 N11( k, yk ) = 0 N11( l, yl ) = 0 N 1 Per tale motivo, le f.ni di forma possono o avere e una formulazione o a 4 parametri, che include un termine di 2 grado ( y ) = A + B + C y D y N11, i y l j k

56 Andamento tensioni/deformazioni = v ε = y v y ε y ( ) y D y C B A y N lm lm lm lm lm =, + = v y v y γ y + = + = d c y b a ε ε + + = + y g f e d c y y γ ε

57 ELEMENTI PIANI/2 Stati piani di tensione: sono caratterizzati dall avere una delle componenti principali di tensione identicamente nulla si verificano tipicamente i t in corpi piani, i di spessore piccolo rispetto alle altre dimensioni caratteristiche del problema, caricati nel loro piano medio. y y z σ z = τ z = τ yz σ, σ, τ y y = 0 0

58 Il modello giace sul piano -y e rappresenta il piano medio (a metà spessore) della struttura. I carichi possono essere sull intero spessore o per unità di spessore. 180 R10 60

59 ELEMENTI PIANI/3 Stati piani di deformazione: sono caratterizzati dall avere una delle componenti principali di deformazione identicamente nulla si verificano tipicamente i t in corpi di spessore grande rispetto alle altre dimensioni caratteristiche del problema. ε z = γ z = γ ε, ε y, γ y yz 0 = y z ε z =0

60 Il modello giace sul piano -y e rappresenta una sezione, eseguita con un piano ortogonale all asse z, della struttura. I carichi sono per unità di spessore. y z

61 Stati assial-simmetrici si verificano in corpi di geometria assial-simmetrica simmetrica (ottenibile per rotazione di una sezione attorno ad un asse fisso ζ) caricati con carichi che presentano lo stesso tipo di simmetria. fissato un SR cilindrico ρ, θ, ζ, per simmetria lo stato di tensione/deformazione risulta indipendente da θ e le componenti di spostamento in direzione circonferenziale (θ) risultano nulle: il problema può di conseguenza essere studiato come piano. ζ ζ ζ Provino cilindrico intagliato soggetto a trazione ρ θ Recipiente cilindrico soggetto a pressione interna

62 Il modello deve rappresentare una sezione del corpo fatta con un piano passante per l asse di simmetria (in ANSYS, l asse di simmetria e la direzione radiale devono coincidere rispettivamente con l asse Y e l asse X del SR cartesiano globale).

63 Volume rappresentato dall elemento ε ε y = v v y = y v = y v = vy + Rispetto al caso plane stress è necessario aggiungere una componente di deformazione/tensione γ y [ L] ε θ 0 = y 1 0 y 0

64 Esempio di applicazione

65 Modello geometricamente identico File di comandi:analisi_piana_intaglio.tt

66 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/1 Gusci aventi geometria assialsimmetrica soggetti a carichi Gusci aventi geometria assialsimmetrica, soggetti a carichi assialsimmetrici 2 nodi 3 g.d.l /nodo(v, v y e θ z )

67 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/2

68 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/2

69 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/2

70 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/3 La costruzione di [K e ]sibasa sull ipotesi di Kirchoff-Love: una i linea retta normale al piano medio tracciata t sul corpo prima della deformazione, risulta ancora rettilinea v iy ed ortogonale al piano medio deformato dopo la deformazione y v i Possibile ricostruire lo spostamento di ogni punto dello spessore in base a spostamenti e rotazioni idl del piano medio. θ v v y ( y ) = v + θ y = v y i i = i θy v y = = i y

71 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/4 Limiti di validità ipotesi Kirchoff-Love: spessore << altri parametri geometrici R θ s Componenti strutturali che possano essere assimilati a gusci o piastre sottili di geometria assialsimmetrica s << R, θ Ry Mat. isotropi s < 0.1R, θ R y R θ s

72 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/5 Stato di tensione/deformazione implicitamente conseguente alla scelta di elementi guscio assialsimmetrico: le deformazioni dovute al taglio sono trascurate rate le uniche componenti di tensione non nulle sono: Y (assiale) X (R) le σ hanno un andamento lineare nello spessore σ y

73 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/6 Il modello rappresenta una sezione del Il modello rappresenta una sezione del corpo con un piano passante per l asse. I nodi sono posizionati sul piano medio.

74 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/7 Cilindro di piccolo spessore Cilindro di forte spessore Elementi guscio assialsimmetrico Elementi piani assialsimmetrici

75 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/8 Esempio : recipiente i in pressione in parete sottile Ipotesi: bocchelli e penetrazioni considerate a parte effetti trascurabili del peso proprio

76 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

77 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

78 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

79 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

80 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

81 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

82 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/9 File di comandi: REC PRESS_SOTT.tt

83 ELEMENTO GUSCIO ASSIALSIMMETRICO/10 ASPETTI PARTICOLARI DEL MODELLO ETABLE,SLT,LS,1! estrae il dato "tensione longitudinale" (TOP) ETABLE,SLM,LS,5! MID ETABLE,SLB,LS,9 LS! BOTTOM ETABLE,SCT,LS,3! estrae il dato "tensione circonferenziale" (TOP) ETABLE,SCM,LS,7! MID ETABLE,SCB,LS,11 LS! BOTTOM ETABLE,STT,LS,2! estrae il dato "tensione taglio spessore" (TOP) ETABLE,STM,LS,6! MID ETABLE,STB,LS,10 LS! BOTTOM SADD,SLF,SLT,SLM,1,-1! calcola la tensione flessionale longitudinale SADD,SCF,SCT,SCM,1,-1! calcola la tensione flessionale circonferenziale

84 ELEMENTI SOLIDI 3D ( BRICK ) Problemi di elasticità 3D: 8 nodi 3 g.d.l /nodo

85 Tetraedro: 4 nodi F.ne di forma: A+B+Cy+Dz Deformazioni/tensioni costanti Esaedro: 8 nodi F.ne di forma: A+B+Cy+Dz+Ey+Fyz+Gz+Hyz Deformazioni/tensioni variabili linearmente

86 Approccio per sottostrutture ( submodelling ) Stato di tensione spesso fortemente dipendente da parametri geometrici locali (es. raggi di raccordo). 70

87 L analisi richiederebbe pertanto mesh localmente molto infittiti (elementi piccoli rispetto ai parametri geometrici locali). Questo tende a rendere il modello complessivamente molto complesso da costruire (inclusione di tutti i dettagli geometrici) e pesante dal punto di vista computazionale (numero enorme di gdl)

88 Possibile alternativa: approccio per sottostrutture Fase 1: viene costruito un modello relativamente grossolano della struttura, privo dei dettagli geometrici, e vengono applicati carichi e vincoli

89 Fase 2: viene costruito un modello molto infittito che rappresenta la sola zona attorno al dettaglio geometrico (sottomodello)

90 Fase 3: il modello grossolano viene impiegato per calcolare lo stato di spostamento dei nodi giacenti sulle superfici esterne del sottomodello Spostamenti calcolati per interpolazione. p p p Valori accurati, purché le dimensioni del sottomodello siano grandi rispetto al dettaglio

91 Fase 4: gli spostamenti stimati sulla superficie sono imposti al sottomodello come condizione di carico, valutando il relativo stato di tensione

92 E possibile passare da un modello fatto con elementi piani o con elementi guscio ad un sottomodello 3D.

93 Esempio : staffa sospensione di scooter in lega di alluminio

94 Telaio di prova Braccio di flessione Provino PROVE IN PIENA SCALA Afferraggio fisso Cuscinetto assiale orientabile a semplice effetto Cella di carico Zona rottura Attuatore idraulico

95 MODALITÀ DI ROTTURA M f M t =0.5 M f R=0.1 Flesso-torsione Flessione

96 ANALISI AD ELEMENTI FINITI APPROCCIOO A SOTTOSTRUTTURE

97 RISULTATI Zona di innesco della rottura Prevista Effettiva orsione lesso-to Fl ssione Fles

98 RISULTATI Cicli a Rottura 1.E+06 ra previsti 1.E+05 Fattore 2 i cicli a rottu N di 1.E+04 Flessione Flesso-torsione 1.E+03 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 N di cicli a rottura sperimentali