Procedure di calcolo implicite ed esplicite

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1 Procedure di calcolo implicite ed esplicite Il problema della modellazione dell impatto tra corpi solidi a medie e alte velocità. La simulazione dell impatto tra corpi solidi in caso di urti a media velocità, da 100 m/s a 300 m/s, o a elevata velocità di impatto (oltre 1000 m/s) richiede la formulazione di modelli FEM adeguati e la scelta di un solutore che consenta di arrivare a una soluzione corretta, dal punto di vista ingegneristico, in tempi non eccessivamente lunghi. La simulazione numerica dell impatto tra solidi a medie velocità (ad esempio la velocità delle sfere utilizzate nella pallinatura varia tra 80 m/sec e 120 m/sec) può essere affrontata tramite i due algoritmi di calcolo implicito ed esplicito, entrambi attualmente implementati nella maggior parte dei programmi ad elementi finiti commerciali. Nell algoritmo di calcolo implicito si utilizza un metodo di calcolo step by step in cui un opportuno criterio di convergenza (ad esempio il criterio dell half step residual proposto da Hibbitt e Karlsson nel 1979) permette di proseguire o meno l analisi, eventualmente riducendo l incremento di tempo, a seconda dell accuratezza dei risultati al termine di ogni step.

2 Con l utilizzo del metodo esplicito non si presentano invece eventuali problemi di non convergenza ad una soluzione finita, dato che in questo caso l analisi non è condizionata da un criterio di convergenza e l incremento di tempo viene definito all inizio dell analisi e rimane costante durante il calcolo. Nella realizzazione del modello ad elementi finiti occorre tenere conto delle modalità con cui avviene l impatto e il tipo di analisi deve essere scelto accuratamente, dato che i vantaggi che possono derivare sia da una mirata modellazione agli elementi finiti sia dalla scelta del metodo di calcolo più efficace sono spesso notevoli sia in termini di tempo di calcolo sia di accuratezza dei risultati. E quindi necessario valutare criticamente i criteri di modellazione, di scelta del metodo di calcolo e di analisi dei risultati, per la simulazione dell impatto a media o alta velocità (in particolar modo per modelli FEM realizzati con elementi finiti tridimensionali).

3 Impostazione di analisi numeriche implicite Con il metodo di calcolo implicito è possibile definire un incremento di tempo fisso oppure adottare una procedura automatica che consente di aumentare o diminuire l incremento di tempo a seconda dei problemi di convergenza incontrati durante il calcolo (automatic time stepping). Il contatto tra i corpi viene schematizzato tramite elementi di contatto (elementi GAP ) a cui è possibile assegnare una rigidezza, uno smorzamento e un coefficiente di attrito che il programma assegna alle superfici che entrano in contatto. Spesso con solutori impliciti si riscontrano problemi di non convergenza ad una soluzione finita e di tempi di calcolo elevati anche con modelli aventi un basso numero di gradi di libertà. Questo problema si sente maggiormente nel caso in cui il materiale dei corpi che impattano ha comportamento non lineare.

4 Nell algoritmo di calcolo implicito (se si utilizza ad esempio il modello di Newmark per l integrazione rispetto al tempo) se lo step temporale attuale è n, la stima della equazione di moto al tempo n+1 è: ext Ma ' n+ 1 + Cv' n+ 1+ Kd ' n+ 1 = F n+ 1 (1) in cui: M = matrice di massa della struttura C = matrice di smorzamento della struttura K = matrice di rigidezza della struttura F ext n+1= vettore dei carichi esterni applicati alla struttura (allo step n+1) a n+1 = stima delle accelerazioni allo step n+1 v n+1 = stima delle velocità allo step n+1 d n+1 = stima degli spostamenti allo step n+1 La stima degli spostamenti e delle velocità allo step n+1 viene formulata come segue ( t è lo step temporale): d n+1 = d * n+β a n+1 t 2 (2) v n+1 = v * n+γ a n+1 t (3)

5 β e γ sono delle costanti. d * n e v * n sono i valori degli spostamenti e delle velocità calcolati allo step temporale precedente (chiaramente le condizioni iniziali devono essere note per risolvere il problema). Se si sostituiscono le (2) e (3) nella (1) si ottiene la (4): Ma' = F * * 2 n+ 1 + C(v n + γ a' n+ 1 t) + K ( d n + β a' n+ 1 t ) ext n+ 1 = (4) La (4) può essere riscritta come segue: [ M Kd 2 ext * * + Cγ t + Kβ t ] a' n+ 1 = F n+ 1 Cv n n (5) La (5) può essere riscritta come segue: Posti: M * = [ M + Cγ t + Kβ t 2 ] F residual ext * n+ 1 = F n+ 1 Cv n Kd * n * Si ha: ' = residual M a n+ 1 F n + 1 (6)

6 Dalla (6) si può ricavare la stima dell accelerazione allo step n+1: * 1 ' = residual a n+ 1 M F n + 1 (7) Riducendo progressivamente l incremento di tempo si tende a un asintoto del valore della stima dell accelerazione allo step n+1.

7 Impostazione di analisi numeriche esplicite Premessa: Data una funzione: f ( x, t) = x& ( t) = x( t + t) t x( t) (8) E la condizione iniziate x(t 0 )=x 0 nota, si può scrivere: x( t t) = x( t) + t f ( x, t) + (9) Operando una discretizzazione dell asse dei tempi si ha: x( ti 1) = x( ti ) + t f [ x( ti ), ti ] x + (10) = x + t f [ x, t ] i+ 1 i i i (11) Note le condizioni iniziali x(t 0 )si può ricavare x(t) in forma discreta

8 Nell algoritmo di calcolo esplicito l equazione di moto: ext Ma + Cv + Kd = F n (12) in cui: n n n M = matrice di massa della struttura C = matrice di smorzamento della struttura K = matrice di rigidezza della struttura F ext n= vettore dei carichi esterni applicati alla struttura a n = accelerazioni allo step n v n = velocità allo step n d n = spostamenti allo step n può essere riscritta nel seguente modo: Ma n = F ext n - F int n (13) dove: F int n = Cv n + Kd n perciò l accelerazione all incremento n è pari a: a n = M -1 F residual n (14) Se la matrice di massa è diagonale, è possibile calcolare l accelerazione per ogni incremento e per ogni grado di libertà tramite un sistema di equazioni indipendenti (con evidente risparmio in termini di tempo di calcolo vedi anche i Metodi numerici iterativi per la soluzione di

9 sistemi lineari: Jacobi, Gauss-Sidel, tecnica del gradiente coniugato): a ni = F residual ni /M i (15) Inoltre l incremento di tempo è definito tramite le seguenti espressioni (il metodo viene chiamato esplicito proprio perché ogni nuovo incremento necessita la sola conoscenza dei parametri relativi all incremento precedente): V n+1 = V n-1 + a n ( t n+1 + t n-1 ) / 2 (16) d n+1 = d n + V n+1 t n+1 (17) L incremento di tempo, nelle analisi di impatto, non può essere stabilito dall utente, cosa invece possibile con l utilizzo del metodo implicito. L incremento di tempo viene calcolato come: t = min ( L e / C d ) (18) L e : è la dimensione caratteristica dell elemento finito C d : è la velocità di propagazione dell onda d urto nel materiale

10 Il tempo totale dell analisi dipende in maggior misura dalla più piccola dimensione del più piccolo elemento finito presente nel modello piuttosto che dal numero di gradi di libertà del modello stesso). Il vantaggio dell utilizzo del metodo di calcolo esplicito è dovuto al fatto che, pur essendo gli incrementi di tempo molto più piccoli rispetto a quelli del metodo implicito (solitamente gli incrementi utilizzati con il metodo esplicito sono da 100 a 1000 volte inferiori rispetto a quelli utilizzati nel metodo implicito ), si ha un elevato risparmio di tempo di calcolo in analisi che prevedono urti ad elevata velocità o comunque problemi in cui si hanno grosse dissipazioni, o trasferimenti, di energia e propagazione di onde d urto (eventi che avvengono in intervalli di tempo molto piccoli).

11 I vantaggi principali dell utilizzo di un metodo di calcolo esplicito piuttosto che implicito possono essere riassunti nei seguenti punti: 1) Maggiore velocità di calcolo, soprattutto con modelli caratterizzati da un elevato numero di gradi di libertà. 2) Assenza di problemi di calcolo legati alla convergenza verso una soluzione corretta in presenza di forti non linearità (spesso con l utilizzo del metodo implicito, in presenza di elevate non linearità sia geometriche sia nel comportamento del materiale, il programma si blocca oppure impiega tempi di calcolo eccessivi prima di arrivare ad una soluzione finita). 3) Attenzione alla valutazione della correttezza della soluzione. 4) Possibilità di superare più agevolmente le non linearità proprie dei problemi di contatto e di urto con maggiore facilità rispetto al metodo implicito.

12 Realizzazione dei modelli a elementi finiti E necessario schematizzare come le caratteristiche del materiale variano durante l analisi in funzione della velocità di deformazione del materiale durante l impatto (comportamento del materiale rate dependent) tramite leggi di tipo esponenziale (Power law): ε& pl σ = D 0 1 σ p per σ σ 0 (19) Dove : &ε pl = velocità di deformazione plastica equivalente σ = carico di snervamento a velocità di deformazione non nulla σ 0 = carico di snervamento statico D, p = parametri caratteristici del materiale Spesso i coefficienti D e p, caratteristici del materiale, non sono facilmente reperibili in letteratura e risulta essere difficile tenere conto del comportamento del materiale a velocità di deformazione non nulle.

13 I risultati ottenuti dalle analisi in campo lineare elastico possono essere confrontati con i valori teorici ricavabili da modelli noti e sono utili per avere un primo riscontro della correttezza del modello FEM. Ad esempio, nel caso dell impatto sfera-piano, dall estensione della teoria del contatto tra solidi di Hertz all impatto tra solidi si possono confrontare i valori numerici della pressione di contatto massima con quelli teorici. Il valore della pressione di contatto massima, durante l impatto, può essere calcolato utilizzando le seguenti formule: d max = R 25 / γ E mv / (20) F max = 4R 15 πmv / γ π πe 2 25 / 35 / (21) P max = 3 Fmax 2 2π d (22) max

14 dove: d max = raggio massimo del cerchio di contatto F max = forza massima di compressione P max = pressione massima di contatto E = modulo di elasticità longitudinale ν = coefficiente di Poisson R = raggio della sfera v = velocità della sfera m = massa della sfera E importante infittire solo la zona dell impatto (per ridurre drasticamente i tempi di calcolo).

15 Se possibile sfruttare le simmetrie geometriche o realizzare modelli assialsimmetrici.

16 Può succedere, per analisi esplicite, che dopo le analisi elasto-plastiche (dopo l impatto), la deformata presenti evidenti deformazioni non ammissibili (o una non simmetria rilevata per gli spostamenti che si risente anche nel campo delle tensioni).

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19 Questo effetto è dovuto a una deformazione anomala degli elementi finiti nella zona di impatto (effetto hourglass). Se si utilizzano elementi finiti a integrazione ridotta, ovvero aventi un solo punto di integrazione posizionato nel baricentro, essi sono soggetti al fenomeno dell hourglass per cui, a elevati carichi imposti, si deformano in modo anomalo (modi di deformazione di hourglass). I possibili modi di deformazione di hourglass per elementi finiti piani a integrazione ridotta e la configurazione deformata di una mesh soggetta ad hourglass sono di seguito riportati.

20 Il problema può essere risolto realizzando una suddivisione in elementi finiti più fitta nella zona di impatto o variando opportunamente il parametro che regola la rigidezza di hourglass (anche se a volte si risolvono i problemi relativi alla deformata ma non del tutto quelli inerenti il campo tensionale).

21 Per ridurre i tempi di calcolo si possono utilizzare particolari tecniche di modellazione. Si può infittire solo la zona interessata dall impatto con l opzione che permette di connettere, imponendo la congruenza degli spostamenti, zone del modello che non hanno nodi coincidenti sulle superfici di confine. Tuttavia per elevate velocità di impatto si può avere il cosiddetto effetto gabbia per le tensioni durante l impatto (ovvero tensioni maggiori). L incremento dei valori rispetto al modello tridimensionale con infittimento graduale può essere attribuito alla modellazione effettuata, in cui la zona fitta interessata dall impatto è legata al resto del modello (meno fitto) tramite l opzione che permette di imporre la congruenza degli spostamenti per zone del modello che non hanno nodi coincidenti sulle superfici di confine.

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23 I risultati devono essere rilevati quando le tensioni di sono stabilizzate dopo l impatto.