Getting Started con Nastran & Femap Lo scopo di queste pagine è di guidare, attraverso un semplice esempio, al raggiungimento di un livello minimo di capacità di utilizzo dei sofware Femap e Nastran prendendo confidenza con gli ambienti, le procedure ed i comandi di uso più frequente. Un completo apprendimento dell uso dei software in esame può viceversa essere raggiunto solo attraverso i manuali forniti a corredo dei programmi stessi e ovviamente con ore e ore di pratica. Si considerano acquisite le conoscenze teoriche sul metodo degli elementi finiti descritte nei corsi e/o nei testi di Costruzione di Macchine. Nastran è un programma per il calcolo ad elementi finiti. Permette di effettuare analisi statiche, modali, di stabilità dell equilibrio elastico, di risposta in frequenza, analisi termiche ecc. ecc. in campo lineare utilizzando elementi di vario genere (travi, piatre, solidi, masse, molle, elementi rigidi ecc.) nonchè materiali isotropi, ortotropi, anisotropi ecc.. Femap è un pre/post-processor per analisi fem. Questo significa che Femap non serve a fare calcoli di sollecitazioni, deformazioni ecc, ma serve a creare un modello ad elementi finiti (grazie a d un ambiente predisposto a questo scopo), che deve poi essere processato da un apposito software (ad esempio Nastran) e a visualizzare e gestire in modo comodo i risultati che il solutore ha scritto in appositi file. Questa breve guida introduttiva permetterà di imparare ad impiegare Femap e Nastran secondo lo schema di figura FEMAP Creazione del modello da analizzare File da processare (.dat) NASTRAN Analisi FEM FEMAP Post processing (visualizzazione tensioni, deformata, ecc.) File di output (.f06,.op2, ecc) Per quanto riguarda il lavoro in ambiente Femap è fortemente consigliabile procedere in questo modo: 1. Creazione della geometria 2. Definizione dei materiali 3. Definizione delle proprietà 4. Associazione degli attributi della mesh alla geometria 5. Creazione della Mesh 6. (Assegnazione di carichi e vincoli) [il significato delle proprietà (punto 3) sarà spiegato nel successivo esempio]
Il vantaggio di tale procedura consiste nel poter effettuare modifiche al modello, quali ad esempio infittimenti della mesh, in modo da ottenere la nuova mesh con un solo comando (ripetendo cioè il punto 5). Ciò non è possibile definendo ad esempio nodi ed elementi in maniera manuale: una qualunque modifica ad esempio alla geometria imporrà in questo caso la completa ri-definizione di nodi ed elementi. 1. ESEMPIO N 1: Analisi statica di una trave incastrata con elementi trave Supponiamo di voler analizzare il comportamento di una trave d acciaio a mensola con un carico verticale all estremità della trave. Le dimensioni della trave siano lunghezza=1 metro e la sezione a C con le misure riportate più avanti. 1.1 Creazione della geometria Dopo aver avviato il programma Femap selezionando il menu Geometry\Curve-Line\Project Points inserire nel form Enter First Location for Projected line le coordinate di un estremità della linea (ad esempio x=0, y=0, z=0). Successivamente inserire l altra coordinata (ad esempio x=1, y=0, z=0) e ciccare su Ok. Femap replica (di default) l ultimo comando selezionato. Di conseguenza appare di nuovo il form per la definizione del primo punto di una nuova linea da creare: ciccare su Cancel se non si vuole creare un altra linea. [La definizione di questa semplice linea poteva essere effettuata anche mediante i comandi Curve- Line\Horizontal oppure Curve-Line\Coordinates] OSSERVAZIONE Femap prescinde dalle unità di misura. Di conseguenza le unità di misura dell output dipenderanno da quelle utilizzate nella creazione del modello. Ad esempio utilizzando misure in metri, carichi in Newton e definendo il modulo di Young in Pascal si avranno in output deformazioni in metri e tensioni in Pa. A questo punto la linea viene visualizzata sullo schermo. Può essere utile usare il comando Autoscale premendo Ctrl+A che seleziona una visuale tale da contenere tutti i componenti del modello. 1.2 Definizione del materiale Cliccando sul menù Model e selezionando Material appare il form riportato qui sotto a sinistra
Il form fa riferimento di default a materiali isotropi. Cliccando su Type è possibile, se desiderato, cambiare il tipo di materiale in esame. Per questa applicazione possiamo, dopo aver dato il nome Acciaio nel campo Title, inserire il modulo di Young E=210e9 Pa e il modulo di Poisson nu=0.3 lasciando che il Femap calcoli G di conseguenza. OSSERVAZIONE Tutti i campi dei form Femap possono essere riempiti anche con espressioni matematiche (ad es. 100/3*2.5e-7). Aggiungiamo per completezza la densità (7800 Kg/m 2 ) anche se non è indispensabile per un analisi statica in cui si sceglie di non considerare il peso. 1.3 Definizione della proprietà Cliccando nel menù Model su Poperty appare la finestra qui sotto a sinistra mediante la quale è possibile definire la proprietà da assegnare ad un certo tipo di elemento. Il tipo di default è l elemento piastra (Plate); è possibile scegliere il tipo di elemento desiderato cliccando su Elem/Property Type e selezionandolo nell elenco visibile nella figura sopra (a destra). Nel nostro caso vogliamo utilizzare elementi Beam (per definizione esatta di tutti gli elementi si rimanda al manuale del Nastran) cioè elementi trave a 2 nodi con 6 g.d.l. per nodo. Il form corrispondente è quello qui sotto a sinistra.
La figura di destra invece mostra ciò che appare visualizzando il menu a tendina Material sul form a sinistra: alla property deve essere associato un materiale e Femap propone nella lista i materiale che sono stati definiti dall utente. Selezioniamo l acciaio definito al punto 1.2. Cliccando in basso a destra su Shape appare il form seguente (a sinistra) in cui si puo scegliere una sezione retta per la trave tra quelle proposte dal Femap. [E possibile anche disegnare una generica sezione retta: si veda il manuale di Femap.] Selezionando la sezione a C si possono impostare le misure caratteristiche della sezione retta come nella figura sopra a destra. Cliccando su ok riapparirà il Form Define Property BEAM Element in cui tutti i campi (area della sezione, momenti di inerzia, ecc.) sono stati riempiti da valori numerici calcolati automaticamente. Non rimane che assegnare un nome alla property, ad esempio Trave, e cliccare su Ok. OSSERVAZIONE Materiali e proprietà possono essere in qualunque momento modificati o cancellati per mezzo rispettivamente dei comandi Edit\Material (o Property) dal menù Modify e Model\ Material (o Property) dal menù Delete. 1.4 Associazione degli attributi della mesh alla geometria Selezionando nel menu Mesh la voce Mesh Control\Size Along Curve (figura sotto a sinistra) è possibile associare all entità geometrica (la curva) informazioni sulla mesh desiderata.
Apparira la finestra di destra (Entity Selection) con la quale è possibile selezionare la curva di interesse. OSSERVAZIONE Il form Entity Selection viene utilizzato da Femap per far selezionare entità di vario genere (curve, superfici, materiali, property, nodi, elementi, ecc.). Dispone di filtri molto potenti selezionabili con il tasto Method^, e permette la selezione attraverso la creazione di un riquadro (tenendo premuto Shift e tracciando un quadrato con il mouse come in tutte le applicazioni Windows). Selezionando la curva definita al punto 1.1 appare il seguente form. In esso è possibile inserire il numero di elemento (o in alternativa la dimensione dell elemento) con cui si vuole realizzare la mesh. OSSERVAZIONE L attribuzione del Mesh Size ad una curva non è ristretta solo ai modelli ad elementi beam: volendo ad esempio meshare una superficie quadrata in maniera asimmetrica è possibile deinire Mesh Size diversi sui lati della superficie stessa. Inoltre è possibile definire una distribuzione degli elementi non regolare (ad esempio inserendo più elementi ad un estremità) agendo sui campi relativi al Node Spacing (vedi figura sopra). Nel nostro caso selezioniamo ad esempio 5 elementi. Successivamente è necessario associare la Property definita al punto 1.3 all entità geometrica (curva) utilizzando nel menù Mesh il comando Mesh Control\Attributes Along Curve. Dopo aver selezionato nella finestra Entity Selection la curva di interesse apparirà il form riportato qui sotto a sinistra Nel campo Property va selezionata la proprietà definita al punto 1.3. Cliccando su Ok apparirà una finestra in cui va definito per punti il vettore che determina l orientazione della sezione retta. [Tale vettore va stabilito in base all orientazione della curva ed al sistema di assi della sezione retta mostrata
da Femap nella definizione della Shape della Property di tipo Beam.] Dopo aver inserito x1=0 y1=0 z1=0 x2=0 y2=0 z2=1 cliccando su Ok l operazione è completata. 1.5 Creazione della mesh Una volta associate le proprietà della mesh alle entità geometriche è possibile creare la mesh vera e propria. Dal menù Mesh selezionare Geometry\Curve ; selezionare la curva da meshare. Nel form successivo (Geometry Mesh Options) sono riassunte le caratteristiche della mesh (si noti che nel campo Property appare la scritta Using mesh attributes ). Per verificare il corretto orientamento degli elemnti può essere utile conoscere qualche opzione del sistema di visualizzazione. Di seguito è riportata la barra degli strumenti di Femap La visualizzazione di default consente di spostare il modello utilizzando i tasti relativi a traslazione e rotazione. La rotazione dinamica consente di ruotare e muovere gli oggetti direttamente con il mouse. Nelle modalità Render (selezionabili con il tasto View Style) la rotazione dinamica è sempre attivata. In queste modalità è possibile far traslare gli oggetti senza ruotarli tenendo premuto il tasto Control (mentre si muove il mouse) e modificare il livello di zoom con Shift + Mouse. Tutte le opzioni di visualizzazione sono riportate nel form Options (riportato qui sotto) del menù View richiamabile premendo F6.
Selezionando come in figura Element- Orientation/Shape e scegliendo l opzione Show Cross Section è possibile visualizzare anche la sezione retta degli elementi. Ciò consente, nel caso della trave, di verificare e se necessario aggiornare tornando al punto 1.4, il corretto posizionamento della sezione retta. 1.6 Assegnazione di carichi e vincoli Sia per i carichi che per i vincoli Femap richiede la creazione di appositi set in modo da poter gestire facilmente diverse condizioni di carico e/o vincolo. Nel menu Model selezionando Load\Set si può definire il set 1 dandogli un nome opportuno (es. Carichi ). Successivamente con il comando Load\Nodal, sempre dal menu Model, si può selezionare uno o più nodi e accedere al form di figura Assegnando nel campo FY ad esempio il valore -1000 si caricherà il nodo selezionato con una forza di 1000 N diretta verso il basso. Con procedimento analogo si stabilisce il sistema di vincolo. Nel menù Model\Constraint\Set si definisce il set di vincoli. Succesivamente con il comando Nodal del menu Model\Constraint si accede al solito form Entity Selection. Dopo aver selezionato ad esempio uno o più nodi appare il form seguente E possibile definire il vincolo selezionando manualmente i gradi di libertà da sopprimere (3 traslazioni e 3 rotazioni), oppure selezionare i vincoli predefiniti ne l form. Nell esempio in esame si può ipotizzare di incastrare il nodo all estremo della trave ottenendo così una mensola. A questo punto il modello è praticamente pronto. Può comunque essere utile verificare che durante la creazione della mesh non siano stati creati nodi coincidenti. Dal menù Tools\Check selezionare Check Coincident Nodes selezionare tutti i nodi del modello. Alla domanda Ok to specify additional range of node to merge? rispondere No e nel form successivo attivare l opzione Merge coincident Entities. Cliccando su Ok verrà visualizzato il resoconto dell operazione sulla barra grigia sottostante la finestra del modello. Lancio dell analisi
Secondo lo schema di procedimento indicato all inizio bisogna produrre un file.dat. A tal scopo nel menù File selezionare Export\Analysis Model; apparirà un form in cui è possibile selezionare il tipo di analisi ed il solutore. In questo esempio il valori di default Static e MSC Nastran sono già la scelta desiderata. Va quindi scelto il nome del file (Bisogna specificare l estensione.dat) e la cartella di destinazione. OSSERVAZIONE Nastran non tollera molto i nomi ed i percorsi lunghi o contenenti degli spazi. Cliccando u Write e su Ok nel form successivo, che riepiloga tipo di analisi, condizioni di vincolo e di carico, la scrittura del file è terminata. A questo punto dal menù avvio di windows selezionare il programma MSC NASTRAN V70.5. Apparirà una finestra in cui si chiede il file da processare. Selezionare quello scritto in precedenza cliccare su Ok e cliccare su Run nel form successivo. Partirà un applicazione Dos (con relativa icona sulla barra delle applicazioni che al termine dell esecuzione emetterà un beep. A questo punto, tornando in ambiente FEMAP selezionare dal menù File il comando Import\Analysis Results. Cliccare su Ok nel primo form (in cui si sceglie il solutore da cui proviene il file; il default è Nastran) e selezionare il file con lo stesso nome del.dat prodotto in precedenza, ma con estensione.f06. Dare l Ok sul primo form che appare e cliccare su Continue nel secondo (a meno che non ci siano Fatal Error) e gli output saranno caricati in un database. [Da completare]