Analisi FEM: preparazione del modello di calcolo per le strutture navali

Continua l’approfondimento dell’analisi FEM in Kyma: in questo secondo appuntamento seguiremo tutti i passaggi per la creazione del modello di calcolo, fase preparatoria ma cruciale per ogni analista FEM).

Analisi FEM: la corretta preparazione del modello di calcolo

La preparazione del modello di calcolo è la fase embrionale del modello FEM ed ha un ruolo cruciale per il suo corretto sviluppo. In Kyma è stato sviluppato un iter procedurale che consente di ottimizzare tempi e risorse annullando gli errori di analisi legati a questa fase.

“Garbage in, garbage out”

Una delle frasi più significative che deve tenere a mente l’analista FEM è “garbage in, garbage out” che tecnicamente significa: se l’operatore introduce all’interno del modello di calcolo “spazzatura”, il solutore restituirà “spazzatura” sotto forma di risultati errati.

Questo è un concetto mantra in Kyma perché esprime chiaramente un principio cardine: ogni fase della preparazione del modello FEM è fondamentale.

Tre macrocategorie per un analisi step-by-step

Proprio perché ogni fase del modello di calcolo è fondamentale, i suoi stadi di preparazione, in Kyma, sono stati suddivisi in tre macrocategorie che permettono di procedere step by step al controllo e alla verifica della sua qualità.

1) Creazione della geometria ed importazione

Le geometrie tridimensionali permettono di analizzare sistemi strutturali molto estesi e complessi tipici della progettazione delle navi da diporto.

I software CAD dedicati al settore nautico e navale dispongono di strumenti di lavoro molto più efficienti e veloci rispetto ai moduli CAD interni alle interfacce grafiche di preprocessing, generalmente primitivi e macchinosi. In base al tipo di verifica da svolgere infatti, il progettista potrà disegnare correttamente la struttura da analizzare ed, eventualmente, iniziare la prima fase di defeaturing, spogliandola per esempio di particolari costruttivi o di elementi strutturali non determinanti ai fini della validazione del calcolo e della struttura.

Il modello 3D ottenuto potrà essere esportato in molteplici formati di scambio come iges, step e parasolid necessari alla successiva importazione nell’ambiente di lavoro dei software FEM.

2) Defeaturing

Il Defeaturing è la fase cruciale della preparazione del modello di calcolo, in cui l’analista FEM decide cosa è superfluo e cosa è indispensabile per una corretta verifica e validazione del modello FEM della struttura.

Per esempio, un modello di calcolo molto esteso che ha come obiettivo la minimizzazione della distribuzione degli spostamenti della struttura sottoposta a determinati carichi di progetto, può essere svolto omettendo piccoli intagli o fori, attraversamenti tra le strutture secondarie e primarie (cut-out) etc.

Viceversa, un’analisi di dettaglio incentrata su una piccola porzione di struttura che ha come obiettivo la valutazione della tensione massima agente in un punto critico (peak stress), deve contenere tutte le informazioni possibili relative alla geometria analizzata per non avere alcun tipo di semplificazione potenzialmente rischiosa di generare risultati errati o fuorvianti.

Un ulteriore esempio potrebbe essere quello in cui le geometrie CAD importate contengono la rappresentazione solida dei vari elementi strutturali, compreso il loro spessore. Grazie ai tools avanzati disponibili in MSC Apex©, l’analista FEM in pochi passaggi può ottenere le informazioni necessarie alla loro corretta rappresentazione fisica e numerica, estraendone il piano medio o midsurface, rappresentando così il più realisticamente possibile le principali proprietà geometriche delle strutture (area, inerzie, modulo minimo, etc.) ed ottenere sempre risultati realistici.

3) Scomposizione della struttura

La terza fase inizia una volta terminato il processo di semplificazione puramente geometrico. In questo stadio finale il progettista, seguendo gli obiettivi legati alla verifica strutturale e alla validazione del modello di calcolo, decide qual è la migliore “idealizzazione” dal punto di vista fisico e matematico.

Data l’ampiezza e l’importanza della terza fase di scomposizione della struttura e del modo efficiente di rappresentarla nel modello di calcolo a questo argomento sarà dedicato il quarto appuntamento con l’analisi FEM in Kyma.

La composizione strutturale di un megayacht per l’analisi FEM

L’approccio di Kyma, per rappresentare al meglio la struttura di un megayacht, tipicamente metallica, è suddividerla in cinque tipologie strutturali che l’analista FEM deve sempre valutare ed analizzare per un corretto defeaturing e per i successivi passaggi di pre-processing:

Fasciami: le lamiere dei pannelli di fasciame che compongono la struttura di un megayacht (suddivisi in fasciame di scafo, dei ponti, delle paratie, etc.,) grazie allo spessore nettamente inferiore rispetto alle altre due dimensioni (lunghezza e larghezza) durante la preparazione del modello CAD sono tipicamente semplificate utilizzando delle superfici.

In alcuni casi particolari, inoltre, la caratterizzazione di una porzione di fasciame può essere implementata nel modello di calcolo utilizzando delle linee (per esempio con la rappresentazione della porzione di fasciame collaborante con una trave, detta striscia associata di fasciame).

Strutture primarie: questa tipologia di strutture, disposte sia in senso longitudinale sia trasversale, sono tipicamente composte da anima e piattabanda. Avendo una lunghezza (detta campata della trave) molto maggiore rispetto alle altre due dimensioni (larghezza e profondità) e in base alla tipologia di analisi da dover sviluppare, le strutture primarie sono generalmente rappresentate geometricamente con uno dei seguenti metodi:

  • sia l’anima sia la piattabanda utilizzando superfici;
  • l’anima utilizzando superfici e la piattabanda utilizzando linee;
  • sia l’anima sia la piattabanda utilizzando linee.

Strutture secondarie: per le strutture secondarie si possono usare le stesse metodiche di preparazione delle geometrie elencate per le strutture primarie. In ambito nautico la scelta preferita rimane quella di semplificare le strutture secondarie utilizzando linee, per velocizzare la preparazione del modello di calcolo.

Puntelli: nonostante abbiano una lunghezza molto maggiore rispetto alle altre due dimensioni (larghezza e spessore), vengono rappresentati utilizzando linee o superfici in base alla tipologia di verifica da svolgere.

Dettagli costruttivi: questa tipologia di strutture, quasi sempre di forma irregolare, viene generalmente preparata utilizzando superfici e, in casi particolari legati alle analisi di dettaglio, mediante geometrie solide.

Il metodo di lavoro Kyma

La corretta preparazione del modello di calcolo si delinea così in tutti i suoi snodi e le sue fasi fondamentali, personalizzate e definite per ogni tipologia di struttura analizzata.

Questo modus operandi in Kyma è stato sviluppato, migliorato e perfezionato negli anni grazie alle centinaia di esperienze pratiche e alle competenze puntuali riservate a questo settore. Lo sviluppo di una propria procedura interna, infatti, permette di ottimizzare tempi e risorse ed annullare gli errori di analisi legati alla fase preparatoria per affinare e programmare il corretto flusso di lavoro di questa fase cruciale ed affascinante.

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