Autore: Marco Pisati, Luca Albertazzi e Giovanni Lovicario.
La simulazione FEM nasce con l’obbiettivo di rendere più efficiente possibile la fase di progettazione di un prodotto. Molti esperti designer sanno quanto è importante dedicare tempo e impegno allo studio iniziale di un prodotto, per prendere fin da subito le direzioni strategiche più vantaggiose per la realizzazione di un prodotto competitivo ed innovativo da lanciare nel mondo industriale. Ormai è palese quanto il mondo della simulazione stia diventando indispensabile per le aziende con l’obbiettivo di essere competitive negli anni che seguiranno.
Negli anni, Ansys si è impegnata nella realizzazione di un software capace di soddisfare al meglio le esigenze dei progettisti. Con Ansys Mechanical i progettisti con semplici passaggi e in pochi minuti possono identificare i punti più critici del prodotto industriale, per ottimizzarlo e renderlo più competitivo che mai.
Un requisito fondamentale, oltre che all’affidabilità dei risultati, è anche la velocità nell’ottenere un risultato. Grazie ad un interfaccia sempre più intuitiva ed un sistema robusto ed affidabile Ansys è in grado di supportare al meglio le esigenze di ciascun progettista.
In questo articolo vedremo la semplicità e la velocità di Ansys Mechanical per la progettazione di un braccio robotico, considerando un notevole numero di scenari di carico, analisi in frequenza e resistenza a fatica del sistema meccanico.
Il braccio meccanico riportato in questo articolo è a puro scopo dimostrativo. Il sistema a 4 gdl è stato progettato per la movimentazione di un carico, e le varie parti dovranno essere verificate per ciascun scenario di carico in modo da garantire una corretta funzionalità ed integrità strutturale durante il funzionamento.
Ansys Mechanical, grazie ad un sistema di auto identificazione dei contatti, permette in qualche secondo di definire contatti e collegamenti cinematici. Nell’immagine sopra riportata sono state definite in modo automatico le 4 cerniere che caratterizzano il sistema a 4 gdl. Questo passaggio risulta particolarmente apprezzato dagli ingegneri perché permette un notevole risparmio di tempo in quanto i contatti non necessitano di particolari interventi manuali. Inoltre, a differenza di altri software, la mesh nelle zone di contatto risulta particolarmente efficiente, evitando problemi per le equazioni che definiscono i contatti tra corpi.
Una volta che connessioni, contatti e mesh sono stati definiti correttamente, si definiscono le condizioni al contorno. Ricordando che il metodo FEM è un metodo numerico per la risoluzione di equazioni differenziali, le condizioni di vincolo e di carico risultano essenziali per ottenere la soluzione numerica. Se l’analisi è lineare, vale il principio di sovrapposizione degli effetti. Per questo motivo, all’interno di Ansys Mechanical è possibile modellare diversi scenari di carico che saranno poi combinati tra loro in funzione delle esigenze di noi ingegneri. Di seguito vengono riportate alcuni scenari di carico del braccio robotico sopra riportato.
Per ciascun scenario, vengono calcolati sia lo stato di sforzo che il campo degli spostamenti. Questo approccio offre anche la possibilità di comprendere gli effetti di ciascuna forzante sul componente ingegneristico da sviluppare. Di seguito vengono riportate sia gli spstamenti che lo sforzo di Von Mises per ciascun scenario di carico. Ansys Mechanical è stato sviluppato con l’obbiettivo di ottimizzare le scelte ingegneristiche di noi ingegneri. A tal proposito, un continuo sviluppo software a permesso la creazione di un meshatore e risolutore affidabili e robusti, volti ad ottimizzare l’analisi FE ed a supportare e velocizzare le scelte dei progettisti. Gli straordinari tempi computazionali sono riportati nella figura seguente, dove si può notare che il tempo di calcolo per ciascun scenario è di circa 20 secondi.
Scenario di carico 1
CPU time: 20s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Scenario di carico 2
CPU time: 21s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Scenario di carico 3
CPU time: 20s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Scenario di carico 4
CPU time: 21 s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Scenario di carico 5
CPU time: 21s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Scenario di carico 6
CPU time: 20 s
Spostamenti
Sforzo di Von Mises
Ogni singolo scenario ha un tempo computazionale relativamente basso, intorno ai 20 secondi. Nel caso l’esigenza progettuale richieda un elevato numero di analisi, combinando questi scenari base senza la combinazione delle soluzioni il tempo computazionale aumenterebbe notevolmente. Per esempio se si dovesse analizzare un centinaio di scenari, il tempo computazionale totale sarebbe circa:
20 s * 200 analisi = 1ora e 10 minuti
Con l’obbiettivo di ottimizzare e ridurre il costo computazionale, Ansys offre la possibilità di combinare ciascun scenario in modo semplice, intuitivo e veloce, ottimizzando i tempi per lo sviluppo e progettazione di un prodotto industriale. Di seguito viene riportato un semplice video che dimostra come in pochi minuti, come Ansys è in grado di calcolare ben 203 scenari di carico diversi tra loro in meno di 1 minuto.
Come output si potrà valutare il campo degli spostamenti e lo sfrozo di Von Mises in funzione del numero di scenari e combinazioni analizzate. Questo grafico risulta particolarmente utile in caso si voglia identifacre con estrema facilità lo scenario di carico peggiore. Nella seguente figura si può osservare tale grafico che mostra che la combinazione 191 risulta essere la più gravosa per il sistema meccanico. Sia il campo degli spostaemnti che lo sforzo possono essere estratti ed analizzati nel dettaglio.
Con questo sistema, Ansys offre un metodo semplice e veloce, ma soprattutto affidabile per supportare la corretta progettazione e sviluppo di un prodotto industriale. In particolare, nell’ area R&D dove si studiano diverse soluzioni, si necessita di uno strumento in grado di fornire dei risultati affidabili nel minor tempo possibile. Per questo motivo negli anni, Ansys Mehcanical è stato sviluppato da diversi sviluppatori per fornire questo vantaggio ai progettisti. Prendendo come riferimento questa analisi, in 30 minuti circa si è studiato 203 scenari di un prototipo di braccio industriale. Di seguito vengono riportati i tempi di lavoro per la definizione degli step principali.
1 – Creazione diversi scenari: definizione di contatti, mesh e condizioni al contorno
2 – Soluzione diversi scenari
3 – Combinazione di carico
4 – Risultati e post processing di 208 analisi
Considerando in media un tempo di 10/15 minuti per definire mesh, condizioni di vincolo e di carico si completa esaustivamente il primo step. (Si ricorda che Ansys è in grado di identificare in automatico i contatti, portano un netto beneficio in termini di tempo di modellazione). Il secondo step, che consiste nel risolvere gli scenari precedentemente definiti, il tempo medio è intorno a 2/3 minuti. Considerano la parte finale di combinazione dei carichi e post processing in media la si esegue in 10 minuti. Considerando queste operazioni il tempo totale per simulare questo tipo di prodotto industriale, considerando ben 203 scenari diversi è di circa 20/30 minuti.
Queste benefici in tempi computazionali risultano molto vantaggiosi per i reparti di ricerca e sviluppo per diverse realtà industriali, sostenendo uno sviluppo continuo di diversi prodotti innovativi e compoetitivi pronti per essere lanciati nel mercato.
Contributo di autori: M.P.: Contenuto tecnico, writing-original e contenuto media; L.A. technical writing-review. G.L.: comunicazione e writing-review.