Analisi dinamica
L’uso della simulazione dinamica è un complemento o un’alternativa interessante alle prove fisiche in molti casi: prodotti o componenti eccezionali o addirittura unici, prove fisiche complesse o addirittura impossibili, difficoltà di approvvigionamento dei materiali, ecc. I vantaggi principali includono
Ottimizzazione del budget
Poiché queste simulazioni digitali non richiedono apparecchiature fisiche da calibrare o qualificare, non generano scarti o rifiuti. I test fisici possono essere utilizzati per alimentare il modello iniziale e possono poi essere sostituiti dal modello digitale, limitando così il consumo di risorse fisiche (materiali, risorse umane, ecc.).
Scadenza
L’implementazione di test fisici può richiedere molto tempo in termini di preparazione, esecuzione, analisi dei risultati e iterazioni. Con la simulazione, i risultati possono essere ottenuti in poche ore o pochi giorni, a seconda della loro complessità, limitando al contempo i tempi di fermo delle apparecchiature.
Controllo dei parametri
Le simulazioni numeriche consentono di analizzare un’ampia gamma di scenari, grazie al controllo preciso di parametri quali le condizioni di carico, i parametri dei materiali, le condizioni al contorno, ecc. senza essere influenzati da fattori esterni quali temperatura, umidità, pressione, ecc. Le condizioni di carico comprendono la definizione di forze, masse, velocità e accelerazioni del sistema.
Ripetibilità
Le simulazioni numeriche possono essere ripetute più volte con parametri diversi per esplorare scenari alternativi e variazioni nei risultati, a differenza dei test fisici che possono essere difficili da ripetere, soprattutto se distruttivi.
Sicurezza
Le simulazioni numeriche possono essere utilizzate per valutare scenari pericolosi senza mettere a rischio la sicurezza delle persone o delle attrezzature.
Accesso a dati difficili da misurare
Alcune grandezze possono essere misurate solo con sensori difficili da implementare nelle aree di interesse o che potrebbero disturbare la dinamica del sistema reale. La simulazione permette di superare queste limitazioni.
I fattori chiave per il successo della simulazione sono una buona definizione del livello di accuratezza atteso e una buona comprensione della fisica del sistema.
La correlazione con i test fisici consente di convalidare completamente il modello.
Esistono diversi tipi di analisi dinamica:
- Analisi transitoria implicita o esplicita (dinamica veloce). Queste simulazioni possono essere costituite solo da corpi rigidi (analisi multicorpo).
- Analisi delle vibrazioni (modale, spettrale, PSD)
- Analisi armonica
L’analisi transitoria implicita è una tecnica di modellazione che simula il comportamento di un sistema nel tempo mediante iterazione. Consente di modellare il comportamento di un sistema a diversi livelli di dettaglio, tenendo conto delle interazioni tra le diverse parti del sistema. La simulazione dinamica può essere utilizzata per studiare il comportamento di sistemi complessi, come quelli meccanici, elettrici, idraulici o termici.
La simulazione dinamica veloce è una tecnica di simulazione che consente di simulare sistemi dinamici con una risoluzione temporale molto fine. Utilizza metodi numerici più rapidi rispetto alla simulazione dinamica convenzionale per risolvere le equazioni del modello, consentendo di effettuare simulazioni ad alta frequenza. Questa tecnica è spesso utilizzata per studiare il comportamento di sistemi soggetti a rapidi cambiamenti, come urti, esplosioni, ecc…
Le analisi delle vibrazioni lineari si basano su un’analisi modale del sistema. Elaborando e combinando questi modi, è possibile ottenere la risposta indipendente dal tempo corrispondente allo spettro di frequenza applicato.
L’analisi armonica viene utilizzata per ottenere la risposta del sistema per una determinata frequenza con carichi alternati. Mentre l’analisi modale può essere utilizzata per definire le frequenze di risonanza, l’analisi armonica può essere utilizzata per calcolare la risposta (spostamenti, sollecitazioni) a queste frequenze e nell’intorno di esse.
La simulazione fornisce risposte preziose su impatti, materiali e sicurezza.
In molti progetti di innovazione, le simulazioni vengono utilizzate per testare il comportamento in diverse condizioni al fine di soddisfare i criteri specificati. Ecco alcuni esempi di progetti:
Studi sugli shock
Possono basarsi su metodi di prova esistenti, come il test del pendolo di pecora, sull’elaborazione di test specifici in base a norme (ad esempio la norma NIHS 91-10 per l’orologeria) o su criteri meccanici. Oltre alla modellazione dei test, si possono citare i calcoli di caduta (ad esempio, un trapano che cade a terra) che richiedono la definizione dell’angolo critico di caduta prima del calcolo.
Valutazione della sicurezza
Le simulazioni dinamiche possono essere utilizzate per valutare la sicurezza di diversi sistemi, come infrastrutture, edifici, veicoli, ecc. Questo tipo di analisi comprende l’analisi dinamica rapida (calcolo della rottura improvvisa di un tubo ad alta pressione, ad esempio), l’analisi delle vibrazioni (l’effetto di un terremoto sulla resistenza delle piastre) e anche l’analisi transitoria, come la simulazione del colpo d’ariete in un tubo o l’apertura di una valvola di sicurezza in un circuito di fluidi.
Studio dei materiali in vista della loro sostituzione
Per ogni elemento devono essere definite anche le proprietà dei materiali, come la densità, il modulo di elasticità, il rapporto di Poisson, ecc. Nell’ambito del suo approccio CSR, ad esempio, il cliente vuole favorire l’uso di materiali biologici e riciclabili senza compromettere la qualità del prodotto finale. La simulazione aiuta a guidare la scelta dei materiali, a limitare il numero di prototipi fisici e a ridurre la durata della campagna di test fisici.
Modellare i fenomeni naturali
La simulazione dinamica può essere utilizzata per modellare fenomeni naturali come terremoti, onde oceaniche, ecc. comprendendo come le forze e i moti agiscono su questi sistemi.
A seconda delle analisi scelte, le soluzioni software utilizzate al DAES saranno principalmente :
- Abaqus, LS-DYNA: calcoli agli elementi finiti, impatti e urti su tutti i tipi di materiali (viscoelastici, compositi, plastici….) tenendo conto, se necessario, dei fenomeni termici e fluidici.
- OpenModelica: sistemi di controllo elettrico, meccanico e termico a 1 dimensione, controparte OpenSource di strumenti come Simulink o Dymola.
- Ansys Mechanical per l’analisi implicita di dinamica, vibrazioni e armoniche.
- Ansys Mechanical per simulazioni di dinamica dei corpi rigidi (simile a MSC Adams), ad esempio per le sospensioni dei veicoli, i sistemi frenanti, i meccanismi di sollevamento, ecc.
