Come migliorare un modello FEA: Semplificazione del modello

Sviluppare un modello FEA (Finite Element Analysis) efficace e di successo può risultare in un’esperienza frustrante per i progettisti. Il modello deve essere semplice e facile da replicare, mentre è ancora abbastanza complesso da fornire risultati di test validi. Questo crea un problema dove i modelli sono spesso o troppo semplificati e approssimati per fornire un’analisi accurata, o il modello è troppo complicato per una facile elaborazione.

Un passo importante per migliorare un modello FEA è la semplificazione del modello. Tuttavia, il modello deve essere semplificato nel modo giusto per fornire un’analisi accurata.

Generare la geometria del modello è uno degli aspetti più difficili di un’analisi a elementi finiti (FEA). Un errore comune tra gli utenti principianti di FEA è presumere che un modello CAD (Computer Aided Design) creato come parte del processo di progettazione del prodotto possa essere inserito direttamente in uno studio FEA. I modelli CAD dei progettisti di solito includono dettagli enormi e possono richiedere ore o giorni di elaborazione per essere incorporati in un FEA.

I modelli CAD aiutano i progettisti a visualizzare il prodotto, a generare disegni istruttivi per i macchinisti, e aiutano gli ingegneri di produzione o di imballaggio a determinare come il prodotto sarà spedito in sicurezza al cliente, e a realizzare un’ampia varietà di altre attività. Per alcune di queste attività, il più piccolo dettaglio potrebbe essere importante, e per questa ragione i modelli CAD dei progettisti possono essere molto intricati.

Tuttavia, molti di questi dettagli sono spesso inutili in FEA. Peggio ancora, l’inclusione di dettagli non necessari in un modello FEA può risultare in mesh di scarsa qualità, tempi di esecuzione delle simulazioni inefficienti e risultati imprecisi. Per un analista, capire quando e come semplificare un modello che gli è stato passato da un progettista è un’abilità chiave per un’efficace simulazione FEA.

Rimuovere le caratteristiche dell’oggetto non necessarie

Perhaps i dettagli più comuni che possono essere immediatamente rimossi dalla maggior parte dei modelli CAD sono i raccordi e gli arrotondamenti. I bordi veramente quadrati raramente esistono nel mondo reale – i bordi sono tipicamente arrotondati e i modelli CAD spesso includono questo arrotondamento su molti, se non tutti, i corpi geometrici. Tuttavia, i bordi quadrati sono molto più facili da mescolare nel mondo FEA, e la maggior parte dei piccoli raccordi/arrotondamenti non influenzano i calcoli di spostamento globale. Gli strumenti CAD hanno in genere una funzione per aiutare la rimozione di raccordi/arrotondamenti, come il comando di riempimento in ANSYS Spaceclaim. L’uso appropriato di queste funzioni può diminuire rapidamente la complessità del modello con poco sforzo da parte dell’utente.

Integrazione di geometrie e vincoli efficaci

Un’altra semplificazione comune è la rimozione di corpi insignificanti o la loro sostituzione con geometrie o vincoli efficaci. Per esempio, la maggior parte degli assemblaggi meccanici include elementi di fissaggio, come bulloni e rivetti. A volte può essere necessario includere la geometria di un bullone nel modello; tuttavia, in molti casi, le geometrie dei bulloni possono essere sostituite con geometrie 3D molto semplificate, elementi beam 1D, o anche rimossi interamente e approssimati con vincoli di contatto rigido o condizioni al contorno fisse.

Per esempio, se lo shock meccanico viene simulato su un PCBA di 12″ per 12″, componenti molto piccoli come resistenze 0201 non avranno effetto sulla rigidità globale del modello e possono essere rimossi interamente. I componenti più grandi, come un SOIC a 16 PIN possono aver bisogno di essere modellati, ma la saldatura può essere sostituita e approssimata con un contatto rigido tra i cavi e la scheda. ANSYS Sherlock è uno strumento che può aiutare a generare un modello FEA-ready dalle informazioni disponibili nella fase di progettazione di un PCBA, prendendo le informazioni ECAD destinate alla produzione di PCBA e automatizzando la creazione di un modello PCBA semplificato, meshato e FEA-ready.

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