La simulazione nella progettazione dei giunti

simulazione lamiera

simulazione staffa lamieraNella realizzazione di qualunque manufatto in lamiera, in base all’ambito applicativo e ai requisiti che lo stesso deve soddisfare, al/ai materiale/i impiegato/i è possibile decidere a quale tipologia di giunzione affidarsi per la costruzione di assiemi più o meno complessi: dall’impiego di strutture imbullonate, incollate, giuntate per filettatura piuttosto che saldate sfruttando le diverse tecnologie disponibili. Una scelta che può diventare vincolante dal punto di vista progettuale per poter soddisfare esigenze di varia natura. Pensiamo per esempio a una parte che deve poter essere facilmente rimossa per ispezione, oppure che deve soddisfare stringenti requisiti di sicurezza e/o rispettare i previsti comportamenti di resistenza alle sollecitazioni. In questo contesto, il mercato mette a disposizione software sviluppati ad hoc, in grado di fornire tutti gli strumenti necessari per la verifica della bontà della soluzione adottata e della validità della stessa. Ne abbiamo parlato con Daniele Panfiglio, Managing Director COMSOL Italia, e con l’ing. Francesco Palloni, Business Development Manager di SmartCAE, ai quali abbiamo chiesto un parere anche sulle opportunità di poter sfruttare in modo proficuo la simulazione.

Come la simulazione agevola l’assemblaggio

di Gianandrea Mazzola

Dopo la corretta scelta della tecnologia di assemblaggio, la simulazione si rivela un utile strumento per capire se carichi e tensioni saranno ben distribuiti, risolvendo così eventuali criticità sul nascere per fornire un prodotto finito di qualità. Come la vostra soluzione agevola questo step nel mondo della lavorazione della lamiera?

Daniele Panfiglio, Managing Director COMSOL Italia

«Grazie ai suoi prodotti specifici per la meccanica strutturale – afferma Daniele Panfiglio, Managing Director COMSOL Italia – COMSOL Multiphysics permette di gestire sia assiemi completamente saldati, sia parti in contatto tra loro. È possibile importare le geometrie costruite nei CAD, impostare carichi e vincoli e poi visualizzare stati tensionali e di deformazione. Il software permette inoltre di studiare la dinamica di corpi rigidi, considerando anche componenti flessibili e connessioni tramite giunti di vario tipo, l’interazione con altre fisiche, come per esempio lo scambio termico, e lo studio della fatica in esercizio».
La suite software include anche diverse tipologie di elementi strutturali come piastre, membrane ed elementi trave che consentono di studiare strutture con elevati rapporti di forma, rendendo la verifica strutturale più efficace in termini di tempo di calcolo. «Naturalmente – osserva Panfiglio – la possibilità di parametrizzare tutte le impostazioni nella simulazione rende ancora più efficace il processo di verifica, perché questo permette per esempio di capire i limiti ultimi di esercizio delle strutture analizzate. Non dimentichiamo infine i processi di produzione delle lamiere, nei quali è necessario valutare le deformazioni plastiche dei prodotti finiti e, quindi, anche eventuali stati tensionali che potrebbero compromettere pezzi successivamente utilizzati in assiemi più grandi in esercizio».

Franscesco Palloni, Business Development Manager di SmartCAE

La riflessione di Francesco Palloni, Business Development Manager di SmartCAE, azienda che rivende tecnologia CAE e offre consulenza ingegneristica di cui è anche co-fondatore, richiama come l’utilizzo precoce del calcolo FEM, già in fase di progettazione, permetta l’individuazione sul nascere di eventuali problemi strutturali, con tutti i benefici tecnici ed economici che ne derivano.
«Benefici – dichiara Palloni – che confluiscono prima di tutto in una riduzione dei costi. Grazie alla simulazione il progettista riesce infatti a scartare le soluzioni meno promettenti e a concentrare i propri sforzi soltanto sui disegni migliori, accorciando quindi anche la fase di messa a punto del prototipo. Altro valore aggiunto riguarda sia la contrazione del time-to-market, in quanto sono richieste meno iterazioni tra progettazione e sperimentazione per la messa a punto del prodotto, sia l’innovazione del prodotto. In quest’ultimo caso, potendo valutare in ambiente “digitale” il comportamento di soluzioni costruttive differenti, l’azienda è in grado di proporre al mercato soluzioni di qualità mantenendo un elevato margine di profitto».
La modellazione a elementi finiti permette di schematizzare in maniera fedele i collegamenti tra le parti. Con il calcolo FEM è possibile determinare la distribuzione di carichi e tensioni nelle giunzioni per consentire verifiche molto dettagliate, per qualsiasi tecnologia di assemblaggio utilizzata.
«Con riferimento a viti e bulloni – prosegue Palloni – attraverso l’analisi FEM è possibile, ad esempio, modellare questa tipologia di giunzioni bullonate tenendo in conto delle forze di precarico nelle viti e nelle parti in contatto. Rispetto alle saldature esistono varie tecniche per schematizzare i cordoni, la cui scelta dipende dal tipo di verifica da eseguire e dalle normative di riferimento utilizzate. Per saldature a punti e rivetti, grazie a elementi dedicati è inoltre possibile modellare i collegamenti puntuali tra lamiere quali le saldature a punti, tipiche del mondo automobilistico, e i rivetti, caratteristici del settore aeronautico. Per giunzioni incollate, attraverso l’utilizzo degli elementi coesivi è possibile modellare un giunto incollato, spingendosi fino alla simulazione del danneggiamento progressivo».
Pertanto, attraverso l’utilizzo del software a elementi finiti il progettista ha a propria disposizione un ampio ventaglio di strumenti di modellazione che gli consentono di simulare il comportamento delle giunzioni tra lamiere per prevederne lo stato di sollecitazione e di deformazione.

La simulazione richiede una struttura e un know-how non sempre tipici delle classiche piccole e medie aziende italiane; tuttavia, al fine di guadagnare e di conservare un vantaggio competitivo, potrebbe rappresentare un’area di investimento strategica. Attraverso quali passi è possibile integrare tale tecnologia? Quali i benefici in termini di efficienza di processo e di ritorno dell’investimento?

Simulazione del danneggiamento progressivo di un giunto incollato

«L’introduzione di strumenti di simulazione nel flusso di lavoro – sottolinea Panfiglio di COMSOL Italia – può suscitare una iniziale diffidenza, ma rappresenta indubbiamente un passo importante verso una maggiore efficienza e competitività. Non solo per quanto riguarda lo sviluppo di nuovi prodotti, ma anche nell’ottica di migliorare, innovare e ottimizzare i prodotti esistenti. Il punto focale rimane comunque il capitale umano, che può beneficiare degli strumenti di simulazione sia in termini di aumento del know-how sui prodotti che vengono progettati sia, perché no, per la maggiore libertà di sperimentare soluzioni alternative o percorsi di ottimizzazione che spesso vengono scartati anche per i costi associati. Il ritorno dell’investimento è sicuramente molteplice e, nella maggior parte dei casi, abbastanza rapido: errori di progettazione e la conseguente reiterazione di prototipi pre-produzione possono richiedere costi ben superiori rispetto all’investimento per l’acquisto di un software di simulazione. Non dimentichiamo inoltre che l’uso di strumenti di simulazione aumenta la consapevolezza dei tecnici in fase di progettazione e le scelte che quotidianamente si devono compiere possono essere ponderate sulla base di maggiori dati oggettivi».
Non solo. Strumenti come le app di simulazione, create dai tecnici stessi in COMSOL Multiphysics sulla base di modelli realizzati con il software, consentono di poter condividere i risultati delle simulazioni con altri dipartimenti non direttamente coinvolti nella progettazione, ovverosia dalla produzione fino al nucleo vendite, permettendo loro di migliorare il processo realizzativo o la competitività dei propri prodotti nei confronti dei clienti finali.
«Parlando con i nostri clienti – rileva Palloni – ci siamo resi conto che i principali ostacoli che storicamente hanno rallentato l’adozione delle analisi FEM nelle PMI sono stati essenzialmente la complessità di questo tema e il costo della soluzione. Se questo poteva essere vero qualche anno fa, oggigiorno possiamo definire questi due ostacoli dei veri e propri “falsi miti”. Non è più vero che il software di simulazione è troppo complicato per il progettista. Gli sviluppatori delle varie soluzioni oggi disponibili sul mercato hanno fatto un grosso lavoro per rendere tutti gli strumenti sempre più intuitivi e facili da utilizzare, anche da chi ha poca esperienza con l’analisi agli elementi finiti. Anche il costo del software è diventato un concetto relativo».
Negli ultimi tempi tutti i principali editor hanno sviluppato svariati sistemi di licensing del software che si propongono di unire flessibilità e costo contenuto (abbonamenti in Subscription, SaaS – Software-as-a-Service, Pay-Per-Use), rendendo di fatto questa tecnologia realmente accessibile anche alla PMI.
«La maniera migliore per valutare gli effettivi benefici apportati all’azienda dalla simulazione strutturale – conclude Palloni – è senza dubbio la definizione di un progetto pilota, un “Proof of Concept”, attraverso il quale determinare le metriche richieste in termini di produttività e risparmio, con cui effettuare la stima del ROI calibrato sulla propria realtà. Pertanto, risulta fondamentale per l’azienda stessa, basare la propria selezione non soltanto sul “brand” del software a elementi finiti quanto, piuttosto, sull’individuazione del “partner” che sarà in grado di aiutarla a implementare con successo la tecnologia di simulazione».

1. COMSL: Modellare e simulare fenomeni accoppiati o multifisici

Software integrato per la modellazione e simulazione di qualsiasi sistema fisico e per la costruzione di app, COMSOL Multiphysics® ha un suo particolare punto di forza nella la capacità di modellare e simulare fenomeni accoppiati o multifisici. I suoi prodotti aggiuntivi ampliano la piattaforma di simulazione per applicazioni in campo elettrico, meccanico, fluidodinamico e chimico. In particolare, la suite include una gamma di prodotti specifici per l’analisi del comportamento meccanico delle strutture nei più svariati ambiti: dalla progettazione di componenti meccanici all’edilizia, dalla geomeccanica alla bioingegneria, fino alle nanotecnologie. Ci limitiamo qui a menzionare lo Structural Mechanics Module, che consente di simulare livelli di stress e deformazione, frequenze naturali, risposta a carichi dinamici e instabilità, solo per citarne alcuni; il Multibody Dynamics Module, per la simulazione di sistemi misti di corpi rigidi e deformabili, dove ogni corpo può essere soggetto a grandi spostamenti rotazionali o traslazionali; il Fatigue Module, per l’analisi della fatica ad alto e basso numero di cicli. La combinazione di questi prodotti con altri moduli della suite permette poi di estendere ulteriormente le analisi per includere trasferimento di calore, elettromagnetismo ed effetti legati alla fluidodinamica — tutto in un unico ambiente di simulazione.

2. Dassault Systèmes: Strumenti potenti e facili per innovare e accelerare ogni aspetto del processo di sviluppo del prodotto

La soluzione SOLIDWORKS® di Dassault Systèmes offre un sistema integrato che consente ai team di progettazione e produzione di lavorare insieme contemporaneamente. La messa a disposizione di tutti gli strumenti in un unico ambiente virtuale snellisce il processo di trasferimento dei dati e facilita la collaborazione tra i vari dipartimenti, operazione che richiede molto tempo e che spesso comporta errori e lacune in termini di passaggio delle informazioni. I progettisti e gli ingegneri possono così dedicare più tempo all’ottimizzazione della progettazione, con la tranquillità che le modifiche eventualmente apportate saranno subito visibili e condivise a tutto il team coinvolto nella progettazione e nella produzione. In questo modo le aziende possono passare più rapidamente e più facilmente dalla progettazione concettuale alla produzione. L’integrazione di applicazioni di progettazione e produzione in un unico sistema è un fattore critico di successo. La nuova release SOLIDWORKS 2021 comporta miglioramenti notevoli in termini di prestazioni: oltre alla possibilità di creare flange di bordo delle parti in lamiera insieme ai bordi non lineari, è disponibile un nuovo selettore colori per definire con accuratezza gli aspetti, così che le equazioni possano essere valutate nelle proprietà personalizzate e nelle proprietà della distinta di taglio di saldature e parti in lamiera. Grazie a funzionalità specifiche, il software consente di creare oggetti di lamiera complessi, risparmiando su tempi e costi di sviluppo. Permette inoltre di ridurre i rischi di errore e di velocizzare i processi manuali ripetitivi. Il software offre infatti un ambiente di sviluppo 3D intuitivo, che consente di ottimizzare la produttività delle risorse di progettazione e produzione per creare prodotti migliori in modo più rapido e conveniente. La presenza del comando “Converti in lamiera” consente di passare da un file importato all’ambiente lamiera in SOLIDWORKS, aggiornando velocemente i parametri utilizzando le tabelle di piegatura (fattore K, bend deduction, bend allowance). Grazie all’esportazione diretta in formato DXF dal modello 3D, inoltre, è possibile velocizzare il time to market, evitando la creazione manuale dei disegni e generando un file DXF in scala 1:1 pronto per essere inviato in produzione alla macchina da taglio.

3. SmartCAE: Soluzioni di simulazione strutturali

SmartCAE dal 2002 mette a disposizione delle aziende la simulazione al calcolatore, attraverso una combinazione tra software CAE professionali, formazione e servizi di consulenza svolti da personale qualificato. In quasi 20 anni di attività ha aiutato decine di aziende a implementare con successo la modellazione a elementi finiti nel proprio workflow di progettazione fornendo formazione, supporto metodologico e assistenza tecnica. Attraverso l’utilizzo consapevole dei software di analisi i clienti serviti sono in grado di replicare i test di qualifica sperimentale del prodotto, prevenendo i problemi e favorendo l’innovazione. SmartCAE è partner di Siemens Digital Industry Software per le soluzioni di simulazione al calcolatore strutturali Simcenter 3D, Simcenter Femap e Simcenter Nastran. Simcenter 3D è un ambiente CAE moderno e multidisciplinare per analisti, gruppi di lavoro e progettisti esperti che desiderano valutare rapidamente le prestazioni del prodotto. Diversamente dagli strumenti CAE tradizionali, che trattano ogni singola disciplina in ambienti separati, esso integra la modellazione multi-disciplinare, dal trattamento della geometria all’esecuzione della simulazione, dalla visualizzazione dei risultati alla gestione dei dati, tutto in un unico ambiente. Simcenter Femap è uno dei migliori modellatori FEM in circolazione, col quale è possibile creare modelli a elementi finiti di componenti singoli e sistemi complessi partendo dalla geometria realizzata con qualsiasi software CAD 3D, assegnare condizioni al contorno realistiche per replicare l’effettivo funzionamento del prodotto, interpretare al meglio i risultati per prendere la decisione migliore sul progetto. Il solutore Nastran è infine un software per il calcolo a elementi finiti (FEM) per lo studio di stress, vibrazioni, instabilità elastica, cedimenti strutturali, scambio termico, acustica, aeroelasticità, utilizzato da oltre 40 anni a livello industriale. Aziende manifatturiere e fornitori di ingegneria nei settori aerospaziale, automobilistico, elettronico, veicoli industriali, dispositivi medicali, si affidano a questo solutore per le analisi strutturali, in maniera da produrre progetti sicuri, affidabili e ottimizzati, riducendo drasticamente il ciclo di sviluppo del prodotto.

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