Manuale:Creare analisi FEM

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FEM sta per Finite Element Method (metodo degli elementi finiti). Si tratta di un vasto argomento di matematica, ma in FreeCAD possiamo riassumerlo come un modo per calcolare le propagazioni all'interno di un oggetto 3D, tagliandolo in piccoli pezzi, e analizzando l'impatto di ogni piccolo pezzo rispetto a quelli vicini. Questo ha diversi utilizzi nei campi dell'ingegneria e dell'elettromagnetismo, ma qui vedremo in modo più approfondito il suo utilizzo già ben sviluppato in FreeCAD, per simulare le deformazioni negli oggetti che sono sottoposti a forze e pesi.

In FreeCAD tale simulazione è fatta con l'ambiente FEM. Si tratta di diverse fasi: preparare la geometria, impostare il suo materiale, eseguire la meshing, dividere in parti più piccole, come abbiamo fatto nel capitolo Preparare gli oggetti per la stampa 3D, ed infine calcolare la simulazione.

Exercise fem 01.jpg

Preparare FreeCAD

La simulazione vera e propria viene effettuata con un altro pezzo di software, che viene utilizzato da FreeCAD per ottenere i risultati. Dato che ci sono diverse interessanti applicazioni FEM open-source di simulazione disponibili, l'ambiente FEM è stato costruito in modo da poterne utilizzare più di una. Tuttavia, per ora è pienamente implementato solo CalculiX. È anche necessario un altro pezzo di software, chiamato NetGen, che è responsabile della generazione della suddivisione in maglie. Le istruzioni dettagliate per l'installazione di questi due componenti sono fornite nella documentazione di FreeCAD.

Preparare la geometria

Utilizzeremo la casa modellata nel capitolo Modellazione BIM. Tuttavia, devono essere fatte alcune modifiche per rendere il modello adatto ai calcoli FEM. Si tratta, in sostanza, di scartare gli oggetti che non vogliamo includere nel calcolo, come ad esempio la porta e la finestra, e di unire tutti gli oggetti rimanenti in uno solo.

  • Caricare il modello di casa creato in precedenza
  • Eliminare o nascondere l'oggetto pagina, i piani di sezione e le dimensioni, in modo che rimanga solo con il modello
  • Nascondere la finestra, la porta e la soletta del piano terra
  • Nascondere anche le travi di metallo del tetto. Dato che sono oggetti molto diversi dal resto della casa, non includendoli si semplifica il calcolo. Invece, considereremo il solaio di copertura come se fosse posto direttamente sulla parte superiore delle pareti.
  • Ora spostare la soletta del tetto verso il basso in modo che appoggi sulla parte superiore delle pareti: modificare l'oggetto Rettangolo usato come base del solaio di copertura, e cambiare il suo valore Placement->Position->X da 3.18 m a 3.00 m
  • Ora il modello è ripulito:

Exercise fem 02.jpg

  • Attualmente l'ambiente FEM può calcolare solo le deformazioni su un singolo oggetto. Pertanto, bisogna unire i due oggetti (il muro e la soletta). Passare nell'ambiente Part, selezionare i due oggetti, e premere il pulsante Part Union.png Unione. Ora abbiamo ottenuto un oggetto fuso:

Exercise fem 03.jpg

Creare l'analisi

  • Ora siamo pronti per iniziare una analisi FEM. Passare all'ambiente FEM
  • Selezionare l'oggetto fuso
  • Premere il pulsante FEM Analysis.png Nuova analisi
  • Viene creata una nuova analisi e si apre un pannello per le impostazioni. Qui è possibile definire i parametri di meshing da utilizzare per produrre la mesh FEM. L'impostazione principale da modificare è il Max Size che definisce la dimensione massima (in millimetri) di ciascuna parte della mesh. Per ora, possiamo lasciare il valore predefinito di 1000:

Exercise fem 04.jpg

  • Dopo aver premuto OK e pochi secondi di calcolo, la mesh FEM è pronta:

Exercise fem 05.jpg

  • Ora possiamo definire il materiale da applicare alla mesh. Questo è importante perché secondo la resistenza del materiale,l'oggetto reagisce in modo diverso alle forze ad esso applicate. Selezionare l'oggetto Analisi e premere il pulsante FEM MaterialSolid.png Nuovo materiale.
  • Si apre un pannello delle attività che consente di scegliere un materiale. Nell'elenco a discesa dei Materiali, scegliere Concrete-generic, e premere OK.

Exercise fem 06.jpg

  • Ora siamo pronti ad applicare le forze. Iniziamo specificando quali facce sono fissate nel terreno e, pertanto, non possono muoversi. Premere il pulsante FEM ConstraintFixed.png Vincolo fissaggio.
  • Cliccare sulla faccia inferiore dell'edificio e premere OK. ra la faccia inferiore è indicata come inamovibile:

Exercise fem 07.jpg

  • Ora aggiungeremo un carico sulla faccia superiore, che potrebbe rappresentare, per esempio, un peso massiccio distribuito sul tetto. Per questo useremo un vincolo pressione. Premere il pulsante FEM ConstraintPressure.png Vincolo pressione .
  • Fare clic sulla faccia superiore del tetto, impostare la pressione di 10MPa (la pressione viene applicata per millimetro quadrato) e fare clic sul pulsante OK. Ora la forza è applicata:

Exercise fem 08.jpg

  • Ora siamo pronti per iniziare il calcolo. Selezionare l'oggetto CalculiX nella vista ad albero, e premere il pulsante FEM ControlSolver.png Calcola.
  • Nel pannello delle attività che si apre, cliccare prima il pulsante Write .inp file per creare il file di input per CalculiX, poi il pulsante Run CalculiX. Pochi istanti dopo il calcolo viene eseguito:

Exercise fem 09.jpg

  • Ora possiamo guardare ai risultati. Chiudere il pannello delle attività, e vedere che all'analisi è stato aggiunto un nuovo oggetto Risultati .
  • Fare doppio clic sull'oggetto Risultati
  • Impostare il tipo di risultato che si desidera visualizzare sulla mesh, per esempio "absolute displacement", spuntare la casella di controllo show sotto Displacement, e spostare il cursore accanto ad essa. È possibile vedere che la deformazione aumenta man mano che si applica una forza maggiore:

Exercise fem 10.jpg

Naturalmente, i risultati visualizzati attualmente dall'ambiente FEM non sono sufficienti per prendere delle decisioni reali sul dimensionamento delle strutture e sui materiali. Tuttavia, essi possono già dare preziose informazioni su come le forze fluiscono attraverso una struttura, e quali sono le aree deboli maggiormente sottoposte allo stress.

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