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Analisi statica di una partePiastra rettangolareforataIn questo primo tutorial si pre-senta l’interfaccia di SolidWorksSimulation, le operazioni baseper effettuare un’analisi struttu-rale, e gli strumenti grafici perinterpretare i risultati.L’oggetto dell’analisi è una pia-stra d’acciaio rettangolare lunga200 mm, alta 100 mm e spessa10 mm. Al centro della piastra èposto un foro passante di 40mm di diametro (fig. 1).La piastra verrà vincolata rigi-damente sul lato di sinistra e ca-ricata con una forza di trazionedi 100 kN sulla faccia opposta(in direzione perpendicolare al-la faccia stessa).

Preparazione ed analisiSi modelli la piastra rettangolarecon le dimensioni di figura 1 e lasi salvi con il nome di“piastra.SLDPRT”. Si consiglia disalvare il file in una cartella dedi-cata per una più semplice gestio-ne, dal momento che il softwareha come impostazione di defaultil salvataggio dei file dei risultatinella stessa cartella del compo-nente.Una volta completato il modellosolido, si può avviare So-lidWorks Simulation. Se tra imenu a tendina non è disponi-bile la scheda “Simulation” è ne-cessario caricare l’applicativodal tastino delle opzioni, sele-zionando “Aggiunte...” e poispuntando “Solidworks Simula-tion” (fig. 2). A questo punto èpossibile avviare l’analisi FEAcliccando su “Studio...” nel me-nu “Simulation”(fig. 3). Alternativamente è possibile clic-care col tasto destro sulla sche-da “studio di movimento” delmotion manager in basso alloschermo e selezionare “crearenuovo studio di simulazione”(fig.4).

Nel nuovo menù siselezioni l’icona“Statico”, si assegniil nome allo studio“Piastra Forata“ e siconfermi (fig. 5).Prima dell’imposta-zione dell’analisi èconsigliabile defini-re alcune opzionida utilizzare comedefault per un piùfacile utilizzo. Clic-cando su “Opzio-ni...“ nel menù “Simulation“ (fig. 6),è possibile definirele unità di misura, igrafici dei risultati ediverse altre opzio-ni.

Nella scheda “Opzioni di default” si sele-zionino le unità di misura “SI”, oppure sipersonalizzino come in fig. 7, e formatonumero “mobile” su “grafico a colori”(fig. 8).

Fig. 1. Geometria della piastra da analizzare.

Fig. 2

Fig. 3

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 6

È anche possibile stabilire quali grafici sa-ranno generati di default cliccando col, ta-sto destro su “Risultati di studio Statici” eselezionando “aggiungi nuovo grafico”(fig. 9). In genere si impostano 3 grafici:

• Sollecitazione nodale con “VON: solle-citazione Von Mises” come componenterisultati (fig. 10)

• Spostamento con “URES: spostamentorisultante” come componente risultati.

• Deformazione nodale con “ESTRN:deformazione equivalente” come com-ponente risultati.

Svolte queste opzioni preliminari, si osservicome è organizzato l’ambiente di lavoroin SolidWorks Simulation. A fianco delleschede “Funzioni”, “Schizzo”, ecc. è pre-sente la scheda “Simulation” dalla quale èpossibile utilizzare gli strumenti di analisi;al di sotto dell’albero delle funzioni di So-lidWorks è presente un altro ambiente construttura ad albero che permette di gestiregli elementi di simulazione (materiale, ca-richi, vincoli, mesh, risultati, ecc.) in mododel tutto analogo a come si gestiscono lefunzioni in SolidWorks (fig. 11).

Fig. 8

Fig. 10

Fig. 7

Fig. 9

Fig. 11. Albero delle funzioni diSolidWorks e dello studio di So-lidWorks Simulation

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Alternativamente all’utilizzo della schedasimulation, è possibile aggiungere deglielementi di simulazione cliccando col tastodestro su una qualsiasi voce dell’alberoche permettono di passare dall’ambientedi analisi (il nome dello studio “piastra fo-rata”) a quello di modellazione e viceversa(“Modello”, fig. 12).A questo punto si può procedere con l’im-postazione dell’analisi, effettuando la pri-ma operazione di definizione delmateriale. Nell’albero dello studio di simu-lazione si clicca con il tasto destro sull’ico-na del componente piastra e si sceglie“Applica/Modifica materiale...”(fig. 13). Verrà presentato l’editor del materiale conle varie librerie, categorie di materiali, el’indicazione delle proprietà di ciascunmateriale. All’interno della scheda acciaio si scelga“AISI 304” e si confermi cliccando su “Ap-plica” e poi “Chiudi” (fig. 14). Si noti chesono comparsi un segno di spunta sull’ico-na della parte (ad indicare che il materialeè stato già applicato) e l’indicazione delmateriale a fianco di essa.Si procede ora con la definizione dei vin-coli. Si clicchi con il tasto destro sull’icona“Vincoli” e si selezioni “geometria fissa”.

Verrà aperto un property mana-ger che mostra un’animazioneche dà un’idea molto chiara di co-me si deformerebbe il componentesotto l’azione di un carico esternose fosse vincolato secondo la scel-ta effettuata. Il property managerpermette eventualmente di sceglie-re altri vincoli standard (es. patti-no/carrello, cardine fisso), oppuredi passare alla modalità avanzataper una maggiore personalizza-zione del vincolo.

Nel caso in esame si selezioni lasuperficie sinistra della piastra esi confermi (fig. 15).

Fig. 12. Barra degli strumenti di SolidWorks Simulation.

Fig. 13

Fig. 14

Fig. 15

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Nella nuova finestra è possibile impostarela geometria da caricare, scegliere se uti-lizzare una forza normale alla superficieo in un’altra direzione da indicare, speci-ficare infine verso e modulo della forza. Siscelga la faccia opposta a quella vincolatae si imposti una forza normale di 100.000N. Si verifichi che la forza sia uscente (incaso contrario spuntare la casella “Dire-zione contraria”) e confermare (fig. 17).Nell’albero dello studio è ora visibile l’ico-na del carico impostato e la piastra appa-rirà come in figura 18.

Il passo successivo consiste nell’im po -stazione del carico sulla faccia opposta aquella vincolata. Cliccando col tasto destrosull’i co na “Carichi esterni” si apre unmenù che consente di scegliere tra diversitipi di azioni esterne. Si scelga “Forza...”(fig. 16).

Definite le condizioni al contorno si puòeseguire la discretizzazione del modello.Si clicchi col tasto destro sull’icona “Mesh”e si scelga “Crea mesh...”.

Fig. 16

SolidWorks Simulation visualizza dei sim-boli sulla faccia vincolata per indicarequali siano i gradi di libertà soppressi suquella particolare geometria (le frecce in-dicano una direzione su cui lo spostamen-to traslazionale è impedito, mentre i cerchialla base delle frecce indicano una dire-zione su cui è impedito lo spostamento ro-tazionale).Nell’albero dello studio è ora visibile l’ico-na relativa al nuovo vincolo. Come perl’albero di SolidWorks, cliccando col tastodestro su di essa, è possibile modificare orimuovere il vincolo impostato.

Fig. 17

Fig. 18. Vincoli (in verde) e carichi (in rosa) applicati alla piastra forata.

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Si imposti una dimensione di mesh di 5mm come in figura 22 e si confermi. In po-chi secondi SolidWorks Simulation crea lamesh del pezzo rendendo visibili gli ele-menti finiti che la compongono; compareanche un segno di spunta sulla relativaicona nell’albero dello studio.

Prima di effettuare l’analisi, può essere co-modo creare un sensore che avverta l’u-tente quando il pezzo giunge asnervamento (in modo da non dover perforza ricorrere ai grafici per ricavare que-sta informazione).

Fig. 19 Fig. 20

Fig. 21. Il mesher basato sulla curvatura riesce a discretizzare geometrie particolarmentecomplicate anche quando sono presenti piccole feature geometriche come raccordi, smussi,fori intersecanti. La fase di generazione della mesh sulla superficie utilizza tutti i core dellaCPU.

Nella finestra successiva l’utente può im-postare i parametri di mesh (fig. 19):

Densità mesh

Agendo sulla barra di scorrimento l’utentepuò scegliere se creare una mesh più gros-solana (“mediocre”) con minor precisione,ma anche minor tempo di calcolo, oppureuna mesh con elementi più piccoli (“sotti-le”) che danno luogo sicuramente ad unamaggior precisione, ma anche ad un au-mento deciso dei tempi di calcolo.

Parametri della mesh

Questa opzione permette di definire unvalore discreto di dimensione della meshe della tolleranza. Di default la tolleranzaè sempre fissata al 5% del valore della di-mensione della mesh, ma vi potrebbero es-sere dei casi in cui risulti necessarioregolarla.In genere il valore di tolleranza deve esse-re almeno inferiore alla dimensione dellafeature più piccola presente nel modello(altrimenti viene ignorata dal meshatore)Ad esempio, se il modello di figura 20 hauno smusso da 0,2 mm e viene impostatauna mesh da 5 mm, la tolleranza sarà di0,25 mm e lo smusso verrà ignorato. Ab-bassando la tolleranza a 0,19 mm, la me-sh viene applicata allo smusso.Nel caso l’operazione di meshatura nonvada a buon fine, è possibile eventualmen-te utilizzare il comando mesher basato sul-la curvatura, che infittisce in automatico lamesh dove vi siano delle variazioni geo-metriche e di curvatura (es. sui raccordi,fig. 21).

Controllo di mesh Avanzato

Il controllo Jacobiano permette di control-lare la distorsione degli elementi, la meshdi qualità bozza permette di creare ele-menti del primo ordine, mentre prove au-tomatiche per il solido permette alsoftware, in caso di fallimento della mesh,di riprovare a meshare il modello con unadimensione più piccola andando avanticon un certo numero di tentativi, o finchéla mesh non abbia successo.

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Dall’albero di SolidWorks, cliccare col ta-sto destro su “sensori”, e selezionare “ag-giungi sensore”.

Successivamente impostare le opzioni“Dati simulation” come tipo di sensore,spuntare “fattore di sicurezza”, e “è mino-re di 1” su avviso (fig. 23). Verrà visualiz-zata l’icona del sensore nell’albero diSolidWorks.Per mandare lo studio in soluzione, clicca-re con il tasto destro sul nome dello studioe quindi su “Esegui...”. Al termine del calcolo sarà possibile visua-lizzare i grafici dei risultati impostati nelmenù opzioni. Contestualmente comparenell’albero dello studio la cartella “Risulta-ti” contenente tali grafici.

Per visualizzare altri grafici oltre a quelligenerati di default si clicca con il tasto de-stro sull’icona “Risultati” e si seleziona lavoce di interesse, ad esempio “Definiscigrafico della sollecitazione...” (fig. 24). Inseguito si può scegliere il tipo di grafico, adesempio “TXZ: Taglio in direzione Z sul pia-

Fig. 22

Fig. 23 Fig. 24

Fig. 25

Fig. 26

no YZ“, l’unità di misura (MPa) e l’opzione“automatica” su scala di deformazione (af-finché sia più evidente come si deforma ilpezzo). Il nuovo grafico comparirà all’in-terno della cartella risultati (fig. 25).

Poiché il modello è arrivato a snervamen-to, il sensore darà un segnale di avverti-mento (fig. 26).Facendo doppio click sul grafico di solle-citazione di Von Mises, è possibile visua-

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Fig. 27

Fig. 28

Fig. 29

lizzare la distribuzione delle sollecitazionisul modello (fig. 27). La freccia sulla barra verticale a destra in-dica il valore di snervamento, e quindipermette di dedurre quali siano le zonesoggette a snervamento.Poiché è molto facile che un utente pocoesperto sia fuorviato dai grafici, vengonoindicati alcuni strumenti utili a comprende-re se e dove sia snervato il modello.

Grafici ISO

Cliccando col tasto destro sulla legenda èpossibile definire un grafico ISO. Inseren-do un valore pari allo snervamento delmateriale (206.807 MPa) vengono mo-strate solo le zone dove la sollecitazione èsuperiore a tale valore (fig. 28).

Colore diverso per le zone al di sopra dellimite di snervamento

È possibile attribuire un colore diverso allezone che sono già snervate cliccando coltasto destro sulla legenda, selezionando“opzioni dei grafici” e, nel riquadro “op-zioni del colore”, spuntando “specifica co-lore per i valori oltre il limite disnervamento (fig. 29). Lasciando il coloredi default, verranno rappresentate in sca-la di grigio le zone già soggette a snerva-mento (fig. 30).

Grafico del fattore di sicurezza

Impostando un valore di controllo del fat-tore di sicurezza, vengono mostrate le zo-ne del modello con valori al di sotto(rosso) o al di sopra (blu) di quel valoredi controllo.Cliccare col tasto destro sulla cartella “Ri-sultati” e selezionare “Definisci grafico delfattore di sicurezza“ (fig. 31). Nella primaschermata, lasciando l’impostazione auto-matica, viene indicato che il software uti-lizza il criterio di calcolo del fattore disicurezza memorizzato nelle caratteristi-che del materiale (Von Mises, Tresca,Mohr Colulomb, sollecitazione massimanormale). Il fattore di sicurezza può even-tualmente essere modificato seguendo la

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Fig. 30

Fig. 32

Fig. 33

Fig. 31

procedura delle finestre di dialogo della fi-gura 32, cliccare sulla freccia per andareavanti nelle fasi successive; in questo modoè possibile introdurre un eventuale fattoremoltiplicativo peggiorativo della tensionelimite presa in considerazione. Nell’ultimaschermata per effettuare un controllo sullosnervamento, selezionare “Aree sotto ilfattore di sicurezza” ed indicare un valorepari ad 1. Dalle informazioni della finestraè già possibile sapere se il componente sisia snervato, in quanto viene indicato il va-lore del fattore di sicurezza minimo nelmodello. Ad esempio, se si utilizza il crite-rio di Von Mises, il fattore di sicurezza èdescritto dalla seguente relazione:𝜎snervamento

FOS ��———————————𝜎massima nel modello

Ne consegue che:• Quando è minore di 1 è avvenuto losnervamento nella zona di massima sol-lecitazione.

• Quando è maggiore di 1 non è avvenu-to snervamento.

Il grafico di figura 33 creato con questaprocedura indicherà in rosso le zone sner-vate (con fattore di sicurezza �1) e quellenon snervate (fattore di sicurezza �1). SolidWorks Simulation fornisce anche lapossibilità di visualizzare le reazioni vin-colari (in questo caso ci si aspetta una rea-zione di 100.000 N in direzione oppostaa quella del carico) tramite il comando“Elenco forze risultato” attivabile col tastodestro sulla cartella risultati (fig. 34).

Fig. 34. Cliccando su una faccia su cui è presente un vincolo, e poi su “aggiorna” è possibilevisualizzare le reazioni vincolari rispetto al sistema di riferimento globale e anche la risultante.