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Progettazione FEM Prof. Sergio Baragetti 1 a cura del dott. Emanuele Vincenzo Arcieri COMANDI BASE DI ABAQUS a cura del dott. Emanuele Vincenzo Arcieri Corso di Progettazione FEM 1. Set directory di lavoro Scegliere la cartella di lavoro, ossia la cartella in cui verranno salvati tutti i file. I file utili sono: - CAE: file contenente geometrie e modello FEM - INP: file contenente solo il modello FEM, è il file dato in input al solutore - ODB: file di risultati. File > Set Work Directory > Click su > Scegliere cartella > OK. Attenzione: la scelta della cartella avviene facendo solo un click (Tut1 è la cartella in cui verranno salvati i file, Figura 1). Figura 1. Select Work Directory.

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1 a cura del dott. Emanuele Vincenzo Arcieri

COMANDI BASE DI ABAQUS a cura del dott. Emanuele Vincenzo Arcieri

Corso di Progettazione FEM 1. Set directory di lavoro Scegliere la cartella di lavoro, ossia la cartella in cui verranno salvati tutti i file. I file utili sono: - CAE: file contenente geometrie e modello FEM - INP: file contenente solo il modello FEM, è il file dato in input al solutore - ODB: file di risultati.

File > Set Work Directory > Click su > Scegliere cartella > OK. Attenzione: la scelta della cartella avviene facendo solo un click (Tut1 è la cartella in cui verranno salvati i file, Figura 1).

Figura 1. Select Work Directory.

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2. Salvataggio del file CAE File > Save as. 3. Ambiente di lavoro Per la creazione del modello in Abaqus si può procedere in due modi: - Seguendo l’albero modello (a sx della schermata, freccia rossa in Figura

2) - Seguendo i moduli (sopra alla schermata blu, freccia rossa in Figura 2)

Il seguire una delle due alternative nell’ordine proposto da Abaqus permette di ridurre al minimo le dimenticanze.

Figura 2. Ambiente Abaqus.

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4. Tutorial #1: Simulazione di una trave incastrata soggetta a carico sull’estremità libera mediante l’uso di elementi beam

4.1. Creazione della parte

Per ogni modulo c’è un pannello di comandi (rettangolo verde in Figura 2). La prima colonna di questo pannello serve di solito per la creazione dei vari oggetti, la seconda colonna contiene i Manager, ossia le liste delle entità create. Dai Manager si possono cancellare o editare i vari oggetti e crearne di nuovi (Figura 3).

Figura 3. Esempio di Manager: Part manager.

Per ogni modulo, è consigliabile iniziare dal primo pulsante nella prima colonna del pannello e seguire l’ordine proposto.

Click su > Compilare schermata come Figura 4 > Continue. Modelling space è lo spazio in cui si troverà l’oggetto (componente meccanico in sé + carichi e vincoli).

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Type fa riferimento alla deformabilità dell’oggetto. Shape dà l’informazione su che tipi di elementi finiti si useranno (wire=filo=elemento 1D). Approximate size si riferisce alla dimensione della griglia su cui si disegnerà la parte.

Figura 4. Creazione parte.

A questo punto si apre una schermata con vari comandi per realizzare uno sketch. I comandi più elementari sono evidenziati in Figura 5 e servono per vincolare lo sketch. Il primo vincolo da dare ad uno sketch è il fissaggio di un punto o asse (fixed nel pannello dei vincoli). Per ogni comando in Abaqus è consigliato leggere le istruzioni che compaiono nella parte bassa dello schermo (rettangolo rosso in Figura 5). Il

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comando Done (per confermare l’istruzione) può essere dato anche facendo click sul tasto centrale del mouse.

Figura 5. Comandi per lo sketch.

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Lo sketch in Figura 6 è correttamente vincolato (colore verde). Se lo sketch fosse giallo, vuol dire che mancano dei vincoli; se qualche quota fosse viola, vuol dire che quella dimensione è sovravincolata.

Figura 6. Sketch correttamente vincolato.

Click due volte su tasto centrale del mouse. 4.2. Modifica della parte Aprire tutto l’albero fino ad arrivare a Section sketch (Figura 7) > Click con tasto dx del mouse > Edit > Modificare lo sketch > Due click tasto centrale mouse. A questo punto compare un messaggio in cui viene comunicato che bisogna rigenerare la feature: OK nella finestra di messaggio > Su Features nell’albero click con tasto dx del mouse > Regerate.

Figura 7. Albero della parte.

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4.3. Assegnazione del materiale e della sezione

> Name: acciaio > Mechanical > Elasticity > Elastic > Compilare come in Figura 8.

Figura 8. Creazione materiale “acciaio”.

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In questo modo abbiamo definito un materiale con comportamento lineare-elastico. Abaqus non ha unità di misura. Queste sono implicitamente definite dall’utente in base ai valori inseriti. Per le analisi statiche si suole usare le seguenti unità di misura: t, mm, s. Per le analisi ad alta dinamica: kg, mm, ms. ATTENZIONE AD INSERIRE I VALORI CORRETTI! Profile (Figura 9) > Create > Name: tubo > Circular > r:7. Per le unità di misura che stiamo usando, 7 vuol dire 7 mm.

Figura 9. Creazione profile.

> Name: Section-1 > Beam > Beam > Continue. In Profile name dovrebbe comparire tubo, mentre in materiale acciaio. Questo perché al momento abbiamo solo un profile e un materiale. Nel caso ci fossero più materiali e/o profile, bisogna compilare i campi aprendo i menu a tendina. Click su OK.

Per assegnare la sezione all’oggetto: > Click sul filo disegnato (questo diventa rosso > Tasto centrale del mouse > OK. Nella schermata apparirà quanto in Figura 10.

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Figura 10. Sezione assegnata (color verde acqua).

Bisogna a questo punto assegnare l’orientamento della sezione. L’orientamento viene definito tramite una terna t-n1-n2. t è il vettore che corre lungo l’asse della trave, n1 e n2 giacciono sul piano della sezione, normale a t.

> Click sul filo > Tasto centrale > Tasto centrale > Tasto centrale. Questa sequenza vale per la sezione circolare per cui va bene un qualsiasi orientamento dei versori n1 e n2. Per una trave ad I, n1 e n2 sono orientati come in Figura 11.

Figura 11. n1 e n2 per trave ad I.

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Per controllare la corretta orientazione: View (Figura 12) > Part Display Options > Render beam profile (Penultimo flag).

Figura 12. View.

Si ottiene quanto in Figura 13.

Figura 13. Render beam profile.

4.4. Creazione assembly

> OK. 4.5. Creazione step

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Questo modulo serve per definire il tipo di analisi (statica, dinamica, termica, …) che si vuole svolgere. Un esempio chiarirà quanto detto. Supponiamo di dover simulare la trave in due condizioni di carico:

a) carico in estremità pari a 100 N verso l’alto b) carico in estremità pari a 50 N verso il basso

Adottiamo per risolvere il problema un solutore statico-lineare. Anziché creare due file CAE con modelli uguali a meno del carico in estremità, possiamo creare direttamente due step. In questo modo la soluzione del secondo step viene trovata a partire dalla soluzione del primo, pur non essendone influenzata, poiché ci troviamo di fronte ad un’analisi appunto lineare.

> Name: carico100 > Static general > Continue > OK.

Di nuovo: > Name: carico50 > Static general > Continue > OK.

Aprendo lo step manager (tasto a dx di ) si ha quanto in Figura 14.

Figura 14. Step manager.

4.6. Carichi e condizioni di vincolo

Click su > Compilare come in Figura 15 > Continue > Selezionare il nodo di estremità a dx > Tasto centrale > Compilare come in Figura 16. CF1, CF2 e CF3 indicano rispettivamente le componenti in direzione x, y e z.

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Figura 15. Creazione carico.

Figura 16. Valori carico.

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Fare lo stesso per il carico da 50 N verso il basso. Rispetto a quanto visto in precedenza: - Name: Forza50 - Step: carico50 - CF2: -50.

Click sul tasto a dx di . Si avrà la situazione di Figura 17. Abbiamo quindi Forza50 applicata solo nello step carico50 mentre Forza100 è applicata in entrambi gli step. Per disattivare Forza100 da carico50, fare un solo click su Propagated e cliccare Deactivate. Si ottiene Figura 18. I tasti Move right e Move left servono per spostare il carico da uno step a quello immediatamente a dx o sx. Di default, i carichi vengono propagati agli step successivi.

Figura 17. Load Manager.

Figura 18. Load Manager (carichi negli step corretti).

Per creare le condizioni di vincolo, click su > Name: incastro > Step: carico100 > Displacement/rotation > Continue > Selezionare estremità sinistra del filo > Tasto centrale > Flaggare tutti i gradi di libertà (U1, U2, U3, UR1, UR2, UR3, dove 1, 2 e 3 hanno lo stesso significato di prima) e lasciarli uguali a 0.

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Questo vuol dire avere imposto spostamenti nulli in tutte le direzioni e rotazioni nulle attorno a tutti gli assi, ossia realizzare un vincolo di incastro. 4.7. Mesh

> Approximate global size: 50 > OK > Tasto centrale. L’approximate global size è la taglia media della mesh. Inserire 50 vuol dire che gli elementi avranno taglia media pari a 50 mm.

> Yes. In questo modo si è meshato l’oggetto, che apparirà come in Figura 19.

Figura 19. Oggetto meshato.

4.8. Lancio dell’analisi

> Name: Job-trave_incastrata > Continue > OK. Per velocizzare l’analisi, si possono impiegare più core:

> Name: Job-trave_incastrata > Continue > Parallelization (Figura 20) > Use multiple processors:4 > OK.

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Figura 20. Parallelization.

Click su Job Manager > Submit (Figura 21).

Figura 21. Job Manger.

Per verificare lo stato del calcolo, si può fare click su Monitor. Il calcolo è concluso quando lo Status diventa Completed. Nel momento in cui si lancia il Job, nella cartella di lavoro viene creato il file Job-trave_incastrata.inp. Quando il calcolo è concluso, nella cartella di lavoro appare il file Job-trave_incastrata.odb. 4.9. Post-processing (visualizzazione risultati) Per vedere i risultati, si hanno varie strade: - Click su Results dal pannello Job Manager (Figura 22) - Cliccando direttamente sul file ODB nella cartella di lavoro

- Click su > File Filter: Output database (*.odb) > Click sul file.

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Figura 22. Results.

Click su . Appare quanto in Figura 23.

Figura 23. Schermata di risultati.

Nella parte bassa di Figura 23, compare “Step: carico50, Increment 1: Step Time = 1.000”: quella che si sta vedendo è la soluzione del secondo caso di carico (avevamo chiamato lo step “carico50”). Per poter vedere i risultati degli altri step, basta usare i pulsanti nei riquadri verdi. Le soluzioni dei vari casi di carico sono quelle che si vedono in corrispondenza di Step Time=1.000 (Figura 24).

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Figura 24. Soluzione per carico100.

È possibile amplificare o ridurre la deformata:

> Uniform > Value=[inserire fattore di scala]

Click su per “animare” la deformata (si ricorda che l’analisi è statica). Di default Abaqus fa vedere il contour degli sforzi di von Mises. Per vedere le altre grandezze bisogna cliccare sui menu a tendina di Figura 25.

Figura 25. Altri valori.

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Legenda principali comandi (Primary): CF Carico concentrato applicato Magnitude ampiezza CF1 in direzione x CF2 in direzione y CF3 in direzione z CM Coppia concentrata applicata Magnitude ampiezza CM1 in direzione x CM2 in direzione y CM3 in direzione z RF Reazione vincolare (forza) Magnitude ampiezza RF1 in direzione x RF2 in direzione y RF3 in direzione z RM Reazione vincolare (momento) Magnitude ampiezza CM1 in direzione x CM2 in direzione y CM3 in direzione z S Sforzo Mises di von Mises Tresca di Tresca Max Principal massimo principale Min Principal minimo principale S11 in direzione 1* S22 in direzione 2* S33 in direzione 3*

* Per gli sforzi, le direzioni 1, 2 e 3 non corrispondono sempre a x, y e z del sistema globale. Si rimanda alla guida di Abaqus per una maggiore comprensione e l’analisi dettagliata di tutti i casi. Per ottenere il valore di una grandezza su un nodo/in un elemento si deve lanciare una query:

Click su > Probe values > Probe: elements/nodes > Components:…

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È possibile anche esportare i risultati interrogati in un file: Click su Write to file… nella finestra Probe values (Figura 26).

Figura 26. Probe values.

Il file (abaqus.rpt) viene esportato nella cartella di lavoro e può essere aperto con un qualsiasi editor di testo. 5. Tutorial #2: Piastra rettangolare appoggiata con carico

uniformemente distribuito In questo Tutorial si farà riferimento solo alle istruzioni non viste in Tutorial #1. 5.1. Creazione della parte

> Name: piastra > Modeling Space: 3D > Type: Deformable > Shape: Shell > Type: Planar > Continue.

> 0,0 > 1000,500 > Fissare il punto in (0,0) > quotare i due lati. Il rettangolo ora è verde. 5.2. Assegnazione della sezione

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> Name: Section-piastra > Shell > Homogeneous > Continue > Shell thickness: 2 > OK. Lo spessore della piastra è quindi 2 mm.

> Click sul rettangolo disegnato (questo diventa rosso) > Tasto centrale del mouse > OK. La piastra diventa verde. 5.3. Creazione step

Creare uno step di nome carico. 5.4. Carichi e condizioni di vincolo

> Name: carico_distribuito > Step: carico > Mechanical > Pressure > Continue > Click sul rettangolo (diventa rosso) > Tasto centrale > Brown > Magnitude: 0.01. La scelta tra brown e purple serve per indicare da che lato viene applicata la pressione. Selezionando brown la pressione avrà verso z-, viceversa cliccando purple. La pressione applicata è in MPa. Appare quanto in Figura 27.

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Figura 27. Carico sulla piastra.

> Name: appoggio > Step: carico > Displacement/rotation > Continue > Selezionare i quattro bordi tenendo premuto il tasto SHIFT > Tasto centrale > U3=0. 5.5. Mesh (tipi di mesh e seed edges)

> Approximate global size: 50 > OK > Tasto centrale.

> Element Shape: Quad > Technique: Structured > OK. In questo pannello si possono dare dei controlli sulla realizzazione della mesh. Per esempio, con i comandi appena descritti, si chiede ad Abaqus di realizzare una mesh strutturata fatta solo di quadrati (migliore mesh possibile). La piastra ora è verde (mesh strutturata).

> Yes. In questo modo si è meshato l’oggetto, che apparirà come in Figura 28.

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Figura 28. Oggetto meshato.

Vogliamo ora infittire la mesh. Abbiamo due strade:

- Cambiare l’approximate global size (pulsante ) - Dare un nuovo numero di elementi sugli spigoli. Vediamo questa seconda strada:

> Selezionare i lati corti della piastra tenendo premuto SHIFT > Tasto centrale > Method: By number > Number of elements:20 > Delete mesh > OK. In questo modo abbiamo imposto un numero di elementi pari a 20 sui lati corti della piastra. A causa di questa variazione, bisogna cancellare la mesh creata in precedenza.

> Selezionare i lati lunghi della piastra tenendo premuto SHIFT > Tasto centrale > Method: By size > Approximate element size:25 > OK.

Tasto centrale > > Yes. 6. Tutorial #3: asta con elementi solidi e carico concentrato in

mezzeria In questo Tutorial si farà riferimento solo alle istruzioni non viste in Tutorial #1 e #2.

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6.1. Creazione della parte

> Name: asta > Modeling Space: 3D > Type: Deformable > Shape: Solid > Type: Estrusion > Continue.

> 0,0 > 7,0 > Vincolare lo sketch > Due volte tasto centrale > Depth: 1000. 6.2. Creazione del punto in mezzeria Tools (Figura 29)> Datum > Plane > Offset from plane > Selezionare una delle due estremità > Enter value.

Figura 29. Tools.

Appare quanto in Figura 30.

Figura 30. Posizionamento piano.

Click su Flip per invertire il verso della freccia rossa e posizionare correttamente il piano > OK > 500. Tools > Partition > Type: Cell > Use datum plane > Selezionare il piano appena creato > Create partition.

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Tools > Datum > Plane > Offset from principal plane > YZ plane > 0.0 > Invio. Tools > Partition > Type: Cell > Use datum plane > Selezionare i due solidi creati a seguito della precedente partizione > Tasto centrale > Selezionare il piano appena creato > Create partition. Si ottiene quanto in Figura 31. Su questo nodo verrà applicato il carico.

Figura 31. Nodo creato.

6.3. Assegnazione della sezione

> Name: Section-solid > Solid > Homogeneous > Continue > OK.

> Click sui solidi La trave diventa verde.

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Sommario 1. Set directory di lavoro ........................................................................................ 1

2. Salvataggio del file CAE .................................................................................. 2

3. Ambiente di lavoro ........................................................................................... 2

4. Tutorial #1: Simulazione di una trave incastrata soggetta a carico sull’estremità libera mediante l’uso di elementi beam ..................................... 3

4.1. Creazione della parte ................................................................................ 3

4.2. Modifica della parte ................................................................................... 6

4.3. Assegnazione del materiale e della sezione ........................................ 7

4.4. Creazione assembly ................................................................................ 10

4.5. Creazione step .......................................................................................... 10

4.6. Carichi e condizioni di vincolo................................................................ 11

4.7. Mesh............................................................................................................ 14

4.8. Lancio dell’analisi ..................................................................................... 14

4.9. Post-processing (visualizzazione risultati)........................................ 15

5. Tutorial #2: Piastra rettangolare appoggiata con carico uniformemente distribuito .................................................................................... 19

5.1. Creazione della parte .............................................................................. 19

5.2. Assegnazione della sezione .................................................................. 19

5.3. Creazione step ......................................................................................... 20

5.4. Carichi e condizioni di vincolo.............................................................. 20

5.5. Mesh (tipi di mesh e seed edges) ......................................................... 21

6. Tutorial #3: asta con elementi solidi e carico concentrato in mezzeria 22

6.1. Creazione della parte ............................................................................. 23

6.2. Creazione del punto in mezzeria ......................................................... 23

6.3. Assegnazione della sezione ................................................................. 24

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Indice delle figure Figura 1. Select Work Directory. .............................................................................. 1

Figura 2. Ambiente Abaqus. .................................................................................... 2

Figura 3. Esempio di Manager: Part manager. .................................................... 3

Figura 4. Creazione parte. ....................................................................................... 4

Figura 5. Comandi per lo sketch............................................................................. 5

Figura 6. Sketch correttamente vincolato. .......................................................... 6

Figura 7. Albero della parte. ..................................................................................... 6

Figura 8. Creazione materiale “acciaio”. ............................................................... 7

Figura 9. Creazione profile. ..................................................................................... 8

Figura 10. Sezione assegnata (color verde acqua). ........................................... 9

Figura 11. n1 e n2 per trave ad I. ............................................................................. 9

Figura 12. View. ........................................................................................................ 10

Figura 13. Render beam profile. ........................................................................... 10

Figura 14. Step manager. ........................................................................................ 11

Figura 15. Creazione carico. .................................................................................. 12

Figura 16. Valori carico. .......................................................................................... 12

Figura 17. Load Manager. ....................................................................................... 13

Figura 18. Load Manager (carichi negli step corretti). .................................... 13

Figura 19. Oggetto meshato. ................................................................................. 14

Figura 20. Parallelization. ...................................................................................... 15

Figura 21. Job Manger. ........................................................................................... 15

Figura 22. Results. ................................................................................................... 16

Figura 23. Schermata di risultati. ......................................................................... 16

Figura 24. Soluzione per carico100. .................................................................... 17

Figura 25. Altri valori. .............................................................................................. 17

Figura 26. Probe values.......................................................................................... 19

Figura 27. Carico sulla piastra. .............................................................................. 21

Figura 28. Oggetto meshato. ............................................................................... 22

Figura 29. Tools. ...................................................................................................... 23

Figura 30. Posizionamento piano. ...................................................................... 23

Figura 31. Nodo creato. ......................................................................................... 24