FEM e simulazione 3D a supporto della progettazione di carpenterie metalliche pesanti

Grazie alla rappresentazione realistica del manufatto è possibile comprendere la validità del progetto

FEM e simulazione 3D sono un binomio tecnologico vincente per i produttori di macchine e impianti industriali che realizzano prodotti molto complessi e in condizioni di mercato altamente competitive.

Oltre a essere sempre più specializzati, questo tipo di manufatti hanno requisiti di progettazione e di produzione estremamente sofisticati, dovendo conciliare una molteplicità di aspetti, tra vincoli, requisiti di sicurezza e di prestazioni. Calcolo con tecniche FEM e simulazione 3D aiutano i progettisti a comprendere la validità del progetto attraverso una rappresentazione realistica del manufatto, supportata da una serie di informazioni di dettaglio estremamente rilevanti e pertinenti che perfezionano i processi decisionali automatizzando in un ambiente virtuale tutti i test e le valutazioni necessarie.

Il tutto migliorandone quanto più possibile il ciclo di vita e riducendo i costi. È il caso di GBM Group, produttore di recipienti ad alta pressione che, per una commessa molto particolare in ambito petrolchimico, nel 2021 si è affidata a IDeCOM, già partner tecnologico di riferimento su altre attività di ingegnerizzazione.

Progettare sfere in pressioni, risolvendo calcoli e test in un unico ambiente virtuale 3D

Più nel dettaglio, obiettivo di GBM Group era progettare e produrre sistemi in pressione che compensano l’espansione dei liquidi dell’impianto quando sottoposti ad alte temperature durante i cicli di trattamento. Fungendo sostanzialmente da polmone di dilatazione e risuonatore, questo tipo di manufatti devono resistere a diverse sollecitazioni relative alla pressione e alle variazioni termiche a cui vengono sottoposti. Per il team di progettazione di GBM Group calcolare tutte le variabili, tenendo conte dei requisiti e dei vincoli per definire un modello realistico di ogni sfera, era molto sfidante.

«Il software utilizzato a livello strutturale – racconta Andrea Bassani co-owner e direttore tecnico di IDeCOM - aveva molte difficoltà a gestire le geometrie e le tipologie di carico per cui hanno chiesto il nostro supporto. Il workflow di lavoro in 3DEXPERIENCE Platform è risultato molto snello, permettendoci di mantenere continuità digitale nei dati. Grazie all’impiego di 3DEXPERIENCE, infatti, il team tecnico di GBM ha condiviso le geometrie dei modelli (da cui poi sono stati estratti i disegni costruttivi) che sono stati utilizzati direttamente in piattaforma per una prima analisi. Una volta terminata la fase di defeaturing dei modelli, ovvero una prima pulizia dai dettagli 3D non necessari, abbiamo iniziato la fase di analisi e di elaborazione per la valutazione di contatti e interazioni in modo da interpretarne il comportamento strutturale globale in termini di resistenza e deformazioni, tenendo conto delle proprietà meccaniche dei materiali, dei vincoli e delle informazioni sul carico».

FEM e simulazione 3D perfezionano tempi e modi dello sviluppo

Per il modello di calcolo IDeCOM ha adottato una mesh composta da elementi tridimensionali solidi invece dei più usuali e più semplici elementi bidimensionali shell. La scelta del tipo di solidi tridimensionali è ricaduta sui tetraedri con interpolazione al secondo ordine (quadratica), che ha consentito di modellare superfici curve con una minore quantità di elementi rispetto ad un'interpolazione al primo ordine (lineare).

Coerentemente con le azioni applicate, IDeCOM ha previsto una risposta lineare della struttura; per questo motivo, il tipo di analisi scelta è quella statica lineare.

«Le azioni inserite a modello sono state di diversi tipo, - ha precisato Bassani - tenendo conto del peso proprio degli elementi, dell'azione orizzontale del vento, dell'azione orizzontale del sisma e dei carichi operativi, opportunamente combinati. Grazie al defeaturing è stato possibile semplificare la geometria del modello per rendere più affidabile ed efficiente l’analisi FEM senza però perdere il legame duale con il modello utilizzato per il costruttivo».

Tutta la potenza di un engine solver allo stato dell’arte

Coniugando analisi agli elementi finiti e simulazione 3D, IDeCOM ha utilizzato le soluzioni più avanzate di Dassault Systèmes per verificare la risposta strutturale della sfera e della struttura di sostegno. Assistiti dall’intelligenza dei sistemi, gli esperti di IDeCOM hanno potuto valutare tutto lo spettro delle sollecitazioni locali dovute ai carichi esterni (vento, eventi sismici, peso proprio e carichi operativi) applicati alla sfera, la quale è appoggiata alla struttura di sostegno.

È stata analizzata anche la zona dei pad di rinforzo, le piastre di base di appoggio e la struttura di supporto, considerando il carico applicato su tutte le superfici interne ed esterne. Tutta la parte di analisi statica e non lineare in ambito strutturale è stata risolta utilizzando gli applicativi di simulazione presenti in 3DEXPERIENCE Platform, basati su Abaqus, uno dei più affidabili e potenti risolutori del mondo FEA.

Questo engine solver, infatti, è specializzato nel simulare il trasferimento di calore conduttivo e convettivo, la diffusione di massa, l'acustica, la piezoelettricità e l'elettrochimica in modo indipendente, accoppiato in sequenza o completamente accoppiato con l'analisi della sollecitazione. Rendendo possibile modellare qualsiasi combinazione fisicamente ragionevole di elementi, materiali, procedure e sequenze di caricamento, Abaqus può utilizzare in modalità virtuale qualsiasi elemento (o, nel caso dei compositi, in uno strato di un elemento) per formare parte di un modello soggetto a qualsiasi sequenza di storie a livello di carico statico o dinamico.

FEM e simulazione 3D perfezionano tempi e modi dello sviluppo

Utilizzando i vari moduli di 3D EXPERIENCE Platform di Dassault Systèmes, IDeCOM ha potuto velocemente effettuare le simulazioni necessarie a trattare problemi di campo sulla geometria delle sfere in pressione, testando elasticità, resistenza alla trazione, resistenza allo snervamento e altre caratteristiche meccaniche alla temperatura di progetto.

«Come sappiamo, il processo di mesh è una riproduzione della geometria originale e dunque un’approssimazione - ha concluso Bassani -. L’ideale sarebbe avere mesh molto fitte ma questo a discapito della velocità di analisi. Attraverso una opportuna mediazione, abbiamo trovato il giusto compromesso tra la velocità di calcolo e l’affidabilità dei risultati per definire un modello costituito da 73.000 nodi e quasi 35.000 poligoni grazie al quale abbiamo potuto verificare nell’ambiente virtuale: resistenze, deformazioni, usure e picchi di stress puntuali. La credibilità del risultato generato dal software è correlata alle prove fisiche effettuate sugli equipment».

Per GBM avvalersi di una progettazione 3D incentrata sulla definizione di un gemello virtuale delle sfere prima della loro fabbricazione è stato un approccio efficiente. L’elaborazione di un digital twin di ogni sfera ha perfezionato i modelli aiutando l’azienda a capire non solo il tempo necessario a costruirle ma anche che cosa serviva per costruirle, avendo la certezza che strutturalmente fossero valide e pronte per essere installate e azionate negli impianti.