Nuovi strumenti per semplificare la modellazione a elementi finiti

Stiamo parlando di Simcenter Femap che, nella versione 2021.2 introduce nuove funzioni che permettono di semplificare il lavoro di modellazione e velocizzare l’intero workflow di analisi.

Tra le principali novità:

• Convergent Modeling:  un nuovo approccio unificato alla gestione delle geometrie e delle mesh.
• Body Mesher: integrazione della tecnologia di meshing di Star-CCM+ che abilita nuove tecniche di modellazione FEM
• JT Visualization: ampliate le capacità di esportazione dei modelli 3D interattivi in formato JT.

La forte crescita di tecnologie quali la scansione 3D, l’ottimizzazione topologica e la stampa 3D sta spingendo gli analisti CAE a lavorare sempre più spesso su geometrie sfaccettate utilizzando sistemi di modellazione concepiti per geometrie B-REP (rappresentate con equazioni matematiche o NURBS).

La tecnologia Convergent Modeling di Siemens implementata in Femap consente la modellazione della geometria basata su entrambi i tipi di dati in un singolo ambiente, accorciando il tempo di preparazione dell’analisi FEM ed eliminando gli errori associati alla conversione da un formato all’altro. Ne è riportato un esempio nel video successivo.

Nella sequenza, per prima è riportata una geometria B-REp tradizionale, in cui le facce del solido sono definite da superfici analitiche e/o NURBS. Successivamente appare una superficie sfaccettata, costituita da una mesh triangolarizzata. Infine, un modello convergente che può contenere un mix di superfici tradizionali e sfaccettate.

Una sfida per l’analista è quella di creare le mesh FEM superficiali di qualità partendo da geometrie complesse di parti realizzate per Additive Manufacturing.

La soluzione adottata da Siemens e è stata quella di implementare in Femap la tecnologia Triangle Remesing di Star-CCM+. Attraverso questo mesher è possibile trasformare qualsiasi mesh superficiale in triangoli di alta qualità. Durante l’implementazione, i programmatori si sono resi conto che era possibile adattare questa tecnologia per creare automaticamente anche una mesh Quad-dominant. Questo sviluppo si è concretizzato nella nuova Tecnologia Body Mesher di Femap v2021.2

Nel video sottostante possiamo notare la porzione di un corpo sfaccettato. Definito con triangoli non utilizzabili per l’analisi FEM. Successivamente possiamo vedere un esempio di mesh triangolare di qualità ottenuta automaticamente in Femap attraverso il Triangle Remesher ed infine l’implementazione di questa funzione, disponibile appunto nella nuova versione di Femap 2021.2, ossia una Mesh Quad-dominant di qualità generata automaticamente da Femap con il nuovo Body Mesher.

Si tratta di un nuovo strumento che permette di realizzare automaticamente la mesh partendo da matematiche CAD 3D o superfici sfaccettate, senza richiedere defeaturing e semplificazione della geometria.

Quali sono le applicazioni della nuova tecnologia Body Mesher di Femap?

Le possibilità offerte sono molteplici, ma possono essere raggruppate in 5 categorie principali:

1. Modellazione automatica di parti in lamiera con elementi shell
2. Generazione automatica di mesh di volume con tetraedri
3. Creazione automatica della mesh FEM partendo da geometrie sfaccettate STL
4. Generazione di mesh tetraedrica “ready-to-run” partendo dai risultati dell’ottimizzazione topologica
5. Capacità “mesh-on-mesh” per il raffinamento o l’accrescimento di una mesh FEM esistente

Come possiamo vedere nelle immagini sottostanti, la Figura 1. riporta una geometria superficiale che, normalmente richiederebbe una preparazione prima della meshatura. In Figura 2. invece, possiamo vedere come, grazie alle nuove funzionalità di Femap è possibile creare automaticamente una Mesh Quad-dominant senza alcuna preparazione pregressa.

Figura 1. – Geometria superficiale che richiederebbe una preparazione prima della meshatura con elementi shell. Figura 2. – Mesh Quad-dominant creata automaticamente con Femap senza preparazione della geometria.

Femap 2021.2 offre anche delle nuove features riguardati gli elementi tetraedrici, un elemento fondamentale quando si parla di mesh.

Le parti meccaniche in 3D come quella rappresentata in Figura 3. solitamente necessitano di defeaturing prima della meshatura, ora invece è possibile creare una mesh di volume in maniera automatica saltando il passaggio del defeautring.

Come abbiamo appena visto Femap 2021.2 è in grado di automatizzare alcune azioni, permettendo così di risparmiare tempo, a queste si aggiungono anche le geometrie sfaccettate STL.

In Figura 5. è rappresentato un componente che deve essere modellato con elementi tetraedrici. La Figura 4 ci mostra invece come si possa realizzare una mesh di volume partendo direttamente dalla geometria STL.

Figura 5. – Geometria STL di componente meccanico da modellare con elementi tetraedrici. Figura 6. – Mesh di volume creata automaticamente con Femap partendo da STL.

Le sfaccettature STL di forme ottimizzate per la topologia possono essere trasformate in utili mesh tetraedriche. Possiamo vederne un esempio nelle due immagini sottostanti. In Figura 7. possiamo vedere come, dopo l’ottimizzazione topologica, si presentano le superfici esterne sfaccettate dell’elemento.  In Figura 8 invece, il modello strutturale della parte ottimizzata già pronto per la stress analysis.

Figura 7. – Superfici esterne sfaccettate ottenute da ottimizzazione topologica. Figura 8. – Modello strutturale della parte ottimizzata pronto per la stress analysis con Femap.

Il comando “mesh-on-mesh” offre la possibilità di:

• Convertire qualsiasi triangolazione generata da una mesh esistente in una mesh di alta qualità a dominanza di triangolo o quadrilatero.
• Specificare il dimensionamento della mesh e le opzioni di curvatura/vicinanza della superficie.
• Mantenere le caratteristiche selezionate della mesh originale.
• Creare elementi che cercano di soddisfare i criteri di qualità degli elementi definiti dall’utente.

Le immagini sottostanti riportano due esempi pratici. Nella Figura 9. è rappresentata una mesh shell da modellare con meno elementi. La Figura 10. ritrae una mesh grossolana ottenuta mediante il comando “mesh-on-mesh” di Femap.

Figura 9. – Mesh shell da modellare con meno elementi Figura 10. – Mesh grossolana ottenuta mediante “mesh-on-mesh”

La mesh raffinata ottenuta mediante “mesh-on-mesh” che è rappresentata in Figura 11. mostra invece come sia possibile raffinare la mesh in una selezione circolare.

Figura 11. – Mesh raffinata ottenuta mediante “mesh-on-mesh”

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