Progettare una porta dei Mondiali: dallo sketch ai risultati dell’analisi strutturale in pochi minuti

Il dato più interessante è questo: un’analisi strutturale che fino a pochi anni fa richiedeva a uno specialista gran parte della giornata oggi può essere eseguita da qualsiasi progettista competente in meno di 20 minuti. Utilizzando Siemens Designcenter NX per creare la geometria e Simcenter Simsolid per la simulazione, è possibile passare da uno schizzo iniziale a risultati di simulazione validati senza affrontare le tradizionali fasi di meshing, defeaturing e geometry cleanup, che tradizionalmente rallentano drasticamente il processo di simulazione.

Per dimostrarlo con un esempio concreto, abbiamo analizzato una porta da calcio regolamentare sottoponendola a uno degli eventi più spettacolari di questo sport: un tiro che colpisce la traversa. L’aspetto più interessante, tuttavia, non è il gol mancato, ma quanto rapidamente sia possibile verificare se la struttura è in grado di resistere all’impatto.

Simcenter Simsolid, entrato a far parte del portafoglio Siemens in seguito all’acquisizione di Altair Engineering, consente di eseguire simulazioni strutturali senza creare una mesh e senza semplificare la geometria del modello. In un tradizionale workflow agli elementi finiti, le operazioni di meshing e defeaturing – ovvero la rimozione di piccoli fori, raccordi, loghi e altri dettagli geometrici che possono creare criticità per il solver – rappresentano le fasi più lunghe e soggette a errori dell’intero processo. Sono anche quelle che più frequentemente rallentano o bloccano un progetto.

Simcenter Simsolid elimina completamente questi passaggi. Invece di discretizzare il modello mediante una mesh agli elementi finiti, utilizza una formulazione matematica avanzata per calcolare la distribuzione di stress e deformazioni direttamente sulla geometria CAD nativa, indipendentemente dal sistema CAD di origine, raffinando progressivamente la soluzione fino alla convergenza. L’accuratezza del metodo non è semplicemente una dichiarazione del produttore, ma è stata validata in modo indipendente da NAFEMS, l’organizzazione internazionale di riferimento per la verifica e la validazione dei software di simulazione.

I vantaggi pratici sono immediati. Si lavora direttamente sulla geometria CAD nativa, eliminando qualsiasi fase di esportazione, conversione o ricostruzione del modello tra progettazione e simulazione. Inoltre, i tempi di calcolo sono estremamente ridotti: lo studio sulla porta da calcio mostrato di seguito è stato completato in circa 30 secondi. Questa rapidità rende Simcenter Simsolid particolarmente adatto alle prime fasi della progettazione, consentendo ai progettisti di ottenere risultati affidabili mentre le decisioni progettuali sono ancora in corso, molto prima della validazione finale.

Ogni porta da calcio regolamentare deve rispettare le stesse specifiche dimensionali. L’International Football Association Board (IFAB) stabilisce che la porta debba misurare 2,44 m di altezza e 7,32 m di larghezza, essere realizzata in alluminio rinforzato e avere una sezione del telaio non superiore a 12,7 cm. Questi vincoli costituiscono tutti i dati necessari per definire la geometria.

In Designcenter NX, la porta viene modellata partendo da un semplice sketch composto da tre linee conformi alle dimensioni IFAB, con piccoli raccordi agli angoli per trasformare successivamente il profilo in un unico tubo cavo continuo. Una singola operazione Tube utilizza quel profilo per generare il modello finale del palo della porta. La geometria viene definita con poche operazioni e, poiché Simcenter Simsolid legge direttamente i file CAD nativi, il modello può essere salvato e importato senza esportazioni, conversioni o formati intermedi.

È durante l’importazione del modello in Simcenter Simsolid che il risparmio di tempo diventa evidente. Il software riconosce automaticamente la porta e il campo come un assembly e genera automaticamente le connessioni tra le parti, consentendo di gestire facilmente le tolleranze per gap e penetration. Da questo punto in poi, ovvero nella fase che normalmente richiede ore di lavoro, non è necessario eliminare dettagli geometrici né creare una mesh. Si passa direttamente alla configurazione dello studio.

La configurazione dello studio consiste semplicemente nel definire la fisica del problema: un’analisi strutturale lineare, vincoli di supporto fisso applicati alle superfici alla base dei pali e una forza applicata in un punto precisamente definito della traversa per rappresentare l’impatto del pallone. La risoluzione richiede pochi secondi, non i minuti o le ore normalmente necessari per un modello meshato di analoga accuratezza.

I risultati sono immediatamente disponibili. È possibile passare dalla visualizzazione delle tensioni a quella delle deformazioni, degli spostamenti e del fattore di sicurezza, per poi analizzare nel dettaglio qualsiasi area di interesse. Lo strumento Pick Info restituisce i valori esatti nel punto selezionato, consentendo di verificare rapidamente che la traversa, nella condizione di massimo carico, rimanga ampiamente entro i limiti di resistenza del materiale.

Dall’inizio alla fine, un progettista che utilizza con familiarità Designcenter NX e Simcenter Simsolid può modellare una struttura come questa e ottenere risultati di simulazione validati in meno di 20 minuti. Il guadagno di tempo deriva dall’eliminazione delle principali fonti di attrito del workflow: nessun meshing, nessun defeaturing e nessuna conversione della geometria CAD, senza compromettere l’accuratezza dei risultati.

È proprio questa combinazione a rendere così efficace l’integrazione tra i due software nella fase di progettazione. Designcenter NX è diventato uno dei tool più accessibili ma allo stesso tempo potenti per la creazione della geometria, mentre Simcenter Simsolid consente allo stesso progettista di sottoporla a verifica in pochi minuti e prendere decisioni basate su dati concreti quando c’è ancora tempo per modificare il progetto. La porta da calcio è solo un esempio memorabile; il medesimo workflow può essere applicato praticamente a qualsiasi componente che richieda una validazione rapida.