La scelta dei contatti nella progettazione meccanica

La progettazione meccanica non sempre si affida alla simulazione numerica per essere guidata verso il primo prototipo ma, quando lo si fa, diventa essenziale comprendere le conseguenze di scelte ed assunzioni iniziali per valorizzare al meglio gli strumenti utilizzati.

Nella simulazione numerica di tipo meccanico la scelta dei contatti svolge un ruolo fondamentale nell’impostazione dell’analisi. Attraverso la gestione dei contatti è possibile riprodurre in chiave virtuale l’interazione tra gli elementi di un assieme.

Ovviamente, la realtà ci pone davanti a tanti casi differenti tra loro, che possono essere rappresentati più o meno fedelmente dai software di simulazione in funzione delle diverse feature e del tempo di calcolo che si vuole dedicare alla risoluzione dell’analisi.

In questo articolo vedremo alcuni spunti di riflessione di cui tenere conto quando ci si approccia alla simulazione in relazione alle esigenze della progettazione meccanica.

Contatti lineari VS contatti non lineari: differenze e limiti nella progettazione meccanica

In un modello meccanico le connessioni e i contatti possono essere di diverse tipologie, basti pensare a più corpi collegati tra loro attraverso dei perni o dei giunti bullonati, o ancora, delle saldature, etc.

Ci si concentri ora sui soli contatti: per collegare più body è possibile considerare che essi siano in perfetto contatto tra loro, che ci sia una certa distanza o che si verifichi un determinato scorrimento, insomma esistono numerose possibilità. Dunque, quali contatti posso essere simulati e con che caratteristiche?

Da un punto di vista numerico, una prima distinzione può essere fatta tra contatti lineari e non lineari:

• Un contatto lineare è sostanzialmente una relazione il cui comportamento non varia rispetto allo stato iniziale dell’analisi a seguito dell’applicazione dei carichi, i due corpi sono a contatto sin dall’inizio o non lo sono affatto.
• Al contrario il contatto di tipo non lineare rappresenta una relazione il cui stato può variare durante l’analisi in funzione dell’applicazione dei carichi; ad esempio due corpi che vengono in contatto a causa della deformazione di uno dei due. Ulteriore fonte di non linearità è l’attrito, contributo talvolta tanto importante da non poter essere trascurato.

Tra i due, i contatti non lineari sono quelli che meglio possono adattarsi ai casi reali ma al contempo sono anche quelli che hanno bisogno di maggiore attenzione. La disponibilità di queste opzioni dipende principalmente dal tipo di software che si sta utilizzando o da quali feature sono incluse

Esempio delle tipologie di contatto presenti nei software Ansys

Come scegliere il contatto più adatto nella fase di progettazione meccanica?

Come spesso si legge quando si parla di simulazione numerica o in generale quando si deve affrontare una analisi agli elementi finiti non esiste una regola fissa, ma ci sono comunque dei principi che possono essere di supporto per una corretta impostazione.

Come prima cosa, è buona norma impostare la propria analisi anche in relazione all’obiettivo da raggiungere, perciò parlando di progettazione meccanica occorre individuare quale sia questo obiettivo e quale il livello di dettaglio richiesto.

Riuscire a trattare in maniera estremamente dettagliata una problematica, individuandone anche il più piccolo fenomeno e la sua variazione può rivelarsi estremamente interessante ma al contempo poco utile in fase di progettazione.

In questa prima fase, infatti, sono molto importanti le scelte che il progettista fa per semplificare il sistema e raggiungere una soluzione adeguata in tempi brevi. La complessità e il livello di dettaglio del modello devono essere proporzionali alle semplificazioni assunte dal progettista. Implementare la simulazione in questa fase, non può voler dire aggiungere gradi di complessità al sistema, altrimenti lo strumento numerico non farà altro che rallentare il processo a fronte di un risultato comunque approssimato.

Un buon flusso di lavoro, dunque, può essere quello di svolgere in prima istanza una analisi statica lineare attraverso la quale individuare, seppur con un certo grado di approssimazione, la risposta strutturale del sistema e poi via via, solo se necessario intervenire aggiungendo ulteriori dettagli all’analisi. È possibile applicare lo stesso tipo di ragionamento ai contatti, quindi fare una serie di run con contatti lineari e successivamente, se serve passare a quelli non lineari.

Per capire se approssimare i collegamenti con dei contatti non lineari e comprendere se si tratta di una approssimazione accettabile o no, le domande da farsi sono:

• Occorre investigare le forze di attrito e le pressioni che si sviluppano all’interfaccia del contatto?
  
  
• L’eventuale scorrimento relativo tra due oggetti è tale da dover essere tenuto in considerazione?
  
  
• È possibile che lo stato del contatto si modifichi a causa delle forze in gioco?
  
  
• La configurazione d’interesse (inteso come condizioni al contorno in generale) e/o il risultato monitorato quanto sono influenzati dal contributo di un eventuale contatto non lineare?
  
  
• Se si stanno confrontando tra loro più configurazioni, quanto pesa la scelta del contatto sulla performance globale?

Quando si è in grado di rispondere a queste domande, allora si può scegliere il contatto più adatto alle proprie esigenze.

Nella maggior parte dei casi, quando si parla di progettazione, uno degli aspetti principali di cui tenere conto è la capacità di esplorare rapidamente differenti configurazioni per individuare quella giusta e, quando la si è individuata, essere in grado di migliorarla.

I tempi di calcolo della simulazione tradizionale sono spesso incompatibili con una fase del processo produttivo così dinamica, ma se da una parte questo è stato spesso un freno all’uso della simulazione in fase di progettazione, oggi viene considerato un punto di partenza per la realizzazione e l’implementazione di nuovi strumenti, come ad esempio la simulazione real-time, il generative design e tante altre interessanti soluzioni tecnologiche.

Queste tecnologie pesano le loro risorse e feature disponibili in funzione degli obiettivi principali della progettazione, minimizzando lo sforzo del progettista nell’impostazione dell’analisi al fine di massimizzare l’utilizzabilità dello strumento.