L’approccio moderno alla simulazione non si limita più alle tradizionali analisi statiche lineari. Gli ingegneri possono descrivere materiali metallici, polimerici, compositi ed elastomerici mediante modelli costitutivi avanzati che includono plasticità, viscoelasticità, iperelasticità, dipendenza dalla temperatura e fenomeni di danno progressivo.
Il cuore tecnologico di queste funzionalità è rappresentato dal solver Abaqus, riconosciuto nel settore CAE per la sua robustezza nella gestione delle non linearità geometriche, di contatto e di materiale.
Le analisi statiche lineari rappresentano spesso il primo livello di validazione strutturale. In questa fase si assume che deformazioni e proprietà del materiale rimangano all’interno del campo elastico. Tuttavia, molti prodotti reali operano in prossimità dei propri limiti strutturali, rendendo necessarie analisi non lineari per descriverne accuratamente il comportamento.
Con Abaqus è possibile simulare la plasticizzazione progressiva, la localizzazione delle deformazioni e il fenomeno di necking tipico delle prove di trazione. Attraverso l’utilizzo di curve sforzo-deformazione reali e modelli avanzati di incrudimento, il comportamento del materiale viene riprodotto con elevata fedeltà.
Per gestire le proprietà dei materiali presenti nel database, è possibile utilizzare l’applicazione Material Definition.
Una volta avviata l’applicazione, è possibile modificare i materiali già presenti nel database oppure crearne di nuovi e definirne le relative proprietà. Vediamo un esempio di creazione di un nuovo materiale che riporta tutte le proprietà per descrivere le varie fasi presenti nella curva Stress-Strain (Figura 1)
Selezionare Crea materiali.
Verrà visualizzata una finestra nella quale inserire il campo Title, ovvero il nome del materiale (ad esempio AISI 314), e successivamente attivare l’opzione Simulation Domain. In questo modo verranno definite esclusivamente le proprietà utilizzate nelle simulazioni, senza includere informazioni aggiuntive quali aspetto grafico o altre caratteristiche non strutturali.
A questo punto è possibile definire uno o più Behavior, ovvero differenti comportamenti del materiale. Ad esempio, si possono descrivere variazioni delle proprietà meccaniche al variare della temperatura o di altre condizioni operative. Inserire quindi la densità e le proprietà elastiche lineari, come il modulo di Young e il coefficiente di Poisson.
Successivamente, selezionare la sezione Plasticity e importare la curva stress-strain del materiale oppure utilizzare il modello costitutivo di Johnson-Cook. (Figura 6)
I parametri del modello Johnson-Cook possono essere ricavati direttamente dalla curva stress-strain tramite l’applicazione Material Calibration, disponibile nel ruolo SOLIDWORKS Simulation Analyst. Questa applicazione consente di elaborare e interpolare i dati sperimentali, ottenendo una calibrazione più accurata del modello materiale e un migliore fitting dei dati.
Il passo successivo consiste nell’introduzione dei Damage Models (Figura 7). Questi modelli consentono di descrivere l’innesco e l’evoluzione del danno attraverso criteri basati su deformazione, energia dissipata, tensione equivalente o meccanica della frattura.
Una volta raggiunte le condizioni critiche, il materiale degrada progressivamente la propria rigidezza fino alla completa eliminazione degli elementi danneggiati, consentendo la previsione della rottura del componente.
Queste funzionalità risultano particolarmente importanti nei settori automotive, aerospace, energia, beni industriali e prodotti consumer, dove la comprensione dei margini di sicurezza e delle modalità di cedimento rappresenta un fattore determinante nella progettazione.
Per definire le proprietà di danno, selezionare la sezione Damage (Figura 7) e compilare la tabella Fracture Strain / Stress Triaxiality con i valori richiesti. A seconda della tipologia di materiale, è possibile utilizzare differenti modelli e parametri di danno.
All’interno della piattaforma 3DEXPERIENCE, il ruolo SOLIDWORKS Simulation Analyst rende accessibili queste tecnologie avanzate ad analisti e progettisti. La soluzione consente di eseguire analisi statiche, termiche, modali, di fatica, buckling, dinamiche implicite ed esplicite, sfruttando la tecnologia Abaqus integrata nella piattaforma cloud.
La Figura 8 mostra i risultati di una simulazione di un provino sottoposto a trazione, evidenziando tutte le fasi del comportamento del materiale descritte in Figura 1: dalla risposta elastica iniziale alla plasticizzazione, fino al fenomeno di necking e alla rottura finale. Questo esempio dimostra come le moderne tecnologie di simulazione consentano oggi di riprodurre con elevata accuratezza l’intero processo di deformazione del materiale, fornendo una rappresentazione estremamente vicina al comportamento reale.
Grazie a SOLIDWORKS Simulation Analyst è possibile costruire workflow completi che partono dalla geometria CAD e attraversano tutte le fasi del processo di simulazione: generazione della mesh, definizione di contatti complessi, assegnazione di materiali non lineari, valutazione della durabilità e previsione della rottura.
Questo approccio consente di ridurre il numero di prototipi fisici necessari, accelerando il processo di sviluppo prodotto e migliorando l’affidabilità delle decisioni progettuali.
L’evoluzione delle tecnologie SIMULIA dimostra come la simulazione sia ormai diventata uno strumento predittivo capace non solo di verificare la resistenza di un componente, ma anche di anticiparne il comportamento fino al limite ultimo, fornendo agli ingegneri una rappresentazione sempre più vicina alla realtà fisica.
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