FEMtools Dynamics

Strumenti agli elementi finiti avanzati per la simulazione della risposta dinamica e delle modifiche strutturali.

FEMtools Dynamics contiene gli strumenti per:

  • Funzioni di risposta in frequenza (FRF).
  • Analisi della risposta armonica.
  • Vettori residui.
  • Sotto-strutturazione
  • Analisi con i Superelementi.
  • Modal Based Assemby (MBA) per la combinazione tra modelli modali e per la strutturale (solutore modale).
  • FRF Based Assembly (FBA) per la combinazione di modelli attraverso le curve FRF.
  • Simulazione nel dominio del tempo.

Funzioni di risposta in frequenza (FRF)

Per il calcolo delle curve FRF, la funzione di risposta viene divisa per la forza di eccitazione. Poiché queste funzioni non contengono informazioni sulla forza, dipendono esclusivamente dalle proprietà di massa, rigidezza e smorzamento della struttura, proprio come le proprietà modali. Pertanto le curve FRF sono adatte anche come risposte per l’analisi di correlazione, l’analisi di sensitività e il model updating.

Caratteristiche principali

  • Calcolo di curve FRF che sono paragonabili a quelle ottenute sperimentalmente.
  • Calcolo FRF diretto, con supporto per gli spostamenti forzati (enforced motion).
  • Metodo degli approssimandi di Padé con controllo automatico della convergenza per velocizzare il calcolo delle FRF con il metodo diretto.
  • Sintesi FRF con il metodo Modale, partendo dai modi FEM o Test.
  • Calcolo dei Vettori Residui (Inertia Relief, Smorzatori Viscosi, Punti di applicazione dei carichi) per migliorare le FRF ottenute con la sintesi modale.
  • Metodo di compensazione dinamica per migliorare le FRF ottenute con la sintesi modale.
  • Supporto di vari tipi di smorzamento (modale, smorzamento del materiale, smorzamento viscoso e strutturale per gli elementi damper).
  • Il supporto per i sistemi di coordinate locali.

Analisi di Risposta Armonica

L’analisi della Risposta Armonica studia la risposta di una struttura sotto l’azione di carichi armonici. Tutte le forze applicate sono note ad ogni frequenza di calcolo. A seconda della formulazione, con la Risposta Armonica si ottengono le deformate, le velocità e le accelerazioni operative. In generale, i risultati vengono chiamate Operational Shapes oppure Operational Displacement Shapes (ODS). Le ODS possono essere utilizzate nelle analisi di correlazione per confrontare ODS sperimentali con le previsioni analitiche equivalenti.

Caratteristiche principali

  • Calcolo delle ODS utilizzando solutori modali e diretti.
  • Calcolo delle ODS sotto forma di spostamento, velocità o accelerazione.
  • Analisi della Risposta Forzata (eccitazione definita come spostamenti, velocità e accelerazioni imposte).

Vettori Residui

I vettori residui (RESVEC) vengono utilizzati per estendere la base modale che viene utilizzata per i metodi di sovrapposizione modale. I Vettori Residui possono compensare gli effetti di troncamento modale e spesso aiutano a migliorare la risposta dinamica senza la necessità di aumentare il numero di forme modali o di utilizzare un metodo diretto. FEMtools supporta i metodi per calcolare vettori residuo che si basano sull’Inertia Relief, sugli smorzatori concentrati e sui punti di applicazione del carico.

Sotto-strutturazione (Substructuring)

La divisione di strutture assemblate in sotto-strutture è un approccio efficace per risolvere i problemi dinamici. Quando vengono applicate a grandi modelli numerici, le tecniche di sotto-strutturazione consentono la creazione dei superelementi, riducendo la complessità di ciascun componente in modo che l’analisi dell’assieme diventi gestibile ma non perda di accuratezza. Il metodo di Craig-Bampton è uno strumento ben noto per tali procedure, ma FEMtools dispone anche di altri approcci quali la FRF Based Assembly (FBA) basato sulle funzioni di risposta in frequenza, o il Modal Based Assembly (MBA) basato sulla combinazione delle forme modali. La sotto-strutturazione consente anche la modellazione obrida, ovvero la combinazione di modelli ad elementi finiti con modelli ottenuti da misure sperimentali, consentendo ulteriori attività di progettazione e design.

I metodi di sotto-strutturazione, grazie alla loro leggerezza e accuratezza, sono indicati anche per le ri-analisi e per le procedure iterative quali il Model Updating,  l’Ottimizzazione e l’analisi Probabilistica.

Applicazioni

  • Simulazione efficiente di grandi strutture assemblate.
  • Modellazione ibrida combinando sottostrutture analitiche e sperimentali.
  • Validazione e Model Updating Bottom-up.
  • Analisi inversa utilizzando la risposte target.
  • Simulazione efficiente delle modifiche strutturali, cambiando le sotto-strutture o i giunti.
  • Indagare diverse ipotesi di modellizzazione basandosi correlazione con i dati di test.
  • Progettazione di smorzatori sintonizzati (tuned absorbers).
  • Campionamento dello spazio di progettazione.

Analisi con i Superelementi

Un superelemento è definito raggruppando una serie di elementi risolvendo questa sotto-struttura separatamente. I superelementi offrono un grande risparmio di tempo in tutte le applicazioni che richiedono la ri-analisi, le analisi transitorie nel dominio del tempo e le analisi di risposta in frequenza, l’ottimizzazione, l’analisi probabilistica, il robust design e le simulazioni dinamiche multi-body. I superelementi sono utilizzati anche per superare quelle situazioni in cui la soluzione del modello completo non è possibile a causa di risorse del computer limitate (memoria interna, spazio su disco).

Caratteristiche principali

  • Riduzione di Craig-Bampton per le matrici del sistema integrata.
  • Definizione dei superelementi utilizzando insiemi di elementi o gruppi di nodi.
  • Supporto per assiemi senza il modello residuo.
  • Generazione automatica di gradi di libertà Master ed elaborazione dei MPC (Multi Point Constraints).
  • Supporto di gradi di libertà Slave nei MPC come master DOF di un superelementi.

Modal-Based Assembly (MBA)

La Modal-Based Assembly (MBA) è una tecnica di sotto-strutturazione nel dominio modale che permette di  valutare rapidamente l’influenza dei cambiamenti strutturali sui parametri modali e dei risultati derivati, come FRF o deformate operative. Il principale vantaggio dell’approccio MBA è la sua elevata efficienza computazionale. Questa tecnica può essere usata per studiare l’effetto di diverse ipotesi di modellazione sul livello di correlazione con i dati di test. Altre applicazioni sono la risoluzione dei problemi di vibrazione, per esempio, per trovare la modifica strutturale più efficace che permette di spostare le frequenze di risonanza dalle frequenze di eccitazione.

MBA è un’estensione della tecnica Structural Dynamics Modification (SDM) che supporta dati FEA, dati sperimentali o una combinazione di dati FEA e Test (modellazione ibrida).

Caratteristiche principali

  • Modifica di un modello ad elementi finiti o un modello di prova utilizzando singoli elementi di modifica (elementi finiti), utilizzando ammortizzatori sintonizzati o sottostrutture modali. Permette di combinare un numero illimitato di tipi di elementi di modifica.
  • Definizione interattiva delle modifiche (point-and-click).
  • Calcolo delle forme modali e delle frequenze di risonanza modificate utilizzando parametri modali provenienti dal Test modale o dall’analisi agli elementi finiti.
  • Analisi di correlazione tra il modello non modificato e quello modificato.
  • Analisi variazionale di tutte le proprietà fisiche degli elementi di modifica con il solutore modale veloce.
  • Solutore modale per il Model Updating e l’Ottimizzazione.
  • Slider di controllo per modificare in modo dinamico i valori dei parametri del modello e vedere immediatamente l’effetto della variazione in tabelle e grafici.
  • Animazioni fianco-a-fianco o sovrapposte tra modello originale e modificato, forme modali, FRF e deformate operative ODS.

FRF-Based Assembly (FBA)

La FRF-Based Assembly (FBA) è una tecnica di sotto-strutturazione nel dominio della frequenza che permette di combinare più componenti e prevedere la risposta del gruppo dei FRF calcolate o misurate su ogni componente. Nel caso dell’FBA le proprietà dinamiche dei sotto-componenti, nonché il comportamento calcolato della struttura assemblata, sono descritti attraverso funzioni di risposta in frequenza (FRF). FBA è un’alternativa ai superelementi (che utilizza le matrici di sistema ridotte) e Modal Based Assembly (MBA) (che utilizza soltanto le forme modali). FBA è un metodo computazionalmente efficiente che si concentra sulla accoppiamento tra i componenti ed è quindi adatto per gruppi più grandi con molti componenti e per studiare la trasmissione di forze dalle connessioni.

Caratteristiche principali

  • I componenti FBA come vincoli e giunti possono essere rigidi o flessibili.
  • Supporto per impedenze (smorzatore viscoso, smorzamento strutturale) con sistemi locali di coordinate.
  • Supporto per masse aggiunte con i sistemi locali di coordinate, e smorzatori sintonizzati.
  • Definizione di connettori intra-modello e multi-point constraints (MPC).
  • Definizione delle forze FBA, spostamenti forzati e punti di recupero.
  • Calcolo delle forze interne nei punti di connessione FBA (Transfer Path Analysis).

Time Domain Simulation

Time Domain Simulation (TDS) fornisce una serie di strumenti per calcolare la risposta ai transitori di strutture in un modo efficiente di calcolo. Il solutore FEMtools TDS primo deriva un modello modale dalle forme modali della struttura e quindi utilizza questo modello per calcolare la serie storica delle risposte. In combinazione con il modulo Modal Parameter Extractor, TDS può essere utilizzato in una fase di analisi pre-test per simulare una prova di vibrazione.

Caratteristiche principali

  • Definizione e la generazione di segnali di ingresso: gli impulsi, seni e segnali casuali.
  • Calcolo dei segnali di risposta di spostamenti, velocità e accelerazione.
  • Grafici XY di segnali.
  • Export dei segnali di risposta per l’analisi pre-test.

Prerequisiti

  • FEMtools Framework con solutore FEA base (incluso).

Opzioni

  • Upgrade al modulo FEMtools Pretest and Correlation.
  • Upgrade al modulo FEMtools Model Updating.
  • Upgrade al modulo FEMtools Optimization.
  • Interfaccia e driver NASTRAN.
  • Interfaccia e driver ANSYS.
  • Interfaccia e driver ABAQUS.
  • Interfaccia e driver UNIVERSAL FILE.
  • FEMtools Modal Parameter Extractor
  • FEMtools Rigid Body Properties Extractor.