Per geometrie relativamente semplici il software ANSYS® Mechanical dispone di una modellazione CAD in loco, ma nel caso in esame il modello geometrico è troppo complesso; la procedura di creazione della geometria risulterebbe troppo lunga e onerosa.
Il primo passo dunque consiste nella modellazione CAD del componente tramite un software dedicato quale SOLIDWORKS®. Una volta creata la geometria del giunto si procederà verso l’esportazione del modello in un file compatibile con l’ambiente Ansys. Infine, verrà descritta la procedura di importazione del file nel suddetto ambiente.
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4.2.1 Modellazione geometrica
Come precedentemente accennato, utilizzeremo il software SOLIDWORKS® (versione 2017) per creare la geometria 3D del giunto saldato e ottimizzarla per la successiva analisi FEM.
Alcuni accorgimenti vengono presi in considerazione prima di cominciare la realizzazione dei disegni CAD: • Modellazione giunto a 3 piastre: prenderemo a riferimento la geometria del giunto a 3 piastre anziché
quella del giunto a 5 piastre. In questo modo si ridurrà il volume complessivo sul quale verrà applicata la mesh, riducendo di conseguenza i tempi di calcolo.
• Simmetria: considerando la geometria del giunto, le condizioni di vincolo e i carichi esterni applicati si può individuare un piano di simmetria in corrispondenza della piastra centrale come mostrato in Fig. 4.2, permettendo così di considerare solo metà del modello nell’analisi FEM. A parità di dimensione di elemento, ciò comporterà il dimezzamento del numero di nodi, riducendo notevolmente il tempo necessario per l’analisi.
Fig. 4.2: Piano di simmetria del modello geometrico del giunto.
• Anelli di rinforzo dell’ogiva centrale: questi non verranno considerati nel modello in esame in quanto ininfluenti sullo stato tensionale nella zona di saldatura. Ciò permetterà un’ulteriore riduzione del volume analizzato, con i vantaggi precedentemente descritti.
Dunque, entrando nel dettaglio della modellazione geometrica, tramite SOLIDWORKS® si sono creati tre distinti file di parti in formato Part Document (.SLDPRT) rispettivamente per piastra centrale, tubolare e piastra laterale. Tenendo conto della simmetria, la piastra centrale presenta uno spessore dimezzato mentre il tubolare una lunghezza dimezzata. Successivamente le singole parti sono state assemblate in un unico file SOLIDWORKS Assembly Document (.SLDASM) ottenendo il modello seguente:
105 Nella figura precedente si può osservare il sistema di riferimento adottato nel file d’assieme: asse x coincidente con l’asse del tubolare con origine nel piano di simmetria e asse y coincidente con la direzione della forza applicata sul foro della piastra centrale. Si sottolinea l’importanza del sistema di riferimento adottato in quanto una volta eseguita l’importazione nell’ambiente Ansys esso coinciderà con il sistema di riferimento del software di analisi FEM.
Un’ulteriore osservazione nella figura 4.3 riguarda il gioco pari a 5 mm sul diametro tra i volumi delle piastre e il tubolare. Si è deciso infatti, per praticità, di non modellare il cordone di saldatura tramite SOLIDWORKS® ma di lasciare separati i volumi dei singoli componenti e di procedere con la modellazione del cordone solo dopo l’importazione, direttamente con il software ANSYS®. La geometria del cordone risulta molto semplice e può essere facilmente costruita tramite il linguaggio APDL. Ciò permetterà di utilizzare il file d’assieme per entrambe le casistiche, modellando il cordone in base alla condizione di spigolo vivo o con raggio di raccordo. La separazione dei volumi, inoltre, garantirà una creazione degli stessi ben distinta durante l’importazione, mantenendo inalterate le geometrie.
4.2.2 Esportazione del modello
Affinché non si presentino errori di conversione durante l’importazione del modello, con conseguenti compenetrazioni e/o errati allineamenti, si deve convertire il modello in un file di parti che annulla le condizioni di accoppiamento, vincolando i singoli componenti come se appartenessero ad un unico pezzo. Verranno riportati qui di seguito e nei prossimi paragrafi, una serie di comandi già affrontati durante la tesi di Menegalli [56], ma indispensabili per una successiva e corretta analisi del modello FEM.
Dunque, la prima fase consiste nel salvataggio preliminare del file d’assieme (.SLDASM) in un file di parte (.SLDPRT) mediante la sequenza File → Salva con nome e selezionando il formato Parte (.prt; .sldprt) dal menu a tendina, come riportato in figura 4.4:
Fig. 4.4: Salvataggio del file d’assieme in un file di parte.
Una volta salvato il file e aperto, si può procedere alla vera e propria esportazione. Tra i formati possibili compatibili con ANSYS® il formato IGES consente un’ottimizzazione per il suddetto software. La scelta dunque ricadrà su quest’ultimo formato. Per fare ciò si seguirà la sequenza File → Salva con nome, selezionando dal menu a tendina l’estensione IGES (.igs) come mostrato nella seguente figura:
Fig. 4.5: Esportazione modello CAD tramite salvataggio con estensione IGES.
In questa fase, però, prima di salvare il file si dovranno settare alcune opzioni selezionando dalla finestra di salvataggio il tasto Opzioni (Fig. 4.5). Si visualizzerà di conseguenza la seguente schermata:
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Fig. 4.6: Opzioni di esportazione del file IGES.
In Fig. 4.6 si possono vedere tutti i settaggi ottimizzati per l’esportazione del modello CAD da SOLIDWORKS® finalizzata all’ambiente Ansys. Molto importante è il settaggio ANSYS nel menu a tendina riguardante l’opzione Rappresentazione della superficie/Preferenza del sistema.
Una volta selezionato questi parametri e salvato il modello IGES, la conversione del file CAD è completata.
4.2.3 Importazione del modello in ANSYS®
La conversione del modello CAD nel formato .igs non è sufficiente per poter procedere con la vera e propria analisi FEM, ma si rende necessaria una corretta importazione del file in ANSYS®.
Dopo aver aperto ANSYS®, seguire la procedura File → Import → IGES. Apparirà la finestra delle opzioni di importazione nella quale si dovranno spuntare tutte le tre caselle presenti, come mostrato in Fig. 4.7. In questo modo la geometria importata sarà ottimizzata per l’ambiente Ansys.
Fig. 4.7: Finestra delle opzioni di importazione ANSYS®.
Cliccando su Ok comparirà una seconda finestra tramite la quale si indicherà il percorso della cartella contenente il file da importare tramite il tasto Browse (Fig. 4.8).
107 Il settaggio del menu a tendina consente di impostare le tolleranze con la quale individuare o meno la suddivisione delle geometrie presenti nel modello. Avendo ottimizzato il file IGES durante l’esportazione tale settaggio può rimanere su default. Selezionato il file IGES dunque, si può procedere all’importazione cliccando sul tasto Ok.
Avvenuta l’importazione si consiglia di plottare il modello tramite colorazione diversa dei volumi, in modo da verificare se effettivamente l’operazione sia andata a buon fine (Fig. 4.9), controllando che il sistema di riferimento cartesiano coincida con quello esistente nel modello CAD di Fig. 4.3:
Fig. 4.9: Esempio di plottaggio grafico dei volumi a seguito dell’importazione del file .igs. Da notare il sistema di riferimento cartesiano.