2 IL SOFTWARE CATIA V5
2.1 Introduzione
Nel presente capitolo verrà fornita una descrizione della struttura del software CATIA V5, con lo scopo di chiarire le principali modalità di funzionamento della procedura di modellazione e analisi effettuata. La trattazione riguarda problematiche ritenute necessarie per la comprensione delle potenzialità dello strumento utilizzato. Ma anche per sottolineare il carattere innovativo, evidenziando gli eventuali limiti.
2.2 Descrizione del software
Il CATIA è un software che può assolvere a due particolari funzioni:
• CAD (Computer Aided Design); • FEM (Finite Element Method).
Il software CAD consente (all’utente) di generare, in un ambiente 3D, volumi, superfici, linee e punti al fine di elaborare un modello 3D di un complessivo o di un particolare, con la possibilità di estrapolare viste e sezioni direttamente dal modello 3D. Come software FEM, il CATIA è in grado di generare una mesh su diverse geometrie di appoggio (volume, superficie, linea), applicare le proprietà degli elementi, le condizioni di vincolo e di carico. Uno strumento di post-processing, interno al software, permette di visualizzare i risultati della soluzione effettuata.
Il software possiede un certo numero di moduli, ognuno dotato di diversi strumenti operativi. Quelli che interessano il presente lavoro sono rappresentati schematicamente in Figura 2.1.
Figura 2.1: Schema moduli CATIA V5.
Il “Mechanical Design” è il modulo che gestisce la fase di modellazione geometrica, mentre “Analysis & Simulation” è il modulo in cui viene realizzata la mesh ed effettuata l’analisi agli elementi finiti.
Una macchina od un qualsiasi manufatto industriale (per esempio, un riduttore) è un sistema composto da più particolari o singoli componenti (per esempio, le ruote dentate, gli alberi, i cuscinetti, i carter, le viti,…). Il software in questione gestisce i due livelli, di singolo componente e di assieme di componenti, tramite due tipi di file:
• “CATPart”; è un file contenente la geometria di un singolo particolare (ad
esempio, una ruota dentata), comunque di un blocco elementare di componenti, composta da un insieme di volumi, oppure un insieme di superfici e linee.
• “CATProduct”; è un file contenente un assieme di componenti interfacciati in un
complessivo (per esempio, il riduttore). Tale file possiede un riferimento interno ai diversi files esterni di tipo CATPart relativi ai singoli componenti.
Un nuovo file CATPart appena creato appare, nell’interfaccia di lavoro grafica, come in Figura 2.2, dove sono stati evidenziati i seguenti oggetti:
• l’albero;
• il sistema di riferimento; • il manipolatore;
• le barre degli strumenti (toolbar).
L’albero è una struttura molto importante ed è presente in tutti i tipi di file CATIA, nei CATPart, nei CATProduct ed infine nei file di CATAnalysis (file dove vengono effettuate le operazioni di mesh ed analisi). Nell’albero vengono memorizzate tutte le operazioni effettuate, secondo il flusso logico con le quali sono state organizzate. Per quello che riguarda il sistema di riferimento, il software identifica in automatico lo spazio in cui si disegna, con un sistema di riferimento globale cartesiano. Si possono comunque creare altri sistemi di riferimento utente, di natura differente (cartesiano, cilindrico, sferico), con origine in un punto qualsiasi del sistema di riferimento globale e con qualsiasi orientamento. Il manipolatore è uno strumento che permette di traslare e ruotare la geometria creata nello spazio. Le barre degli strumenti contengono (sotto forma di icona) i “pulsanti” che attivano le operazioni. Con operazione, si intende un’azione di modellazione (in ambiente Mechanical Design) o di mesh ed analisi (in ambiente Analysis & Simulation). Uno stesso comando delle toolbar presenta diverse opzioni. Per esempio, per creare un nuovo punto nello spazio, si può scegliere tra l’assegnamento delle coordinate cartesiane, oppure il posizionamento su di una linea o di un piano, etc. Ovviamente, maggiore è la complessità dell’oggetto che si vuole modellare, maggiore sarà il numero di operazioni semplici da effettuare e più complessa sarà l’organizzazione del flusso logico delle medesime.
Albero
Sistema di riferimento
Toolbar
Manipolatore
Figura 2.2: Nuovo file CATPart.
Analizzando la struttura dell’albero più in dettaglio, si osserva che questo presenta più livelli di ramificazione. La struttura dell’albero può essere descritta tramite i termini “cartella” ed “entità”. Con “entità” si intende l’oggetto dell’albero che rappresenta il risultato di un’azione di modellazione (per esempio, il punto come risultato dell’operazione di creazione di un punto). Questo oggetto contiene le informazioni sui parametri caratteristici dell’operazione stessa (le coordinate cartesiane del punto) e permette di interagire con le sue proprietà. Le principali proprietà dell’oggetto sono le seguenti:
• etichetta dell’oggetto;
• proprietà grafiche della visualizzazione (colore, spessori, effetti,…); • nascondi/visualizza (nasconde o visualizza il punto).
L’aspetto più interessante è la possibilità di modificare i parametri dell’operazione stessa (per esempio, modificare le coordinate del punto).
Con “cartella” si intende l’oggetto dell’albero che fa da “contenitore” per le entità. Esistono due cartelle relative ai parametri di modellazione: la cartella “Parametri” (dove vengono raccolti i parametri del modello) e quella “Formule” (dove vengono raccolte tutte le formule eventualmente usate durante la modellazione, per combinare i parametri). Relativamente alle operazioni di modellazione, possono essere individuati due tipi fondamentali di cartelle:
• PartBody; • OpenBody.
Nella cartella PartBody vengono raccolti tutti i volumi e le operazioni effettuate sui medesimi, che vanno a realizzare modelli volumetrici, realizzati in ambiente di lavoro Part Design. Invece, nella cartella OpenBody vengono raccolte le superfici, le linee ed i punti, che vanno a realizzare modelli non volumetrici, creati nell’ambiente di lavoro Wireframe and Surface Design. A partire da un OpenBody si può generare, all’interno di un file CATPart, un PartBody, che conferisce la caratteristica volumetrica ad un corpo fatto di sole superfici o linee. Questo rappresenta uno strumento molto potente per la gestione dei corpi in parete sottile, come quelli considerati nel presente lavoro: essi possono essere infatti rappresentati, nello stesso file, sia come superfici, a cui in fase di analisi sarà attribuito uno spessore, che come solidi, per eseguire analisi di dettaglio.
Prima di procedere nella descrizione di un esempio, è importante rimarcare che sia il Part Design, sia il Wireframe and Surface Design, possiedono uno strumento, denominato “Sketcher”, che serve per generare schizzi bidimensionali su un qualsiasi piano dello spazio, e che, generalmente, fungono d’appoggio per altri comandi.
A titolo di esempio si descrive dettagliatamente, nel seguito, la procedura di modellazione di un particolare all’interno di Part Design. Supponiamo di voler realizzare un prisma. Premettendo che le strategie di realizzazione possono essere molteplici, viene inizialmente creato il profilo della base del prisma (si veda la Figura 2.3), mediante l’uso dello Sketcher.
Mediante l’uso del comando “Pad” si ottiene il prisma (si veda la Figura 2.4).
Figura 2.4: Esempio Part Design – Pad.
Ovviamente effettuando ulteriori operazioni, si possono ottenere modelli più complicati. Per esempio può essere conferita alla superficie laterale del prisma un’inclinazione mediante il comando “Draft Angle” (mantenendo invariata la superficie della base), ottenendo il risultato mostrato in Figura 2.5.
Figura 2.5: Esempio Part Design – Draft Angle.
Ad esempio, possono poi essere raccordati i bordi della base superiore con un raggio di raccordo fissato, ottenendo il risultato mostrato in Figura 2.6.
Possono essere aggiunti anche comandi basati sulle simmetrie, come lo “Specchio”: prendendo come piano di simmetria la faccia laterale piana del prisma, si ottiene il risultato mostrato in Figura 2.7.
Figura 2.7: Esempio Part Design – Specchio.
Può essere realizzato un foro passante, tra la base superiore ed inferiore del prisma: con l’uso dello Sketcher viene disegnata la circonferenza del foro prendendo come piano d’appoggio la base superiore del prisma e, successivamente, viene utilizzato il comando “Pocket”, prendendo come profilo d’appoggio, quello precedentemente realizzato con lo Sketcher, per ottenere il risultato mostrato in Figura 2.8.
Sketcher
Un’ulteriore operazione che può essere eseguita è lo “Svuotamento”, che consiste nel togliere tutto il materiale che dista dalla superficie selezionata più di una quantità prefissata. Il risultato di questa operazione è mostrato in Figura 2.9.
Figura 2.9: Esempio Part Design – Svuotamento.
Come è stato detto sopra, le entità racchiudono le informazioni dei parametri caratteristici delle varie operazioni. Per esempio, il Pad, fissato il profilo base, ha come parametro caratteristico la lunghezza di estrusione. Il raccordo ha come parametro caratteristico il raggio di raccordo. Lo schizzo realizzato con lo Sketcher ha come parametri caratteristici le quote dei suoi elementi (per esempio se si tratta di una circonferenza, la quota del diametro). Questa impostazione è molto utile, in quanto permette una facile modifica dell’oggetto. Se si deve, per esempio, aumentare il diametro di un cilindro senza cambiare la sua lunghezza, non è necessario ricrearlo, ma infatti è sufficiente modificare il diametro (parametro dello Sketcher) della circonferenza che funge da profilo base per il cilindro. Esistono due modi di definire questi parametri caratteristici:
• definizione numerica; • definizione parametrica.
Nel primo caso, si assegna alla grandezza caratteristica (diametro della circonferenza) il suo valore numerico (lunghezza espressa nell’opportuna unità di misura). Nel secondo caso, alla grandezza caratteristica viene assegnato un parametro dello stesso tipo di dimensione fisica. Al momento della creazione del parametro, si assegna un nome ed un valore numerico al medesimo. I parametri vengono raccolti nella cartella “Parametri” e possono essere creati per ogni tipo di grandezza usata da CATIA (reale, intero, stringa, booleano, lunghezza, angolo, massa, volume, densità, area, momento d’inerzia, forza, coppia, pressione, rigidezza torsionale, temperatura,…). I principali vantaggi di una definizione parametrica sono i seguenti:
• modificando il valore del parametro, il software aggiorna automaticamente tutte
le grandezze che sono funzione del medesimo (se si pensa che in un particolare complesso possono essere migliaia le grandezze da aggiornare, è evidente quanto sia notevole il vantaggio);
• possibilità di assegnare il valore numerico dei parametri, attraverso l’uso di
tabelle di progetto, collegate a file esterni al software;
• struttura del file più “leggibile”.
Per approfondire il secondo punto, si suppone che nel file di CATPart siano stati creati due parametri di lunghezza: base ed altezza. La tabella esterna, contenuta in un file di testo, nel formato compatibile con CATIA, assumerebbe l’aspetto della Tabella 2.1.
Configurazione Base(mm) Altezza(mm)
A 300 150
B 350 175
C 400 200
Tabella 2.1: Esempio di tabella di parametri per CATIA V5.
Cambiando la configurazione, automaticamente CATIA assegnerebbe i nuovi valori ai due parametri. Questo comporta due grossi vantaggi:
• la possibilità di modificare con semplicità modelli con un gran numero di
• dato che i valori dei parametri sono contenuti in file esterni al software, vi è la
possibilità di elaborarli a monte, mediante l’uso di altri software (per esempio, MATLAB).
Segue adesso un esempio molto semplice di modello non volumetrico, in ambiente Wireframe and Surface Design. Si tratta di una semplice superficie cilindrica. Per realizzarla, si è innanzitutto creata una circonferenza mediante l’uso dello Sketcher. Successivamente si è operata un’estrusione. I parametri caratteristici (si veda Figura 2.10) sono il diametro e la lunghezza del cilindro ed il risultato ottenuto è mostrato in Figura 2.11, dove viene mostrato nell’albero anche il nome del materiale (per esempio, alluminio) applicato al particolare.
Figura 2.10: Esempio Wireframe and Surface Design – Albero del particolare rappresentato in Figura 2.11.
Figura 2.11: Esempio Wireframe and Surface Design – Cilindro.
In Figura 2.12 viene mostrato, a titolo di esempio, l’albero di un particolare molto complesso. Si tratta di un’ordinata tratta da un complessivo generato durante la procedura di modellazione. E’ importante osservare come lo stesso componente sia stato realizzato come OpenBody o PartBody e che i diversi tipi di rappresentazione possono essere gestiti separatamente, a seconda delle esigenze e del grado di approssimazione con cui si vuole trattare la geometria.
Figura 2.12: Albero dell’ordinata.
Come si è detto precedentemente, per creare un complessivo è necessario creare un nuovo file di tipo CATProduct (si veda la Figura 2.13). Il CATProduct viene gestito all’interno dell’Assembly Design. In questo tipo di file vengono inseriti i vari particolari (CATPart) di cui è costituito il complessivo. Completata questa fase di inserimento, è necessario posizionare i vari componenti nello spazio. Questa operazione viene effettuata creando dei vincoli fra i particolari. Esistono diversi tipi di vincolo:
• vincolo di coincidenza; • vincolo di contatto; • vincolo di offset; • vincolo angolare; • fissa componente.
Questi vincoli possono essere applicati tra qualsiasi tipo di geometria, appartenente sia ad un PartBody, sia ad un OpenBody. Questa operazione ha come scopo quello di congelare le posizioni dei vari componenti, ma non quello di realizzare dei collegamenti strutturali.
Figura 2.13: Nuovo CATProduct (Assembly Design).
Ovviamente, una volta terminata la fase di posizionamento spaziale, si pone il problema del collegamento strutturale dei vari particolari. Per passare infatti da un semplice insieme di componenti ad un vero e proprio complessivo è necessario:
• impedire la compenetrazione tra componenti;
• garantire l’integrità strutturale di ogni singolo componente;
• modellare i collegamenti strutturali reali tra i vari componenti (per esempio, una
Innanzitutto è necessario comprendere come CATIA interpreti i CATPart. Il PartBody viene interpretato come un unico solido. Il software genera quindi in automatico un’unione di tutti i volumi presenti nella cartella, che ovviamente devono avere un’intersezione non nulla. L’OpenBody viene interpretato come un insieme di superfici, linee e punti, dove ogni entità geometrica (come si può vedere anche nell’albero) è anche un’entità strutturale a sé stante. Infatti il software permette di attivare (visualizzare) le entità geometriche che interessano, ma non genera nessuna unione in automatico. L’utente è comunque libero di unire più entità geometriche in modo da ottenere un’unica entità strutturale (le unioni si effettuano fra geometrie dello stesso genere). Ma se, per altri motivi, non è stato possibile unire le varie entità geometriche dell’OpenBody (modello non volumetrico di un particolare, che essendo tale deve avere una sua integrità strutturale), allora esistono altre due possibilità:
• Il “Merge”: l’integrità strutturale viene ripristinata in fase di mesh, mediante una
procedura di condivisione dei nodi, che verrà descritta nel Capitolo 5.
• Mediante l’uso di “Parti Virtuali”; l’integrità strutturale viene ripristinata in fase
di mesh, mediante l’ausilio di elementi finiti virtuali, come verrà descritta nel Capitolo 5.
Nel caso in cui si tratti di modelli non volumetrici, per collegare due particolari, si possono ancora adoperare i due metodi sopra enunciati (“Merge” e “Parti Virtuali”). Un’altra metodologia, da poter usare in entrambi i casi (modelli volumetrici e non volumetrici), può essere schematizzata nei seguenti due punti:
• connessione delle due entità geometriche che si vogliono collegare all’interno
del modulo “Analysis Connections”;
• specificazione del tipo di collegamento all’interno di “Generative Structural
Analysis”.
All’interno di Analysis Connections si possono effettuare i seguenti tipi di connessioni (solo tra due superfici):
• connessione “faccia-faccia”: collegamento diffuso che si appoggia sulla
superficie di contatto;
• connessione “saldatura continua”: collegamento continuo che si appoggia su di
una linea di contatto;
• connessione “saldatura a punti”: collegamento discontinuo che si appoggia su di
Le connessioni create vengono inserite in una cartella all’interno del file di Product. Nella seconda fase si specifica il tipo di collegamento. I tipi più importanti sono i seguenti:
• “connessione bloccata”, • “connessione con contatto”, • “connessione con slitta”,
• “connessione elastica bloccata”.
Per ulteriori approfondimenti sui collegamenti strutturali e le loro problematiche, si rimanda al capitolo 5.
Una volta terminato il complessivo (od il particolare), se interessa effettuare un’analisi agli elementi finiti, si procede alla fase di meshatura ed analisi vera e propria. Si possono distinguere due casi fondamentali:
• analisi di un modello volumetrico; • analisi di un modello non volumetrico.
Nel primo caso si crea un nuovo file di Analysis, all’interno di “Generative Structural Analysis”. Il software genera mesh automatiche che applica ad ogni singolo volume (particolare), utilizzando elementi tetraedrici. L’utente può modificare la dimensione caratteristica dell’elemento, variando così il grado di infittimento della mesh od effettuare anche degli infittimenti locali. Successivamente vengono applicate le condizioni di vincolo (incastro, slitta, cerniera,…). I vincoli possono essere applicati ad una linea, una superficie od un punto, a condizione che alla geometria da vincolare sia stata applicata una mesh. Vengono applicate le condizioni di carico, dopo di che può essere avviata la procedura di calcolo della soluzione.
Nel secondo caso, viene creato un nuovo file di CATAnalysis, all’interno di “Advanced Meshing Tools”. Questo strumento genera mesh su linee e superfici, fornendo all’utente diversi comandi per controllare e modificare le stesse mesh. Generate le mesh di tutti i componenti, si passa al modulo “Generative Structural Analysis”, relativo all’analisi vera e propria. Vengono applicate quindi le proprietà degli elementi (spessori, momenti di inerzia,…), le condizioni di vincolo e di carico. Infine si esegue il calcolo della soluzione.
Anche in questo modulo (Analisis & Simulation) vi è la possibilità di lavorare in modo parametrico. Possono essere infatti definite come parametri le grandezze caratteristiche delle operazioni di mesh e pre-processing (per esempio, la grandezza
caratteristica dell’elemento, lo spessore di una superficie, il modulo di una forza, il momento di inerzia di una linea,…). Modificando i parametri (che possono essere agganciati a tabelle esterne), il software automaticamente aggiorna la mesh del modello, le proprietà ed i carichi applicati. Ad esempio, se è stato modificato il parametro che regola la dimensione caratteristica dell’elemento della mesh di una superficie, il software rigenera in automatico la mesh, diradando o infittendo opportunamente. L’aggiornamento della mesh viene effettuato anche nel caso in cui sia stata modificata la geometria alla quale era applicata una mesh (a parità di dimensione dell’elemento della mesh, se l’area della superficie viene aumentata, viene aumentato il numero degli elementi, oltre che variato il posizionamento spaziale dei nodi). Le operazioni di aggiornamento in questo ambiente sono molto onerose sotto l’aspetto delle risorse macchina e dei tempi di esecuzione.
Una volta ottenuta la soluzione, si può procedere alla fase di visualizzazione dei risultati. Possono essere visualizzati tre tipi di risultato:
• deformazioni; • tensioni;
• stima dell’errore nella soluzione.
Per quanto riguarda le tensioni, possono essere visualizzati:
• Sforzi di Von Mises; • Sforzi principali;
• Componenti del Tensore degli sforzi.
Segue ora un esempio di analisi agli elementi finiti, eseguita sul modello volumetrico visualizzato in Figura 2.14. La mesh tetraedrica del modello è mostrata in Figura 2.15. Il modello è stato vincolato con un incastro ad un’estremità, e caricato con un carico di taglio all’altra estremità. Generata la soluzione, si può visualizzare la deformata (si veda la Figura 2.16) e fra le varie rappresentazioni delle tensioni, si può scegliere, per esempio, la tensione equivalente di Von Mises (si veda la Figura 2.17).
Figura 2.14: Analysis – Modello volumetrico.
Figura 2.16: Analysis – Deformata e indeformata.
2.3 Problematiche relative al software
Come è stato detto nel Capitolo 1, sono numerose le motivazioni che hanno spinto all’adozione del software CATIA V5 per la realizzazione di questo lavoro in tutte e tre le sue fasi (generazione modello, mesh ed analisi FEM). Tali motivazioni possono essere riassunte nei seguenti punti, che descrivono brevemente le prestazioni del CATIA:
• capacità di gestione di modelli particolarmente complessi, caratterizzati da un
numero notevole di componenti;
• modellazione parametrica dei componenti e degli assiemi; • possibilità di importare parametri da file di testo esterni;
• presenza di un ambiente integrato per la generazione di mesh parametriche; • solutore FEM integrato nell’ambiente di modellazione di facile utilizzazione
anche da parte di utenti non esperti.
Ad una notevole versatilità del software, si contrappongono alcuni problemi che possono essere identificati nei seguenti punti:
• notevole impegno di risorse macchina, soprattutto in termini di uso della RAM
(Random Access Memory);
• possibilità di condurre analisi lineari con piccole deformazioni; • software in corso di sviluppo e con numero ancora limitato di utenti;
• documentazione tecnica di supporto soddisfacente per un uso del software a
livello medio-basso, ma insufficiente per un uso di livello avanzato;
• strumento di post-processing sprovvisto della possibilità di lettura locale dei dati
in maniera semplice.
La limitazione evidenziata al secondo punto non costituisce un problema finché vengono considerati i soli carichi di flessione, ma chiaramente, volendo estendere lo studio anche ai carichi di pressurizzazione, sarebbe necessario utilizzare un altro risolutore FEM1.
Per quanto concerne il terzo punto, sono stati riscontrati alcuni limiti tecnici, soprattutto in fase di analisi agli elementi finiti. Questa è una situazione tipica di un
software che è in piena fase di sviluppo e che necessita dunque dell’interazione fra utenti avanzati e programmatori per le successive migliorie. In effetti, avendo avuto la possibilità di accedere agli aggiornamenti2 del software per tutta la durata del presente lavoro, si è osservato come diversi limiti delle prime versioni siano stati risolti nelle successive. Il limitato numero di utenti delle versione V5 di CATIA si riflette nella mancanza di un know-how consistente dal quale poter attingere informazioni e suggerimenti; conseguentemente, è stato necessario impegnare inizialmente un certo tempo per incrementare il livello di conoscenza di partenza.
E’ stato inoltre necessario costruire uno strumento di post-processing, in ambiente MATLAB, per poter rielaborare i risultati.
2.4 Esperienze effettuate sul software
Data la mancanza di esperienze pregresse ed a causa della complessità della modellazione da svolgere, è stato necessario effettuare una prima fase di lavoro propedeutica alla realizzazione vera e propria della procedura elaborata nel presente lavoro. Questa attività può essere schematizzata nelle seguenti fasi:
• ricerca manualistica e tutorials;
• apprendimento dei fondamenti di CATIA V5;
• prove di realizzazione di modellazione parametrica ed analisi agli elementi finiti,
con geometrie semplificate rispetto a quelle realizzate successivamente;
• prove specifiche di analisi agli elementi finiti.
La seconda fase è consistita nel prendere confidenza con il software, con i suoi vari moduli e le sue problematiche, potendo usufruire dei tutorials e della documentazione tecnica di supporto solo per muovere i primi passi.
La terza fase ha permesso di determinare ed analizzare in maniera critica alcune problematiche tipiche della generazione e dell’analisi dei modelli. Avendo adottato delle geometrie semplificate e un numero limitato di elementi finiti nelle mesh dei componenti, si è potuto lavorare con scala di tempi ridotti.
La quarta fase è servita per comprendere alcuni aspetti dell’analisi e della lettura dei risultati non sufficientemente descritti nella documentazione tecnica di supporto. Le prove effettuate sono riportate in Appendice B.
