L'analisi agli elementi finiti (FEA) delle intersezioni di tubazioni in ABAQUS richiede un'attenta valutazione delle tipologie di elementi. In particolare, sia gli elementi esaedrici (hex) che quelli shell offrono vantaggi e limitazioni distinti. Pertanto, questo studio confronta i due approcci per guidare gli ingegneri nella selezione del tipo di elemento più adatto per simulazioni accurate ed efficienti.

Panoramica dello studio

Per l'analisi delle intersezioni dei tubi:

• Gli elementi solidi (esagonali) sono preferiti per analisi geometricamente non lineari, in quanto tengono conto di grandi spostamenti, rotazioni e tagli.

• Includono la rigidità della sollecitazione iniziale e la rigidità del carico superficiale, consentendo una modellazione accurata sotto carichi di pressione.

• Quando si considerano deformazioni finite, la formulazione utilizza la sollecitazione reale per unità di area e la velocità di deformazione integrata come misura della deformazione.

Condizioni al contorno:

• Materiale: AISI 4130

• Forza: 1000 N applicata

• Vincoli: morsetti su entrambe le estremità aperte per bloccare i gradi di libertà

Elementi esaedrici (C3D8R)

Definizione:

• C – Continuum

• 3D – Tridimensionale

• 8 – Nodi per elemento

• R – Integrazione ridotta

Selezione globale del tipo di elemento nell'app per la creazione di scenari meccanici sulla piattaforma 3DExperience . (Figura 1)

 Rappresentazione della maglia esagonale nel punto di giunzione o di intersezione dei tubi. (Figura 2)

Rappresentazione della maglia sulla faccia del tubo (Figura 3)

Specifiche della mesh sweep (Figura 4)

Risultati:

• Spostamento massimo: 5,24 mm

Spostamento con elementi C3D8R (Figura 5)

• Distribuzione dello stress di Von Mises mostrata nelle figure

Stress di von Mises con elementi C3D8R (Figura 6)

Vantaggi:

• Inoltre, gli elementi esagonali forniscono una rappresentazione accurata di geometrie 3D complesse; in particolare, sono eccellenti nella modellazione delle intersezioni dei tubi.
• Inoltre, sono meno soggetti al bloccaggio da taglio, il che migliora la stabilità numerica.
• Inoltre, per ottenere soluzioni convergenti sono necessari meno elementi, migliorando l'efficienza computazionale.

Svantaggi:

• Tuttavia, gli elementi esagonali sono più difficili da meshare, soprattutto per le geometrie complesse.
• Inoltre, comportano un costo computazionale più elevato a causa del maggior numero di nodi per elemento.

Elementi lineari a guscio (S4R)

Definizione:

• S – Conchiglia

• 4 – Nodi per elemento

• R – Integrazione ridotta

 Selezione del tipo di elemento globale nell'app di creazione di scenari meccanici sulla piattaforma 3DExperience (Figura 7)

Rappresentazione della maglia del guscio sulla faccia del tubo. (Figura 8)

Rappresentazione della maglia esagonale nel punto di giunzione dell'intersezione dei tubi. (Figura 9)

Risultati:

• Cilindrata massima: 4,97 mm

Spostamento con elementi S4R (Figura 10)

• Distribuzione dello stress di Von Mises mostrata nelle figure

Stress di Von Mises con elementi S4R (Figura 11)

Vantaggi:

• Innanzitutto, gli elementi shell sono più facili da meshare, anche per geometrie complesse.

• Inoltre, sono più efficienti per analisi più semplici, riducendo i tempi di configurazione.

Svantaggi:

• Tuttavia, gli elementi shell sono meno precisi nelle intersezioni complesse rispetto agli elementi esagonali.

• Inoltre, sono più inclini al bloccaggio da taglio, che può influire sui risultati.

• Inoltre, per ottenere una precisione comparabile potrebbero essere necessari elementi aggiuntivi, come cunei nelle giunzioni.

Elementi Shell non lineari (S8R)

Definizione:

• S – Conchiglia

• 8 – Nodi per elemento

• R – Integrazione ridotta

Mostra la selezione del tipo di elemento globale nell'app Mechanical Scenario Creation sulla piattaforma 3DEXPERIENCE . (Figura 12)

Illustra la maglia del guscio sulla superficie del tubo. (Figura 13)

Rappresenta la maglia esagonale all'incrocio del tubo. (Figura 14)

Risultati:

• Cilindrata massima: 8,41 mm

Spostamento con elementi S8R (Figura 15)

• Distribuzione dello stress di Von Mises mostrata nelle figure

Stress di Von Mises con elementi S8R (Figura 16)

E lo spostamento massimo: 5,25 mm

S4R

Si può notare che lo stress massimo di Von Mises per S4R (elementi a guscio lineare) era

e la cilindrata massima: 4,97 mm

Si può notare che lo stress massimo di Von Mises per S8R (elementi shell non lineari) era

e la cilindrata massima: 8,24 mm 

Conclusione

• Complessità della geometria: per intersezioni semplici sono sufficienti gli elementi shell; per intersezioni curve complesse o ramificazioni, gli elementi esagonali garantiscono una maggiore precisione.

• Tipo di analisi: l'analisi statica lineare può utilizzare elementi shell; le analisi non lineari con grandi deformazioni o contatti traggono vantaggio dagli elementi esagonali.

• Esperienza di meshing: gli elementi Shell sono più facili per i principianti; con la pratica, gli elementi esagonali possono essere meshati in modo efficiente.

La scelta del tipo di elemento più adatto bilancia precisione, costi computazionali e facilità di meshing. Comprendere i punti di forza e i limiti di ciascun elemento garantisce risultati affidabili per le simulazioni di intersezione delle tubazioni in ABAQUS.

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Debaditya Chakraborty

Consulente di processi industriali presso Dassault Systèmes

Consulente di processo industriale presso Dassault Systèmes. Debaditya è appassionato di innovazione nella dinamica multi-corpo, CAD e analisi agli elementi finiti (FEA), ed è specializzato nella progettazione di meccanismi multi-link utilizzando metodi basati sui dati. Ha esperienza nelle simulazioni di produzione additiva di metalli, nell'analisi strutturale navale e nell'automazione dei processi FEA.

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