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Simulazione rapida e accurata di parti fabbricate con difetti

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La tomografia computerizzata (CT) è utilizzata come strumento di ispezione efficace

Volume Graphics GmbH, Heidelberg, Germania e TEC Eurolab Srl, Modena, Italy

La porosità indesiderata è tipica di molti processi di produzione - dalla fusione tradizionale alla produzione additiva (stampa 3D) - ed è difficile da evitare del tutto. I produttori devono sapere quale quantità di porosità è tollerabile all'interno di una parte, senza comprometterne la resistenza e le prestazioni.

La tomografia computerizzata (CT) viene sempre più utilizzata come strumento di ispezione che cattura la geometria tridimensionale completa della porosità in alta risoluzione senza distruggere il componente. Mentre i dati CT possono essere utilizzati come base per simulare geometrie di parti realistiche per guidare la progettazione e / o correzioni di fabbricazione, l'utilizzo dell'analisi degli elementi finiti classica (FEA) può richiedere molto tempo. Il collo di bottiglia principale è la conversione della spesso complessa geometria vista nei dati CT, in una fedele rappresentazione adatta alla simulazione, che spesso comporta un lavoro manuale noioso
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Figura 1. (a sinistra): FEA classica. L'area blu è un dettaglio di un oggetto simulato più grande. È rappresentato da una mesh conforme alla geometria (linee nere). (Destra): metodo degli elementi finiti con limiti di immersione. Il dominio di simulazione è esteso oltre i confini dell'oggetto e discretizzato da una maglia quadrilatera banale (linee nere). Le celle mesh che intersecano il limite dell'oggetto (contrassegnate da punti) vengono trattate in modo specifico per riflettere la superficie dell'oggetto esatta.

I metodi degli elementi finiti a bordo parziale superano questo problema. Tali metodi non richiedono la generazione di una mesh conforme al contorno e sono quindi adatti per simulare geometrie complesse (Figura 1).

Un'efficiente codice ad elementi finiti con limiti immersi è disponibile nel software di analisi CT VGSTUDIO MAX. Il codice elabora direttamente i dati delle immagini CT e funziona con modelli strutturati come mesh superficiali o dati CAD. In uno studio recente, questo codice è stato confrontato con un codice FEA classico di spicco; un esempio di questo studio è presentato qui.
Un provino cilindrico è stato prodotto in modo additivo da una lega di alluminio, con un poro ellittico deliberatamente inserito nel centro della simmetria. A causa dei limiti di produzione, la forma ideale dei pori si trasforma in una superficie complessa nella parte reale. È stata acquisita un'immagine CT e l'immagine è stata segmentata con precisione sub-voxel utilizzando l'algoritmo di determinazione della superficie di VGSTUDIO MAX. La parte è stata simulata nello stress uniassiale lineare-elastico di VGSTUDIO MAX e ANSYS Workbench. Per la classica analisi FEA, i dati di superficie sono stati esportati ed è stata generata una mesh di volume utilizzando ANSYS Workbench.

Figura 2. (a sinistra): scansione CT di campioni cilindrici con difetti a pori singoli (rendering 3D semitrasparente). Poro a forma di ellisse mostrato ingrandito in sezione 2D. (a destra, in alto): con il classico FEA, la maggior parte dello stress di simulazione passa alla generazione di mesh. Tuttavia, la mesh non cattura completamente tutti i dettagli visti nell'immagine. (a destra, in basso): il metodo Immersed-boundary calcola molto più velocemente e mostra il poro (grigio) e la concentrazione dello stress attorno ad esso in maggiore dettaglio.

Le previsioni di sollecitazione attorno al poro sono state quindi confrontate e il livello di dettaglio del metodo immersed-boundary è risultato essere molto più grande di quello della FEA classica (Figura 2) e ha rivelato variazioni di stress più pronunciate. Con il metodo immersed-boundary, l'accuratezza spaziale della soluzione è limitata solo dalla risoluzione dell'immagine CT, mentre nel metodo classico, l'accuratezza viene persa nella fase aggiuntiva di discretizzazione della mesh del volume.

In questo studio, che è stato condotto su un singolo poro, l' immersed-boundary solver ha già superato il classico flusso di lavoro FEA in termini di sforzo computazionale. Nelle parti reali, ci sono in genere centinaia o talvolta migliaia di singoli pori. Tuttavia, con l' immersed-boundary solver a differenza del classico FEA, lo sforzo computazionale non aumenta con il numero di pori simulati.

In conclusione, il metodo immersed-boundary degli elementi finiti è uno strumento accurato ed efficiente per la simulazione degli effetti meccanici della porosità nelle parti reali. Uno studio più ampio che confronta simulazione e esperimenti fisici in parti complesse supporta questo lavoro.

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