Analisi agli elementi finiti di strutture a spessore variabile gestite tramite la funzione Offset = Finite element analysis of variable-thickness structures managed through the Offset function

L’analisi agli elementi finiti (FEM - Finite Element Method) rappresenta uno degli strumenti più potenti e versatili utilizzati in ingegneria per la simulazione e lo studio del comportamento di strutture aerospaziali. Per questo motivo è fondamentale comprendere il funzionamento degli strumenti che consentono di operare questo tipo di analisi in modo da poterne sfruttare correttamente le capacità e ridurre il livello d’errore. Lo scopo di questo documento è indagare le modalità attraverso cui i principali software disponibili in commercio, MSC Patran-Nastran, consentono di creare modelli agli elementi finiti di strutture caratterizzate dalla graduale variazione di spessore e l’effetto che queste tecniche generano nell’ambito delle analisi statiche e dinamiche. In particolare, si è posta attenzione sulle funzioni CQUAD ZOFFS e PCOMP Z0 utilizzate in Patran, delle quali sono state studiate le fondamenta matematiche per comprenderne le differenze e i relativi vantaggi. Nello specifico, in questo testo verranno valutate le possibili differenze generate dall’impiego dei due approcci nell’ambito della risoluzione di problemi statici e dinamici. Al fine di ottenere una visione più chiara e completa del funzionamento di queste funzioni, verrà inoltre presentato un modello di calcolo implementato in Matlab che ricostruisce gli aspetti matematici celati nei codici commerciali. In secondo luogo verranno ricercate le migliori condizioni di impiego di tali funzioni modificando la disposizione dei piani di riferimento. Lo studio è condotto sviluppando in Patran dei modelli che impiegano diversi valori di Offset e confrontando i risultati ottenuti con un modello tridimensionale di riferimento. Inoltre, saranno presentati come casi studio le analisi condotte su pannelli piani a spessore variabile, costruiti sia in materiale isotropo che composito-laminato, e su un serbatoio cilindrico in composito. Tra i risultati ottenuti dalle analisi vi è soprattutto la dimostrazione della totale equivalenza delle funzioni PCOMP Z0 e CQUAD ZOFFS in campo statico e dinamico, ottenuta attraverso la perfetta corrispondenza dei valori degli spostamenti e delle frequenze proprie.