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Condizioni al contorno e carichi

In FrontISTR, le condizioni al contorno e i carichi per le analisi strutturali, di conduzione termica e dinamiche sono definiti mediante keyword. Nell'analisi strutturale statica, le condizioni al contorno e i carichi definiti vengono raggruppati per ID di gruppo e attivati per ciascuno step tramite !STEP usando la relativa riga BOUNDARY o LOAD. Anche nell'analisi dinamica, !BOUNDARY, !CLOAD, !VELOCITY, !ACCELERATION e !SPRING per il metodo implicito possono essere attivati per gruppo da !STEP. Le condizioni che variano nel tempo vengono scalate mediante !AMPLITUDE, mentre le relazioni lineari tra più gradi di libertà vengono definite con !EQUATION.

Panoramica delle funzioni

Le condizioni al contorno e i carichi possono essere classificati per tipo di analisi come segue.

Tipo di analisi Keyword principali Scopo
Analisi strutturale !BOUNDARY Applica vincoli fissi, spostamenti imposti e rotazioni imposte attorno a un centro di rotazione.
Analisi strutturale !CLOAD Applica forze nodali concentrate, momenti sui gradi di libertà rotazionali e coppie attorno a un centro di rotazione.
Analisi strutturale !DLOAD Applica pressione superficiale, carichi superficiali, forze di volume, gravità e forza centrifuga.
Analisi strutturale !SPRING Applica supporti elastici ai gradi di libertà nodali.
Analisi strutturale !TEMPERATURE Specifica direttamente le temperature nodali utilizzate nell’analisi delle tensioni termiche oppure le legge da un file dei risultati.
Analisi dinamica !VELOCITY, !ACCELERATION Applica velocità o accelerazione iniziale, oppure velocità o accelerazione imposta variabile nel tempo.
Analisi di conduzione termica !FIXTEMP, !CFLUX, !DFLUX, !SFLUX, !FILM, !SFILM, !RADIATE, !SRADIATE Applica temperatura fissa, flusso termico, convezione e radiazione.
Comune !AMPLITUDE Specifica in forma tabellare fattori di scala variabili nel tempo per condizioni al contorno e carichi.
Definizione della mesh !EQUATION Definisce equazioni di vincolo multipunto.

Nell'analisi strutturale, i numeri di grado di libertà 1, 2 e 3 sono normalmente trattati come gradi di libertà traslazionali, mentre 4, 5 e 6 come gradi di libertà rotazionali. I gradi di libertà rotazionali hanno significato nei modelli con sei gradi di libertà, come quelli con elementi shell e beam. Nei modelli contenenti soltanto elementi solidi bidimensionali o tridimensionali, specificare vincoli e carichi solo nell'intervallo dei gradi di libertà posseduti dai nodi interessati.

Vincoli di spostamento nell'analisi strutturale

I vincoli di spostamento sono specificati con !BOUNDARY. Per un nodo o un gruppo di nodi vengono forniti un intervallo di gradi di libertà e un valore. Un valore pari a 0 definisce un vincolo fisso, mentre un valore diverso da zero definisce uno spostamento imposto o una rotazione imposta.

Nell'analisi strutturale, !BOUNDARY accetta un intervallo di gradi di libertà da 1 a 6. Da 1 a 3 corrispondono agli spostamenti traslazionali, mentre da 4 a 6 corrispondono ai vincoli rotazionali nei nodi che possiedono gradi di libertà rotazionali. Poiché è possibile specificare insieme un intervallo di gradi di libertà, ad esempio la traslazione può essere vincolata fissando simultaneamente da 1 a 3.

Quando viene specificato il parametro AMP, il valore imposto varia nel tempo in base a una funzione di ampiezza. Con la specifica normale, lo spostamento imposto viene applicato incrementalmente in base al fattore di carico nello step o alla variazione della funzione di ampiezza. Quando viene specificato TOTAL=YES, il valore specificato viene trattato come spostamento totale obiettivo.

Quando viene specificato ROT_CENTER, è possibile applicare un vincolo rotazionale rispetto a un gruppo di nodi centrale. Con questa specifica, gli spostamenti traslazionali del gruppo di nodi interessato vengono calcolati a partire dall'entità della rotazione e imposti come vincoli. La combinazione di ROT_CENTER e TOTAL=YES non è supportata, pertanto i vincoli rotazionali attorno a un centro di rotazione vengono utilizzati come specifiche incrementali.

Carichi concentrati nell'analisi strutturale

I carichi nodali concentrati sono specificati con !CLOAD. Quando vengono forniti un nodo o un gruppo di nodi, un numero di grado di libertà e un valore del carico, il carico viene incorporato nel membro destro per quel grado di libertà.

I valori specificati per i gradi di libertà traslazionali da 1 a 3 sono trattati come forze nodali nelle direzioni coordinate. Nei modelli con gradi di libertà rotazionali, i valori specificati per 4–6 possono applicare momenti ai gradi di libertà rotazionali. Quando viene specificato il parametro AMP, il carico concentrato viene moltiplicato per il valore della funzione di ampiezza.

Quando viene specificato ROT_CENTER, il carico viene applicato come coppia attorno al gruppo di nodi centrale. In questo caso, il vettore di coppia specificato viene distribuito alle forze nodali in base ai vettori posizione dal centro ai nodi interessati. Poiché la coppia non può essere distribuita quando il centro e un nodo interessato si trovano nella stessa posizione, è necessario verificare la relazione geometrica tra il centro di rotazione e i punti di applicazione del carico.

È necessario prestare attenzione quando !CLOAD è specificato per un gruppo di nodi in un modello che utilizza anche !MESH con REFINE (raffinamento della mesh, Refiner). Il raffinamento crea nuovi nodi intermedi sugli spigoli contenuti nel gruppo di nodi originale e tali nodi intermedi vengono aggiunti allo stesso gruppo di nodi. Poiché !CLOAD assegna lo stesso valore di carico concentrato a ogni nodo del gruppo, lo stesso carico concentrato viene applicato anche ai nodi intermedi aggiunti, producendo un carico totale diverso da quello previsto prima del raffinamento. Quando si specificano carichi concentrati tramite un gruppo di nodi, tenere conto dell'aumento dei punti di applicazione del carico dovuto al raffinamento oppure, preferibilmente, specificare direttamente i singoli nodi.

Carichi distribuiti e forze di volume nell'analisi strutturale

I carichi distribuiti e le forze di volume sono specificati con !DLOAD. !DLOAD specifica un tipo di carico e i relativi parametri per un gruppo di elementi o un gruppo di superfici. La variazione temporale viene specificata con il parametro AMP.

I principali tipi di carico sono i seguenti.

Tipo di carico Descrizione
P0, PP, P1–P6 Applica una pressione agente su una faccia dell’elemento. La corrispondenza tra i numeri delle facce e le facce dell’elemento dipende dal tipo di elemento.
PX, PY, PZ Specifica una pressione con una direzione coordinata esplicita. Durante l'elaborazione dell'input viene convertita in un vettore direzione.
S... Applica un carico superficiale a un gruppo di superfici. Il numero della faccia viene ricavato dalla definizione del gruppo di superfici.
BX, BY, BZ Applica una forza di volume in una direzione coordinata.
GRAV Specifica il vettore dell’accelerazione gravitazionale. Viene combinato con la densità del materiale e incorporato come forza di volume.
CENT Applica una forza centrifuga in base a un asse di rotazione e a una velocità angolare.

Quando viene specificato FOLLOW=YES, la pressione superficiale segue l'orientamento della superficie deformata. Questa specifica è significativa nell'analisi strutturale che considera deformazioni finite. Nelle analisi in cui la geometria non lineare è disabilitata, la pressione follower viene disabilitata dall'implementazione.

Come per P1–P6 e S1–S6 sul lato dell'analisi termica, il significato dei numeri delle facce varia in base al tipo di elemento. Per la corrispondenza specifica tra numeri delle facce e ordine dei campi dati, vedere il riferimento della relativa keyword.

Supporti elastici nell'analisi strutturale

I supporti elastici sono specificati con !SPRING. Quando vengono forniti un nodo o un gruppo di nodi, un numero di grado di libertà e una costante elastica, la rigidezza della molla viene aggiunta alla rigidezza diagonale del grado di libertà interessato e una reazione elastica proporzionale allo spostamento corrente viene incorporata nel membro destro.

Quando è specificato per i gradi di libertà da 1 a 3, il supporto viene trattato come molla traslazionale. Nei modelli con gradi di libertà rotazionali, specificando da 4 a 6 è possibile utilizzare molle rotazionali. Verificare la configurazione dei gradi di libertà affinché non vengano assegnate molle a gradi di libertà assenti nel modello interessato.

Nell'implementazione corrente, la rigidezza della molla di !SPRING non varia nel tempo mediante una funzione di ampiezza individuale. All'interno di uno step viene assemblata in base al fattore dello step. Per attivare o disattivare un supporto elastico, utilizzare l'ID di gruppo e !STEP con la relativa specifica LOAD per controllarlo a ogni step.

Carichi termici nell'analisi strutturale

Usare !TEMPERATURE per applicare nell'analisi strutturale carichi dovuti alla deformazione termica. Quando viene specificata una temperatura per ciascun nodo o gruppo di nodi, le forze nodali equivalenti per l'analisi delle tensioni termiche vengono assemblate in base alla differenza rispetto alla temperatura di riferimento o alla temperatura precedente. Il coefficiente di dilatazione termica è specificato nella definizione del materiale. La temperatura di riferimento è specificata con !REFTEMP.

La temperatura può essere specificata direttamente nel file di controllo oppure letta da un file dei risultati prodotto da un'analisi di conduzione termica o da un'altra analisi. Quando viene specificato READRESULT, le temperature nodali nelle righe dei dati non vengono lette; vengono invece letti i dati dei risultati specificati da SSTEP, INTERVAL, READTYPE e dai parametri correlati. Quando si utilizza un file dei risultati, il tempo o il numero di step salvato deve corrispondere alla specifica sul lato dell'analisi strutturale.

Poiché !TEMPERATURE non dispone del parametro AMP, non è soggetto alla scalatura mediante una funzione di ampiezza. Per variare la storia della temperatura, controllare i dati di temperatura stessi, i risultati dell'analisi termica letti oppure la suddivisione degli step.

Condizioni iniziali e valori imposti nell'analisi dinamica (velocità e accelerazione)

Nell'analisi dinamica, !VELOCITY e !ACCELERATION possono specificare condizioni iniziali o valori imposti di velocità o accelerazione. Entrambi specificano un nodo o un gruppo di nodi, un intervallo di gradi di libertà e un valore. L'intervallo dei gradi di libertà va da 1 a 6; nei modelli con gradi di libertà rotazionali, 4–6 corrispondono alla velocità angolare o all'accelerazione angolare.

TYPE=INITIAL specifica la velocità iniziale o l'accelerazione iniziale all'avvio dell'analisi. Quando viene fornita una velocità iniziale, l'accelerazione iniziale viene calcolata in modo coerente con l'equazione del moto. Quando viene fornita un'accelerazione iniziale, esiste un percorso in cui viene calcolata la velocità iniziale.

TYPE=TRANSIT specifica una velocità imposta o un'accelerazione imposta variabile nel tempo. Se TYPE è omesso, viene trattato come TRANSIT. Quando viene specificato AMP, la funzione di ampiezza viene interpolata al tempo dell'analisi dinamica e moltiplicata per il valore imposto.

Vincoli multipunto

Utilizzare la funzione di vincolo multipunto quando è necessario imporre una relazione lineare tra più gradi di libertà nodali. La keyword corrispondente è !EQUATION, che può esprimere relazioni come accoppiamenti rigidi, condizioni al contorno periodiche e relazioni di spostamento tra nodi difficili da rappresentare mediante un vincolo fisso su un singolo nodo e un singolo grado di libertà.

Per indicazioni sull'uso dei vincoli multipunto, sul modo in cui vengono gestiti dal solver lineare e sulla loro relazione con altre funzioni di accoppiamento dei gradi di libertà come il contatto TIED, vedere Vincoli multipunto.

Condizioni al contorno nell'analisi di conduzione termica

Nell'analisi di conduzione termica, temperatura fissa, flusso termico, convezione e radiazione vengono applicati come condizioni al contorno. Separatamente da !STEP per l'analisi strutturale, il controllo temporale dell'analisi termica è specificato con !HEAT.

Keyword Entità interessata Descrizione Specifica dell’ampiezza
!FIXTEMP Nodo o gruppo di nodi Fissa la temperatura. AMP
!CFLUX Nodo o gruppo di nodi Applica un flusso termico nodale concentrato. AMP
!DFLUX Elemento o gruppo di elementi Applica un flusso termico distribuito al volume o alla faccia di un elemento. AMP
!SFLUX Gruppo di superfici Applica un flusso termico a un gruppo di superfici. AMP
!FILM Elemento o gruppo di elementi Applica una condizione al contorno convettiva a una faccia dell’elemento. AMP1, AMP2
!SFILM Gruppo di superfici Applica una condizione al contorno convettiva a un gruppo di superfici. AMP1, AMP2
!RADIATE Elemento o gruppo di elementi Applica una condizione al contorno radiativa a una faccia dell’elemento. AMP1, AMP2
!SRADIATE Gruppo di superfici Applica una condizione al contorno radiativa a un gruppo di superfici. AMP1, AMP2

Per !DFLUX, BF rappresenta la generazione volumetrica di calore, mentre da S0 a S6 rappresentano il flusso termico sulle facce dell'elemento. Per !FILM, le facce dell'elemento sono specificate da F0 a F6; per !RADIATE, da R0 a R6. Poiché la corrispondenza tra i numeri delle facce e le facce effettive dell'elemento dipende dal tipo di elemento, vedere il riferimento di ciascuna keyword per i dettagli.

Una condizione al contorno convettiva specifica un coefficiente di convezione e una temperatura esterna. Una condizione al contorno radiativa specifica un coefficiente equivalente di emissività e una temperatura ambiente. AMP1 corrisponde al lato del coefficiente e AMP2 al lato della temperatura esterna o ambiente, consentendo una variazione temporale indipendente di ciascuno.

Funzioni di ampiezza

Una funzione di ampiezza definisce la variazione temporale di una condizione al contorno o di un carico mediante una tabella di tempi e valori. Nell'input, una tabella temporale denominata viene definita con !AMPLITUDE e richiamata dal parametro AMP, AMP1 o AMP2 della keyword interessata.

Le principali keyword applicabili sono le seguenti.

!AMPLITUDE viene letta in forma tabellare (DEFINITION=TABULAR) e il tipo di tempo viene trattato come tempo dello step (TIME=STEP). I valori possono essere definiti come relativi o assoluti, ma per le singole keyword vengono normalmente utilizzati come fattori moltiplicativi di un valore base.

!TEMPERATURE non è soggetto alle funzioni di ampiezza. Inoltre, poiché !SPRING non viene assemblato con una variazione temporale indipendente della costante elastica, l'attivazione o disattivazione dei supporti elastici viene eseguita mediante il controllo degli step.

Vedere anche