Analisi FEM e Analisi Modale

Analisi agli Elementi Finiti: uno Strumento di Calcolo Indispensabile

L’analisi agli elementi finiti (FEM) è uno strumento di calcolo numerico indispensabile per la progettazione di strutture, componenti meccanici e macchinari industriali. Consente di prevedere il comportamento di un sistema sotto diverse condizioni di carico (statico, dinamico, termico) prima della realizzazione fisica, riducendo costi di prototipazione e tempi di sviluppo. Quando la geometria è complessa, i carichi variabili, o la normativa richiede verifiche specifiche, la FEM diventa indispensabile per ottenere risultati affidabili.

Soncini Ingegneria offre servizi di analisi FEM a Piacenza e in tutta Italia, affiancando simulazioni numeriche e verifiche sperimentali per garantire la validità dei risultati. Utilizziamo software commerciali riconosciuti per il calcolo agli elementi finiti, coerentemente con le pratiche di settore.

Servizi di Analisi FEM

Analisi Strutturale Statica

Verifica di strutture portanti, telai, recipienti in pressione, serbatoi, carpenterie metalliche e componenti meccanici sottoposti a carichi statici. Calcolo di tensioni, deformazioni, spostamenti e coefficienti di sicurezza secondo Eurocodici (UNI EN 1993 per acciaio, UNI EN 1995 per legno) e NTC 2018. Ottimizzazione del peso e delle geometrie per ridurre materia prima mantenendo la sicurezza richiesta dal progetto.

Analisi Dinamica

Studio del comportamento di strutture e componenti sottoposti a carichi variabili nel tempo: analisi in frequenza, risposta armonica, analisi transitoria e analisi di fatica. Particolarmente utile per macchinari con parti rotanti, strutture sottoposte a vibrazioni, edifici soggetti a carichi sismici o da vento. Permette di identificare criticità dinamiche prima della messa in servizio e di prevenire fenomeni di risonanza.

Analisi Modale Numerica e Sperimentale

Identificazione delle frequenze naturali e dei modi di vibrare della struttura, sia in forma numerica (con il modello FEM) sia in forma sperimentale. L’analisi modale sperimentale viene svolta direttamente sul componente reale, con accelerometri piezoelettrici e sistemi di acquisizione dati multicanale. Tecnica fondamentale quando il modello numerico non è sufficientemente accurato o quando si vuole validare lo stato di una struttura esistente, anche nell’ambito di indagini diagnostiche su macchinari o infrastrutture.

Correlazione FEM-Test e Model Updating

Validazione dei modelli numerici mediante confronto con dati sperimentali acquisiti in prova. Attraverso tecniche di model updating calibriamo i parametri del modello (rigidezze, masse, smorzamenti) per ottenere una corrispondenza accurata tra simulazione e realtà. È il passaggio chiave per trasformare un’analisi FEM da esercizio teorico a strumento predittivo affidabile: i modelli calibrati possono poi essere usati per prevedere scenari operativi diversi senza nuove prove sperimentali.

Analisi Termica e Termo-Strutturale

Simulazione di problemi di conduzione, convezione e irraggiamento termico. Analisi di componenti soggetti a dilatazioni termiche, shock termici, carichi combinati termo-meccanici. Tipico in applicazioni come dissipatori di calore, scambiatori, forni industriali, componenti di macchine che operano in ambienti a temperatura variabile.

Analisi Non Lineari

Gestione di problemi con non linearità geometriche (grandi deformazioni, instabilità), di materiale (plasticità, iperelasticità) o di contatto. Applicazioni tipiche: analisi di collasso strutturale, accoppiamenti meccanici, componenti in gomma, verifica di instabilità a carico di punta.

Quando Serve un’Analisi FEM

• Progettazione di macchinari industriali: verifica strutturale del telaio, dimensionamento di supporti, calcolo delle sollecitazioni sugli alberi di trasmissione e sui cuscinetti
• Carpenterie metalliche e strutture portanti: verifica secondo Eurocodici per capannoni, passerelle, piattaforme, serbatoi, silos
• Sistemi di sollevamento: calcolo strutturale di gru, paranchi, bilancini e strutture di appensione secondo UNI EN 13155
• Componenti soggetti a vibrazioni: analisi modale per evitare risonanze critiche in regime di esercizio
• Strutture temporanee: stand fieristici, strutture per eventi, palchi e tribune per verifica sotto vento e carichi d’uso
• Valutazione di strutture esistenti: diagnostica strutturale dopo anni di esercizio, interventi di revamping o modifiche progettuali
• Indagini a seguito di guasti: ricostruzione delle condizioni di collasso, analisi forensi per contenziosi tecnici
• Marcatura CE di macchine: verifica strutturale come parte del fascicolo tecnico ai sensi della Direttiva Macchine

Analisi Modali Numeriche e Sperimentali: Identificazione delle Frequenze Naturali

Le analisi modali sono lo strumento di indagine dinamica fondamentale per qualunque struttura o componente meccanico soggetto a vibrazioni: identificano le frequenze proprie (autovalori), i modi di vibrare (autovettori) e i fattori di smorzamento del sistema. Soncini Ingegneria affronta le analisi modali con un duplice approccio, numerico e sperimentale, validato attraverso la correlazione tra i due.

Analisi modali numeriche con metodo FEM

L’analisi modale numerica si esegue tramite metodo agli elementi finiti (FEM): a partire dal modello CAD 3D si discretizza la geometria in mesh, si impongono i vincoli e si risolve il problema agli autovalori per estrarre le prime N frequenze naturali e i corrispondenti modi di vibrare. Risultati tipici: prime 10-20 frequenze, forme modali animate, massa modale efficace per ciascun modo, mappa di partecipazione modale. Software impiegati: Ansys, SimScale, codici open source FEM.

Analisi modali sperimentali

L’analisi modale sperimentale identifica le frequenze proprie reali della struttura a partire da misure dirette in opera. Tecniche utilizzate: prove con martello strumentato (impact hammer test) e accelerometri mono o triassiali, analisi delle funzioni di risposta in frequenza (FRF), analisi modale operazionale (OMA) quando la struttura e’ in esercizio. La strumentazione misura input (forza) e output (accelerazione), restituendo lo spettro FRF da cui si estraggono frequenze, smorzamenti e forme modali sperimentali.

Correlazione numerico-sperimentale e model updating

La correlazione numerico-sperimentale confronta i risultati del modello FEM con quelli delle prove sperimentali: si valutano gli indicatori MAC (Modal Assurance Criterion) per la correlazione delle forme modali e l’errore percentuale sulle frequenze. Se la correlazione e’ insufficiente, si esegue il model updating: si aggiornano parametri del modello FEM (modulo elastico, densita’, condizioni al contorno, rigidezza dei vincoli) fino a riprodurre il comportamento reale. Il modello aggiornato e’ poi affidabile per analisi successive (vibrazioni forzate, fatica, transitorio).

Quando servono le analisi modali

Le analisi modali sperimentali e numeriche sono necessarie quando: una struttura mostra vibrazioni o rumori anomali; si vuole verificare l’assenza di risonanza con frequenze di eccitazione note (motori, macchinari, traffico, vento); si progetta un sistema di isolamento dalle vibrazioni o uno smorzatore dinamico; si valida un modello FEM prima di analisi piu’ complesse; si esegue una diagnostica strutturale di edifici, ponti, macchinari o impianti. Caso reale: analisi modale e FEM di risonanza strutturale sui treni (caso studio applicato).

Il Nostro Processo di Lavoro

1. Briefing e analisi dei requisiti – comprensione del componente, dei carichi di progetto, delle normative applicabili e dei criteri di accettazione
2. Modellazione CAD e discretizzazione – realizzazione del modello geometrico, scelta degli elementi, definizione della mesh e sensitivity analysis sulla dimensione degli elementi
3. Applicazione di carichi e vincoli – definizione delle condizioni al contorno coerenti con l’esercizio reale
4. Risoluzione e post-processing – lancio delle simulazioni, estrazione di tensioni, deformazioni, frequenze proprie, modi di vibrare
5. Eventuale validazione sperimentale – prove in laboratorio o in campo con strumentazione dedicata
6. Relazione tecnica – documento completo con metodologia, risultati, verifiche normative e raccomandazioni progettuali

Normative di Riferimento

• UNI EN 1993 (Eurocodice 3) – Progettazione di strutture in acciaio
• UNI EN 1995 (Eurocodice 5) – Progettazione di strutture in legno
• UNI EN 1998 (Eurocodice 8) – Progettazione in zona sismica
• NTC 2018 / Circolare 7/2019 – Norme tecniche italiane per le costruzioni
• Direttiva Macchine 2006/42/CE e Regolamento UE 2023/1230 per il dimensionamento di componenti di macchine
• UNI EN 13155 – Accessori di sollevamento non fissi
• ISO 12100 – Principi generali di progettazione per la sicurezza delle macchine

Settori di Applicazione

• Industria meccanica: macchine automatiche, linee di produzione, componenti di automazione
• Carpenterie metalliche: capannoni, tralicci, piattaforme, coperture, scale industriali
• Sollevamento: bilancini, pinze, traverse, imbracature, strutture di supporto gru
• Settore ferroviario: analisi del comportamento dinamico di strutture e componenti per il comfort di marcia
• Allestimenti fieristici: stand temporanei con vincoli di peso e tempi di montaggio ridotti
• Packaging industriale: ottimizzazione di linee di confezionamento, parti in movimento rapido

Domande Frequenti

In quanto tempo si ottiene una relazione di analisi FEM?

I tempi dipendono dalla complessità del modello. Per un componente meccanico singolo o una carpenteria semplice sono sufficienti pochi giorni lavorativi; per assiemi complessi o analisi dinamiche con correlazione sperimentale occorrono tempi più estesi, tipicamente da 2 a 4 settimane.

Serve sempre una prova sperimentale dopo un’analisi FEM?

No. La prova sperimentale è consigliata quando il modello numerico presenta elevata complessità, quando le condizioni di carico sono particolarmente incerte, o quando il committente richiede validazione diretta. In molti casi una FEM ben impostata e verificata rispetto a normative tecniche è sufficiente.

Quali software utilizzate?

Utilizziamo software commerciali riconosciuti per il calcolo agli elementi finiti, coerentemente con le pratiche di settore. La scelta del software dipende dal tipo di analisi richiesta (statica, dinamica, termica, non lineare) e dal formato richiesto dal committente.

L’analisi FEM è accettata dagli enti di controllo?

Sì, l’analisi agli elementi finiti è uno strumento consolidato e riconosciuto per le verifiche strutturali, purché impostata correttamente e documentata in relazione tecnica conforme alle normative applicabili. La relazione viene firmata da ingegnere iscritto all’albo per garantire la validità formale.

Fornite anche misure di vibrazione in campo?

Sì. Su componenti e macchinari reali effettuiamo misure sperimentali di vibrazione con accelerometri e sistemi di acquisizione dati multicanale, sia per identificazione modale sia per diagnostica vibrazionale e analisi in frequenza.

Operate solo a Piacenza?

No. La sede è a Piacenza ma operiamo in tutta Italia. Eseguiamo sopralluoghi e misure sperimentali presso la struttura del committente ovunque si trovi.