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Analisi agli elementi finiti non lineare statica - GAP CONTACT Tutorial Autore: Dott. Ing. R. Pecora, Ph.D.

Esercitazione per il Corso di Stabilità delle Strutture – Prof. Ing. L. Lecce Pag. 1/17

DEFINIZIONE DEL PROBLEMA Sia assegnata una trave a sezione tubolare quadrata avente un estremo incastrato e un estremo libero.

Sull’estremo libero agisce una forza F diretta ortogonalmente alla trave. Un cuneo è posizionato a distanza “a” dall’estremo

incastrato (lungo la direzione longitudinale della trave) e a distanza “c” dall’asse della trave (lungo la direzione ortogonale alla

trave e nel verso di azione del carico).

Valutare la configurazione deformata della trave e una distribuzione di stress significativa a valle dell’azione del carico.

Facendo riferimento alle figure sottostanti, utilizzare i seguenti parametri di calcolo:

a=7 in ; b=3 in ; c=0.5 in ; H=0.5 in ; W=0.5 in ; t=0.1 in ; F= 2000 pound . Utilizzare l’acciaio AISI 4340 come riferimento per le

caratteristiche del materiale.

Schema di vincolo e di carico della trave Sezione della trave

• Calcolata la configurazione deformata della trave attraverso un’analisi statica lineare, è immediato prendere atto del

fatto che (per effetto di grandi spostamenti) la trave attraversa il cuneo durante la fase di deformazione;

• Il cuneo costituisce un ostacolo al processo di deformazione della trave � di esso si deve tener conto mediante una

opportuna modellazione;

• La modellazione del cuneo per mezzo di un elemento lineare di tipo GAP introduce una non-linearità geometrica nel

modello di calcolo

• La risoluzione del problema dovrà avvenire mediante un’analisi agli elementi finiti non lineare statica

Nel seguito viene riportato un tutorial per la risoluzione del problema in ambiente FEMAP+MSC.NASTRAN



ABBREVIAZIONI E SIMBOLI UTILIZZATI CD � COMMAND DISPLAY

DB � DIALOG BOX

LE PAROLE COLORATE IN GRIGIO SONO INDICATIVE DI PUSH BUTTONS RELATIVI ALL’AMBIENTE FEMAP

REFERENCES: FEMAP8.3 USER MANUAL & HELP SUPPORT – COPYRIGHT © 2003 ELECTRONIC DATA SYSTEMS CORP.

STEP 0. PREPARAZIONE DELL’AMBIENTE DI LAVORO

• CREARE UNA PROPRIA CARTELLA DI LAVORO

• LANCIARE IL FEMAP



STEP 1. DEFINIZIONE DELLA GEOMETRIA

OBIETTIVO

� Creare la linea che rappresenta la beam

PROCEDURA

1 CD: Geometry � Curve-Line � Coordinates

2 Nel DB Locate-Enter First Location of the Line digitare:

X=0, Y=0, Z=0. Cliccare su OK.

Nel DB Locate-Enter Second Location of the Line digitare:

X=10, Y=0, Z=0. Cliccare su OK, dunque Cancel.

3 Premere Ctrl+A per ottimizzare la scala di visualizzazione del modello



STEP 2. DEFINIZIONE DEL MATERIALE E DELLA PROPRIETÀ

OBIETTIVO

� Creare il materiale

PROCEDURA

1 CD: Model � Material

2 Nel DB Define Isotropic Material cliccare su Load

3 Nel DB Select From Library selezionare il materiale AISI 4340 Steel

4 Cliccare OK due volte e dunque Cancel



OBIETTIVO

� Creare la proprietà Square Tube

PROCEDURA

1 CD: Model � Property

2 Nel DB Define Property- PLATE Element Type cliccare su Elem/Property

3 Nel DB Element/Property Type selezionare il radio-button Beam

nella sezione Line Elements del DB e cliccare su OK

4 Nel DB Define Property- PLATE Element Type digitare Square Tube nel campo Title

5 Selezionare il materiale AISI 4340 Steel dal menù di scorrimento Material

6 Cliccare su Shape

7 Nel DB Cross Section Definition selezionare Rectangular Tube nel menù di scorrimento Shape e inserire

i seguenti valori: Height � 0.5 ; Width � 0.5 ; Thickness � 0.1

8 Cliccare Draw Section per visualizzare la sezione creata

9 Cliccare OK 2 volte dunque Cancel



STEP 3. DEFINIZIONE E GENERAZIONE DELLA MESH

OBIETTIVO

� Definire le dimensioni della mesh sulla linea generata allo STEP 1

PROCEDURA

1 CD: Mesh � Mesh Control � Size Along Curve

2 Selezionare (cliccandoci sopra con il mouse) l’unica curva presente nel modello (Curve 1)

e cliccare OK

3 Nel DB Mesh Size Along Curve digitare 10 nel campo Number of elements

4 Cliccare OK e dunque Cancel



OBIETTIVO

� Generare la Mesh

PROCEDURA

1 CD: Mesh � Geometry � Curve

2 Selezionare (cliccandoci sopra con il mouse) l’unica curva presente nel modello (Curve 1)

e cliccare OK

3 Nel DB Geometry Mesh Options selezionare Square Tube dal menù di scorrimento Property

4 Cliccare OK

5 Nel DB Vector Locate-Define Element Orientation Vector impostare i seguenti valori:

Base � X=0, Y=0, Z=0 ; Tip � X=0, Y=1, Z=0

6 Cliccare OK

7 CD: View � Options

8 Nel DB View Options cliccare Geometry Off e dunque Done



STEP 4. DEFINIZIONE DELLA PROPRIETÀ E DELL’ELEMENTO GAP

OBIETTIVO

� Creare il nodo d’estremità del GAP esterno alla trave nonché la proprietà GAP

PROCEDURA

1 CD: Model � Node

2 Nel DB Locate – Enter Coordinates or Select with Curser impostare i seguenti parametri:

X=7, Y=-0.5, Z=0 .

3 Cliccare OK dunque Cancel.

4 CD: Model � Property

5 Nel DB Define Property- BEAM Element Type cliccare su Elem/Property

6 Nel DB Element/Property Type selezionare il radio-button Gap

nella sezione Line Elements del DB e cliccare su OK

7 Nel DB Define Property – GAP Element Type digitare GAP nel campo Title e impostare i seguenti parametri:

Initial Gap � 0.5 ; Compression Stiffness � 1000000 ; Tension Stiffness � 0.0001




OBIETTIVO

� Creare l’elemento GAP

PROCEDURA

1 CD: Model � Element

2 Nel DB Define GAP Element – Enter Nodes or Select with Cursor digitare 8 e 12 nei campi relativi

alla voce Nodes

3 Cliccare Vector e nel DB Vector Locate – Dfeine Element Orientation Vector impostare:

Base � X=0, Y=0, Z=0 ; Tip: X=0, Y=0, Z=1

4 Cliccare OK

5 Nel DB Define GAP Element – Enter Nodes or Select with Cursor selezionare la proprietà GAP

dal menù a scorrimento Property




STEP 5. DEFINIZIONE DEI VINCOLI E DEL CARICO

OBIETTIVO

� Creazione di un vincolo d’incastro all’estremo sinistro della trave

PROCEDURA

1 CD: Model � Constraint � Set

2 Nel DB Create or Activate Constraint Set digitare Fixed nel campo Title

3 Cliccare OK

4 CD: Model � Constraint � Nodeal

5 Nel DB Entity Selection – Enter Node(s) to Select selezionare (cliccandoci sopra con il mouse)

Il nodo all’estremità sinistra della trave e l’estremità del Gap non giacente sulla trave (nodi 1 e 12)

6 Cliccare OK

7 Nel DB Create Nodal Constraints/DOF cliccare Fixed




OBIETTIVO

� Creazione di un carico all’estremità libera della trave

PROCEDURA

1 CD: Model � Load � Set

2 Nel DB Create or Activate Load Set digitare Force nel campo Title

3 Cliccare OK

4 CD: Model � Load � Nodeal

5 Nel DB Entity Selection – Enter Node(s) to Select selezionare (cliccandoci sopra con il mouse)

Il nodo all’estremità libera della trave (nodo 11)

6 Cliccare OK

7 Nel DB Create Loads on Nodes impostare FY � -2000




STEP 6. DEFINIZIONE DELLE OPZIONI DI CARICO PER L’ANALISI NON LINEARE

OBIETTIVO

� Creare i settings per l’analisi non lineare

PROCEDURA

1 CD: Model � Load � Nonlinear Analysis

2 Nel DB Load Set Options for Nonlinear Analysis selezionare il radio-button Static

3 Cliccare Default

4 Nel campo Number of increments digitare 10

5 Nel campo Intermediate selezionare 3..ALL dal menu di scorrimento

6 Cliccare OK dunque DONE



STEP 7. PREPARAZIONE DELL’ANALYSIS SET

OBIETTIVO

� Definire le impostazioni per l’esecuzione dell’analisi mediante il solutore MSC/NASTRAN

PROCEDURA

1 CD: Model � Analysis

2 Nel DB Analysis Set Manager cliccare New

3 Nel DB Analysis Set effettuare le seguenti scelte:

dal menù di scorrimento Analysis Program selezionare MSC/NASTRAN

dal menù di scorrimento Analysis Type selezionare Nonlinear Static

4 Nel campo Title digitare Gap contact

5 Cliccare OK



STEP 8. SALVATAGGIO DEL MODELLO E GENERAZIONE DEL . NAS ASSOCIATO OBIETTIVO

� Salvare il modello creato (generare il file .MOD)

PROCEDURA 1 CD: File � Save AS

2 Digitare Gap_Contact nel campo pertinente al nome del file

3 Assicurarsi che l’estensione del file in procinto di essere salvato sia .MOD

4 Assicurarsi che il file verrà salvato nella propria Directory di lavoro

5 Cliccare Save

OBIETTIVO

� Generare il file .NAS da sottoporre al solutore

PROCEDURA 6 CD: File � Export �Analysis Model

7 Nel DB Export Method assicurarsi che nel campo Activate Analysis Set sia indicato

il nominativo del set di analisi definito allo STEP 7/punto 4 (Gap Contact)

8 Cliccare OK

9 Nel DB Write Model to NASTRAN digitare nel campo Nome File Gap_Contact.nas

10 Assicurarsi che il file verrà inserito nella propria Directory di lavoro

11 Cliccare Write



STEP 9. ESECUZIONE DELL’ANALISI AL NASTRAN OBIETTIVO

� Lanciare l’analisi al NASTRAN

PROCEDURA

1 Lanciare il solutore MSC NASTRAN

2 Nel DB Select MSC.NASTRAN input file selezionare l’opzione All files nel campo File Type e dunque

selezionare il file Gap_Contact.nas (generato allo STEP 8/punto 9) nel campo File Name

3 Cliccare Apri e dunque RUN

4 Attendere la chiusura del prompt di NASTRAN ( termine delle elaborazioni) …



STEP 10. POST PROCESSING

OBIETTIVO

� Visualizzare la deformata della trave e gli stress (questi ultimi attraverso un beam diagram + contour)

PROCEDURA

1 Qualora il FEMAP sia stato chiuso prima di lanciare l’analisi al NASTRAN:

aprire il file Gap_Contact.MOD mediante FEMAP (file generato allo STEP 8/punto2)

2 CD: File � Import � Analysis Results

3 Selezionare il solutore utilizzato nell’analisi (NASTRAN) e dunque il file Gap_contact.f06

che il NASTRAN ha generato nella propria Directory di lavoro a valle delle analisi.

Cliccare OPEN

4 Rispondere in modo affermativo (Yes/Continue/Yes) ai messaggi visualizzati in successione dal FEMAP

5 CD: View � Select

6 Nel DB che appare selezionare i seguenti radio-button:

Deform nella sezione Deformed Style

Beam Diagram nella sezione Contour Style

7 Cliccare Deformed and Contour Data



8 Nel DB Select Post Processing Data impostare:

nel menù di scorrimento Output Set � 10..Case 10 Time 1

nel menù di scorrimento Deformation � 1..Total Translation

nel menù di scorrimento Contour � 3139..Beam EndAPt1 Comb Stress

9 Cliccare OK 2 volte

10 Cliccare sull’icona Post Process ( � ) posta in basso alla Toolbar alla destra della schermata di FEMAP

11 Cliccare sull’icona Post Options ( � ) della Toolbar di FEMAP e selezionare Actual Deformation

12 CD: View � Options

13 Selezionare il radio button Post Processing

14 Selezionare Beam Diagram nella lista delle opzioni

15 Selezionare No labels nel menù a scorrimento Label Mode

16 Selezionare Y GLOBAL nel menù a scorrimento Default Direction

17 Cliccare OK