L’analisi ad elementi finiti (FEA – Finite Element Analysis) è uno strumento che permette di effettuare simulazioni statiche o dinamiche di un componente meccanico. Lo si può paragonare ad un banco prova virtuale in cui applicare sollecitazioni ad un componente di cui vogliamo verificare l’integrità strutturale. L’esecuzione di analisi FEA su componenti della bicicletta è ormai diventata una pratica comune che ha lo scopo di verificare e ottimizzare il componente oggetto di studio. L’analisi FEA del telaio della bici può permettere di massimizzare la rigidezza laterale nel trasferimento di carico dalle mani e piedi del ciclista, massimizzare la resistenza meccanica del telaio affinché sopporti carichi più elevati e distribuisca meglio tali carichi, migliorare la capacità del telaio di assorbire urti.
Per eseguire un’analisi FEA è necessario partire dal modello 3D progettato e sviluppato attraverso appositi software di modellazione. In questo articolo presenterò una semplice analisi FEA di un telaio per bdc soggetto a differenti condizioni di carico. Sei condizioni di carico sono state standardizzate da recenti studi validati da misure sperimentali (Maestrelli-Falsini, 2008). Essi sono i seguenti:
Le frecce in figura rappresentano le forze espresse in Newton applicate ai vari punti della bici. In questo articolo prenderò in considerazione i seguenti casi di carico:
- irregolarità stradale
- ciclista in piedi sui pedali in fase di spinta sul pedale destro.
L’analisi FEA inizia importando il modello 3D del telaio nel software di simulazione. Oltre al telaio ho incluso nel modello anche la forcella e il manubrio.
Lo step successivo è quello di creare una mesh del modello, cioè suddividere la geometria in elementi base che verranno inseriti nel modello di calcolo. La mesh è un’approssimazione del modello reale, generalmente più è fine più la sua rappresentazione è veritiera. Mesh troppo fini appesantiscono però il modello di calcolo e richiedono tempi di risoluzione molto lunghi. Si cerca quindi di ottenere un giusto compromesso infittendo la mesh nei punti critici della struttura in esame. E’ indispensabile, quindi, un’approfondita conoscenza della struttura in esame per infittire la mesh dove necessario.
A questo punto è necessario definire i vincoli e i carichi da applicare al telaio. Per entrambi i casi di carico A e B i vincoli sono identici e in particolare:
- la forcella anteriore ha bloccato gli spostamenti in direzione verticale e trasversale al telaio, sono concessi solo spostamenti nella direzione del moto e le rotazioni attorno ai tre assi principali.
La forcella posteriore ha bloccato gli spostamenti nelle tre direzioni e la rotazione nella direzione del moto.
La figura sottostante presenta il carico verticale applicato al canotto reggisella che simula l’irregolarità stradale.
Nel caso di ciclista in piedi sui pedali che spinge sul pedale destro la condizione di carico è la seguente:
L’applicazione di vincoli e carichi richiede un’attenta riflessione sul fenomeno fisico che si vuole simulare, altrimenti si corre il grosso rischio di ottenere risultati non realistici.
Il modello del materiale è acciaio lineare elastico. Le deformazioni (espresse in mm) del telaio sono riportate nelle immagini seguenti:
Nel caso A, irregolarità stradale, si ottengono deformazioni massime di circa 1/10mm nella parte superiore della forcella anteriore.
Nel caso B si ottiene una deformazione laterale massima di 0.75mm in corrispondenza delle estremità del manubrio. E’ però più significativo prendere come punto di interesse il movimento centrale per analizzare la rigidezza del telaio. In questo punto si hanno deformazioni laterali pari a 0.02mm. L’analisi dei risultati ottenuti è fondamentale per capire se il set di carichi e vincoli applicati ha permesso di simulare correttamente il fenomeno fisico.
Partendo da questi risultati è possibile modificare la geometria del telaio per minimizzare le deformazioni del design iniziale irrigidendo se necessario la struttura.