MondoCAE - Analisi FEM e ROI. Studio di un telaio di bicicletta per comprendere quanto convenga fare simulazione.

Sapevi quanto è il ROI di 1 ora di analisi FEM?

Per rispondere a questa domanda prendiamo un caso semplice, ossia progettare un telaio di bicicletta leggero, rigido e resistente.

La scelta del materiale o della sezione influisce direttamente sulle prestazioni e sulla sicurezza, e costruire prototipi fisici è costoso e richiede tempo.

In questo case study mostro come l’analisi FEM possa trasformarsi in uno strumento concreto di supporto alla progettazione. Partendo da un modello semplificato a elementi beam, valuteremo il comportamento del telaio sotto il peso del ciclista durante un impatto simulato a 4G, dimostrando come un investimento minimo nella simulazione possa generare un ROI sorprendente.

Figura 1: Telaio Semplificato con elementi beam.

Per questo studio ci concentriamo solo sul telaio, escludendo ruote, sella o manubrio.

• Geometria: tubi principali (verticale, obliquo, orizzontale e forcelle posteriori).

• Elementi FEM: beam per valutazioni preliminari rapide.

• Sezioni: circolari o ovali, con dimensioni realistiche.

In figura 1 è riportata la matematica semplificata.

Per questo esempio abbiamo considerato tre materiali comuni:

• Alluminio 6061

• Acciaio CrMo

• Carbonio composito

Per semplicità e velocità di analisi il carbonio sarà considerato solo come caratteristica rispetto alla direzione caratteristica E1, che coincide con l'asse delle travi. Essendo un analisi a rigidezza non ci interessa, in questo livello, la resistenza struttura (che comunque si può ipotizzare essere garantita ma che sarà oggetto di un altro studio).

Carichi e vincoli

• Carico principale: peso del ciclista (80 kg) per 4g applicato sulla zona della sella.

• Vincoli: estremità della forcella anteriore e forcellini posteriori vincolati a contatto con il terreno. La modalità di vincolo è isostatica, lasciando libere le rotazioni intorno alle cerniere.

Lo scopo è di ottenere un spostamento a impatto inferiore a 0.5mm, vedendo al tempo stesso il peso minore della struttura. Successivamente si vuole valutare quale è più conveniente costruire, considerando che analisi di mercato hanno detto che il costo ideale di vendita è di 100€.

Si calcola quindi, in prima battura, il comportamento della struttura con i diversi materiali.

Si riportano i risultati in tabella. In figura 2 è riportato il valore di deformata della struttura in carbonio.

Materiale	Spostamento Max	Peso	Costo Al Kg per processo	Costo Materiale kg
Alluminio	0.27	2.0 kg	11€	0.6€
Carbonio	0.23	1.14 kg	35€	30€
Acciaio	0.08117	5.56kg	11€	2€

Figura 2: Deformata del telaio in fibra di carbonio a 4G

Si può notare come tutti e tre i materiali portino ad avere una deformata massima sotto i 0.5mm. Punto di interesse ora è la valutazione del peso e del costo di produzione del singolo telaio. Per semplicità si ipotizza il costo per kg basandosi sui dati medi delle lavorazioni reperibili online.

Si ottengono i seguenti dati per il costo del telaio finito (comprensivo di lavorazione e materiale):

Alluminio: 23€

Carbonio: 70€

Acciaio: 72€

Da questi dati, si vede come a livello di costo di produzione la convenienza è quella di costruire un telaio di alluminio perché permette un ricado di 77€ a fronte di 23€ di spesa per la produzione.

Vediamo adesso, cambiando la sezione dei tubulari e considerando solamente il telaio di alluminio, come si possa scendere ulteriormente con questi dati. Ridurremo tutti gli spessori dei tubulari di 1 mm, lasciando invariato ingombro esterno e i tubulari pieni.

Si ottengono i seguenti risultati:

Configurazione	Spostamento	Massa Totale
Base	0.27mm	2.0 kg
Spessori Ridotti	0.40mm	1.5 kg

Si vede come, a parità di materiale, riducendo di 1 mm gli spessori interni, la struttura aumenta la deformata del 48% circa, ma comunque rimane al di sotto del valore di riferimento di 0.5mm.

La massa invece diminuisce del 25%, il che si traduce anche in una diminuzione del 25% del costo finale del telaio, passando da 23€ a 17€ circa, che si traduce in un ricavo di 83€ (ossia 8% in più di ricavi).

Guardando il lato stress, in prima approssimazione si vede che il tubulare non presenta criticità. Tali considerazioni sono solo di prima approssimazione, in quanto, per una valutazione corretta degli sforzi, sarebbe da studiare le modalità con cui i tubulari sono giuntati tra di loro e valutare la resistenza delle saldature e la vita a fatica della struttura.

Figura 3: Spostamento telaio ottimizzato di 1 mm

Figura 4: Stress nominali telaio ottimizzato di 1 mm

Da quanto mostrato finora, emerge chiaramente come la simulazione FEM consenta di ottenere ROI molto elevati con un solo ora di lavoro. Consideriamo i dati finora presentati e confrontiamoli con un’ora di simulazione FEM, stimata intorno a 60 €, prezzo medio per un lavoro semplice come questo, facilmente gestibile in un’ora abbondante.

• Costo produzione 3 telai uguali ma in materiali differenti: 165 €

• Costo produzione 1 telaio ottimizzato con spessori ridotti in un unico materiale: 23 €

• Totale costi di produzione: 187 €, arrotondando circa 200 €, senza considerare eventuali quantità minime di acquisto.

• Costo simulazione FEM: 60 €

In questo scenario semplificato, si ottiene un ROI di circa 4. In pratica, la vendita di un singolo telaio è sufficiente a coprire i costi dell’analisi. E ricordiamo che qui si sono considerati solo 3 materiali e non sono state testate ulteriori configurazioni di sezioni e materiali, cosa che nella realtà sarebbe possibile. Anche se questo avesse portato il tempo di calcolo da 1 a 2 ore, il ROI sarebbe comunque risultato significativo.

Se guardiamo al tempo, il ritorno di investimento diventa addirittura più evidente: un’ora di simulazione permette di esplorare praticamente infinite configurazioni. Al contrario, costruire e testare fisicamente richiede settimane tra consegna dei materiali, assemblaggio dei prototipi e allestimento dei test. È immediato comprendere che, per la ricerca e sviluppo, il gioco non vale la candela senza simulazione: con il FEM, invece, ci si muove con massima agilità, riducendo tempi e costi e aumentando le possibilità di trovare soluzioni ottimali.

Questo case study dimostra come, con un investimento minimo di tempo e denaro, la simulazione FEM possa trasformarsi in uno strumento strategico di progettazione. In soli 60 minuti di calcolo, è stato possibile confrontare materiali, ottimizzare sezioni e stimare deformazioni e masse, ottenendo indicazioni che altrimenti avrebbero richiesto settimane di prototipazione e centinaia di euro di materiali.

Il ROI è immediato: il costo di un’ora di simulazione viene coperto dalla produzione e vendita di un singolo telaio, e il tempo risparmiato nella ricerca e sviluppo è inestimabile.

In altre parole, il FEM non è solo un calcolo: è un acceleratore di decisioni, un riduttore di rischi e un moltiplicatore di efficienza, capace di trasformare poche ore di lavoro in vantaggi concreti, tangibili e immediatamente sfruttabili nella progettazione di prodotti complessi come un telaio da bicicletta.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

FGCAEANALYST è al servizio delle aziende.

Hai un progetto che richiede un supporto alla progettazione?

Non aspettare: ogni giorno di ritardo costa tempo e risorse alla tua azienda.

Richiedi ora un preventivo gratuito e ricevi la tua analisi entro 7-14 giorni lavorativi.

Contattaci per una consulenza gratuita cliccando al seguente link.  

#FEM #ROI #midasnfx