In molti progetti e opere ingegneristiche ad alto contenuto tecnologico, la complessità strutturale di ogni singolo prodotto ha ormai raggiunto livelli estremamente elevati. Oggigiorno i ritmi di progettazione sono, rispetto al passato, enormemente accelerati, pur nel rispetto di numerosi vincoli quali standard di alta qualità, ecosostenibilità (quindi il rispetto verso l’ambiente), sicurezza, time-to-market (cioè, il tempo impiegato a commercializzare un prodotto partendo dalla sua ideazione). Per questa ragione nel settore è sempre più forte l’esigenza di dover utilizzare potenti software di simulazione, per sviluppare prototipi virtuali dei futuri prodotti. Tali prototipi, una volta validati, possono sostituire le prove reali sul campo e i prototipi fisici, che diventano particolarmente difficili da realizzare, soprattutto quando occorre considerare domini fisici differenti e tenere conto dell’interazione di molte variabili in gioco.
Interazione fluido struttura: studiarla per ottimizzare il design
Una delle aree emergenti nel campo della simulazione numerica è la cosiddetta analisi FSI (fluid structure interaction), o analisi dell’interazione fluido struttura. L’interazione fluido struttura è un fenomeno multifisico che avviene in un sistema dove il flusso di un fluido provoca la deformazione di una struttura solida o viceversa. L’analisi FSI, supportata in ogni singolo passaggio, studia appunto tali interazioni, sfruttando le leggi della fluidodinamica e della meccanica strutturale.
L’entità delle interazioni e quindi delle deformazioni, dipende dalla pressione e dalla velocità del fluido, nonché dalle proprietà del materiale di cui è fatta la struttura. In fase di progettazione, a seconda dei casi, gli ingegneri possono avere la necessità di sfruttare, o evitare, gli effetti delle interazioni fluido struttura. Per esempio, in bioingegneria e biomeccanica, può essere necessario trovare soluzioni agli effetti che le interazioni fluido-struttura hanno sulle prestazioni di determinate protesi valvolari cardiache, protesi vascolari o stent.
Un altro caso tipico può essere la progettazione di piattaforme petrolifere offshore che spesso vengono costruite in ambienti severi e devono poter resistere nel tempo all’azione delle onde marine, delle correnti oceaniche e del vento.
Progressi del software di simulazione
L’analisi dei fenomeni multifisici è tipicamente difficile da eseguire, appunto perché nella simulazione occorre far interagire fenomeni e domini fisici differenti, governati da leggi fisiche e modelli matematici diversi tra loro, utilizzando un’elevata potenza computazionale. Per risolvere in maniera efficace i problemi d’interazione fluido struttura, occorre abbinare software di simulazione fluidodinamica e simulazione strutturale, quindi le equazioni che descrivono le dinamica dei fluidi e meccanica strutturale.
Questa è stata per molto tempo una sfida ardua da superare, sia a livello matematico, sia in termini di capacità elaborativa dei sistemi. Tuttavia, gli avanzamenti tecnologici degli ultimi anni nei software CFD (computational fluid dynamics), CSM (computational structural mechanics) e negli algoritmi numerici hanno portato i software per l’analisi FSI a fare importanti progressi, sia in termini di usabilità, sia di velocità della simulazione.
Oggi esistono software di simulazione multifisica di moderna concezione, in grado di fondere in una sola simulazione le interazioni che avvengono tra domini fisici diversi, come per esempio la simulazione degli effetti dell’impatto di uno tsunami su un veicolo che viene spinto alla deriva.
Accoppiando il metodo DEM (discrete element method) e il metodo MPS (moving particle semi-implicit), applicabili rispettivamente alla polvere e a fluidi, è anche possibile simulare il comportamento della polvere in un fluido. Tra i vantaggi, la tecnica numerica MPS è indicata per la simulazione delle dinamiche di fluidi incomprimibili e ha la caratteristica di essere "mesh-free", quindi di non richiedere la complessa generazione della griglia di calcolo, necessaria con i metodi tradizionali.
Fondere fluidodinamica e meccanica strutturale attraverso la simulazione potrebbe sembrare impossibile da raggiungere ma, grazie all’analisi FSI, lo si può fare.
