In molti settori industriali, il software di simulazione sta giocando un ruolo crescente per lo sviluppo e la produzione sia di parti di prodotti, sia dei prodotti finali. Il mercato globale del software di simulazione è previsto in effetti crescere, stando alle stime della società di ricerche MarketsandMarkets, dai 6,26 miliardi di dollari del 2017, ai 13,45 miliardi di dollari attesi per il 2022, con un CAGR del 16,5%. Tra i fattori che stimolano la diffusione c’è, per esempio, la crescente focalizzazione sulle attività di ricerca e sviluppo (R&D). La tecnologia di simulazione e analisi è infatti utilizzata in svariati settori verticali, dall’industria automobilistica, all’ambito difesa e aerospazio, alle manifatture industriali. Le attività R&D includono la progettazione dei prodotti, la gestione del ciclo di vita degli stessi e l’ottimizzazione dei processi. Da qui la tecnologia di simulazione, analisi e sperimentazione industriale, coadiuvata dalla potenza elaborativa dei computer, è utilizzata per migliorare e velocizzare tutte queste attività, sviluppando modelli digitali in un ambiente virtuale.
Sperimentazione e simulazione multifisica
I benefici derivanti dall’uso della simulazione industriale sono molti ma si può sottolineare, soprattutto, che poter adottare la simulazione numerica già in una fase molto iniziale del processo di design, significa ottenere progetti già ottimizzati e ridurre il numero di prototipi fisici da realizzare. E poiché questi ultimi richiedono tempo, risorse umane ed economiche per essere costruiti, i vantaggi si traducono anche in risparmi di costi e ridotto time-to-market. Più una simulazione è fedele, più riesce a ricostruire e prevedere il comportamento e le prestazioni di un dato prodotto nell’ambiente fisico. E questo aspetto diventa ancora più importante quando il modello virtuale deve servire ad abilitare una simulazione multifisica, ossia un’analisi virtuale in grado di includere tutti i fenomeni fisici coinvolti nelle interazioni che avvengono nel prodotto e tra esso e il mondo esterno nell’applicazione reale.
Il livello di precisione possibile con i software di simulazione multifisica di ultima generazione continua a crescere e un ulteriore beneficio di questa tecnologia si riscontra in particolare nei casi in cui l’esecuzione dei test fisici risulta troppo costosa, poco praticabile o addirittura impossibile: ciò può valere, per esempio, per prodotti che devono operare nello spazio o in ambienti estremamente severi. Va comunque aggiunto che, per una serie di ragioni, il collaudo nel mondo reale non può essere completamente eliminato: per esempio perché i prototipi fisici permettono di eseguire misure e analisi delle proprietà e del comportamento dei materiali, che nel prototipo virtuale potrebbero non rispecchiare fedelmente la realtà.
Quando la simulazione diventa molto complessa
Vi sono casi in cui la simulazione industriale risulta particolarmente complessa da eseguire: uno scenario tipico può essere, nel mondo automotive, la necessità di riprodurre attraverso un modello virtuale il comportamento del flusso di fluido lubrificante all’interno di un motore, con l’obiettivo di ottimizzare la progettazione dello stesso. Oppure potrebbe trattarsi anche dello studio dei fenomeni di oscillazione (sloshing) del carburante nel serbatoio di un veicolo, che può condurre a una fuoriuscita del liquido, compromettendo la sicurezza o far oscillare il baricentro del mezzo generando instabilità. In tutte queste complesse situazioni, gli ingegneri oggi possono avvalersi di software CFD (Computational Fluid Dynamics) basati su algoritmi numerici evoluti, in grado di superare i limiti delle soluzioni tradizionali. Un esempio è il software CFD Particleworks, basato sul metodo MPS (Moving Particle Semi-implicit), "mesh-free", che di fatto elimina la necessità di generare complesse griglie di calcolo per il dominio del fluido. Software di questo tipo permettono di simulare le dinamiche della superficie libera di flussi di fluidi, integrandole con le interazioni che si possono avere con una struttura rigida o con polveri di vario tipo.
