Una delle difficoltà maggiori per un progettista è quella di coniugare funzionalità del prodotto, vincoli costruttivi e prestazioni strutturali. Talvolta si vorrebbero esplorare possibilità alternative in fase di progettazione, ma il problema tempo è sempre presente.
Sfruttare le potenzialità della simulazione numerica in questi casi è difficile: verificare decine di casi diversi diventa un lavoro troppo oneroso in termini di tempo richiesto. Seguire la strada già rodata resta l’unica via possibile, limitando moltissimo possibili miglioramenti.
La soluzione a questi problemi è nata qualche anno fa: la simulazione real-time sta rivoluzionando il mondo del Computer Aided Engineering, ovvero il calcolo numerico applicato ai problemi dell’ingegneria.
Questi software permettono di eseguire analisi di diverso tipo in tempo reale grazie agli enormi sviluppi compiuti nel mondo dell’hardware per la computer grafica destinato al gaming: si sfrutta la potenza di calcolo in parallelo delle schede grafiche, che è nettamente maggiore rispetto a quella delle CPU.
Oggi, sempre più aziende stanno integrando questa tecnologia nel loro processo di sviluppo prodotto con ottimi risultati.
Verificare la progettazione CAD in pochi minuti
Grazie all’utilizzo di queste nuove tecnologie, i risultati della simulazione vengono visualizzati nel giro di pochi secondi. Questo permette di poter modellare geometricamente il componente già in fase di progettazione CAD mentre si sta visualizzando per esempio il campo di sforzo di Von-Mises, se trattiamo simulazioni meccaniche, piuttosto che la pressione totale se vogliamo simulare un campo fluidodinamico.
Partendo dal progetto in CAD è possibile anche eseguire parametrizzazioni globali di tutto il modello, analizzando in pochi minuti le permutazioni dei parametri geometrici in ingresso, secondo una serie di configurazioni definite. Strutturando questo processo, si può migliorare efficacemente il flusso di lavoro di progettazione con vere proprie esplorazioni parametriche in ottica Design of Experiment (DoE). Tutto in pochi minuti, dall’importazione del CAD all’ esportazione dei risultati.
Con i codici attuali è possibile fare analisi termiche in fluidi o solidi, analisi strutturali lineari e analisi fluidodinamiche di liquidi o gas a velocità limitate. I progressi hardware viaggiano in parallelo con i progressi sui codici di calcolo, migliorando costantemente la qualità, al punto che oggi per alcune applicazioni la simulazione in tempo reale può sostituirsi del tutto alla simulazione tradizionale con mesh.
Figura 1: Simulazione termica transitoria in comparto frigorifero
Perché la simulazione real-time
Si tratta di un approccio alla simulazione per l’ingegneria sostanzialmente diverso rispetto a quello tradizionale. L’utente di un software di simulazione in tempo reale non vede tutte le scelte di modellazione abituali come ad esempio la scelta del modello di turbolenza (analisi CFD), oppure l’infittimento della griglia di calcolo, oppure definire i modelli di scambio termico (analisi FEM) eccetera.
La simulazione viene impostata in modo totalmente automatico, perché tutte le scelte di modellazione sono state programmate all’interno del software con un enorme vantaggio in termini di semplicità e usabilità.
La discretizzazione delle geometrie avviene non attraverso la definizione della classica griglia di calcolo, ma tramite i voxels, ovvero una griglia cartesiana che scompone i corpi in mattoni elementari. Le equazioni vengono poi risolte all’interno di essi.
I passaggi per una verifica del progetto CAD
Sfruttando questi codici, in pochi semplici passi è possibile integrare la fase di verifica del modello CAD al tradizionale flusso di lavoro del progettista.
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Importazione del modello CAD in formato nativo all’interno dell’ambiente di simulazione.
E’ possibile implementare veloci modifiche o semplificazioni al modello geometrico senza modificare la struttura ad albero. Tuttavia le semplificazioni geometriche non sono necessarie a livello di CAD, anzi, per come lavora il solutore real-time, non c’è il problema della qualità degli elementi, non essendoci una griglia di calcolo.
I dettagli geometrici più complessi, che in genere vengono rimossi (ad esempio raccordi molto stretti, incisioni o scritte sulle superfici) non vengono “visti” a livello di soluzione perché la griglia di voxels compie una scrematura automatica. -
Definizione dei materiali che compongono il modello.
Che si tratti di simulazioni fluidodinamiche o di simulazioni strutturali è possibile scegliere i diversi materiali che caratterizzano i domini di calcolo. Viene messa a disposizione una vasta libreria di materiali pre-impostati, ma è possibile definire manualmente le caratteristiche di un materiale nel caso non sia presente. -
Definizioni di vincoli, carichi e condizioni al contorno.
Ipotizzare le condizioni al contorno da applicare al sistema è un passo fondamentale e la capacità di buon ingegnere è quello di saper identificare con correttezza gli scenari più significativi.
Lo sforzo di progettazione CAD parte dalle condizioni operative reali che devono essere riassunte in poche semplici informazioni da applicare al modello. All’interno dell’ambiente di modellazione è possibile associare a ogni faccia una condizione, che sia strutturale (forze, pressioni, spostamenti o vincoli lineari) piuttosto che termica (potenze, temperature, coefficienti di scambio) o fluidodinamica (pressioni, portate, velocità).
Identificazione dei parametri di output: la verifica del progetto CAD.
Si tratta di capire come utilizzare le variabili calcolate dal simulatore real-time per riuscire a comprendere il comportamento fisico del componente in studio, per poi introdurre efficacemente delle migliorie.
Questo è un passaggio cruciale e complesso e comporta tradurre in termini di operatori matematici quelle che vengono identificate come prestazioni. Con la simulazione real-time è possibile definire un numero a piacere di monitor di calcolo per visualizzare come variano i parametri di output al variare della geometria e delle condizioni operative. Andando a confrontare i valori ottenuti dai monitor (deformazione massima, caduta di pressione, uniformità di flusso, sforzo massimo, temperature medie eccetera) con i valori da normativa piuttosto che i requisiti fissati a monte, si può concludere la fase di verifica.
Verificare la progettazione CAD in tempo reale tramite la simulazione è un’attività che permette di ottenere enormi benefici in termini di qualità del prodotto finale, riduzione dei costi e in generale competitività aziendale sul mercato. I progettisti CAD hanno una maggiore consapevolezza dell’impatto che le loro scelte hanno sul progetto aiutandoli a comprendere dinamiche che normalmente sarebbero esclusiva degli analisti.
