La simulazione come flusso continuo: dall’idea iniziale alla verifica di progetto

Negli ultimi anni, attraverso la digital transformation, vediamo che i prodotti stanno diventando sempre più smart ma di conseguenza anche sempre più complessi. Governare adeguatamente questa complessità è un requisito fondamentale per evitare una scarsa qualità dei componenti e restare competitivi.

In questo articolo vedremo come le tecnologie di simulazione possono supportare le aziende in tutte le fasi di un progetto dall’idea iniziale fino alla verifica di progetto finale per offrire tre importanti valori:

• produttività
• innovazione
• qualità

L’impatto sui costi delle decisioni nelle fasi di early design

A fronte della rapida evoluzione dei prodotti e componenti, anche le tecnologie a supporto della progettazione e processi come i software CAE (Computed Aided Engineering) si stanno evolvendo per affrontare queste problematiche.

Le simulazioni che fino a pochi anni fa erano un qualcosa di molto complesso ed affrontabile da pochi ingegneri esperti, oggi stanno diventando sempre più accessibili, veloci e rapide da impostare.

Focalizziamo un attimo l’attenzione su come sono spalmati i costi di prodotti lungo il processo di sviluppo, dal concept alle operations. Guardando questo studio vediamo che circa l’80% dei costi totali di prodotto vengono allocati in decisioni prese nella prima fase di sviluppo ovvero la fase di ideazione, la fase di early design. Si prendono centinaia o migliaia di decisioni, che vengono prese in modo esplicito o implicito quando vengono delineate le prime linee concettuali.

A dispetto di ciò tradizionalmente la simulazione viene eseguita quando il progetto è già quasi interamente definito, e serve principalmente per fare verifiche e validazioni tecniche, eseguendo eventualmente piccole correzioni prima di passare alla fase di testing. Questo tipo di schedulazione delle analisi è frutto del fatto che in generale i tempi di simulazione non sono compatibili con la fase iniziale di sviluppo, che di per sé è molto dinamica vedendo continue modifiche.

Upfront simulation nella fase di di progettazione

L’incessante ricerca nel campo della matematica computazionale unita alle grandi evoluzioni hardware dei computer hanno portato allo sviluppo di nuovi strumenti di simulazione per progettisti estremamente flessibili e immediati da utilizzare.

Queste nuove tecnologie riescono a superare i limiti tecnici e spostare la simulazione nelle prime fasi di progettazione. Questo processo prende il nome di Upfront Simulation.

I migliori risultati si ottengono riuscendo ad integrare la simulazione in tutto il ciclo di sviluppo prodotto: a partire dal livello di early design, che serve a dare un primo dimensionamento di massima, per poi passare ai raffinamenti successivi con studi di dettaglio, la simulazione accompagnerà la progettazione in tutte le sue fasi: un flusso continuo dall’idea iniziale alla verifica di progetto.

Questo studio effettuato nel 2020 illustra i benefici aziendali di un utilizzo anticipato della simulazione, a patto di rendere disponibile questa tecnologia a buona parte dei progettisti.

Il risultato può essere espresso su 3 valori: produttività, innovazione, qualità:

• Produttività: un progettista che ha a disposizione uno strumento di simulazione rapido, non solo è in grado di prendere decisioni in modo più consapevole, ma di prenderle più velocemente. Questo si traduce nella compressione temporale del ciclo di sviluppo del prodotto e infine nei costi di prototipazione test.
  
  
• Innovazione: al tempo stesso vediamo una maggiore innovazione se abbiamo la possibilità di esplorare una più ampia design space, ovvero un più ampio spazio in cui muoverci per la progettazione. Da questo punto di vista gli strumenti di simulazione real-time permettono di guardare molti scenari e configurazioni alternative in breve tempo.
  
  
• Qualità: sfruttando l’upfront simulation è più facile prendere decisioni consapevoli, ma soprattutto prendere la giusta decisione al primo tentativo. Questo permette di accelerare i tempi e ribassare i costi di qualità ECO (engineering change orders costs).

Per sfruttare appieno l’upfront simulation, ovvero introdurre la simulazione nelle prime fasi di sviluppo, si utilizzano metodi matematici di simulazione in tempo reale, che permettono di disegnare e analizzare i componenti senza soluzione di continuità. Significa agire direttamente sulle geometrie mentre si stanno visualizzando in simultanea come variano le prestazioni strutturali, termiche o fluidodinamiche del componente.

Come funziona la tecnologia dell’upfront simulation?

Negli ultimi anni, grazie anche alle necessità nell’ambito delle criptovalute, si sono sviluppati algoritmi matematici capaci di sfruttare l’enorme potenza di calcolo delle schede grafiche per risolvere velocemente i numerosi calcoli necessari per eseguire una simulazione.

Non sono necessarie semplificazioni geometriche del modello CAD e non è necessario costruire le classiche griglie di calcolo. Questo processo viene fatto in automatico attraverso una discretizzazione dei volumi basati su logica voxels.

Chiaramente tutto questo non è a costo zero, ma si basa sul concetto di “good enough”. Sicuramente non ottengo un risultato che ha la stessa accuratezza di un solutore tradizionale CAE che si avvale di una griglia di calcolo e modelli fisici raffinati. Detto ciò le informazioni chiave in fase concettuali sono soprattutto dimensionamenti di massima e una verifica di progetto grossolana delle prestazioni; dati che sono utili anche per effettuare confronti tra configurazioni differenti.

L’immagine mostra il flusso di lavoro tipico in fase di simulazione. Nel primo esempio i passi che vengono percorsi in un sistema dove non viene sfruttata la simulazione in tempo reale, mentre il secondo caso mostra l’esempio di un ufficio tecnico dove vengono abbattute le iterazioni tra fase di design e fase di analisi, attraverso la simulazione in tempo reale.

L’evoluzione dei software di calcolo per l’ingegneria è continua. Ora più che mai le software house si concentrano sulla democratizzazione di queste tecnologie, sul rendere fruibile qualcosa che fino a poco tempo fa era accessibile a pochissimi esperti.

Sfruttare appieno tecnologie pensate per la modellazione e calcolo rapido significa avere uno strumento che accompagna tutto il processo di sviluppo dalle prime alle ultime fasi. A fronte di un investimento con impatto ridotto, i benefici sul flusso di lavoro dell’ufficio tecnico sono importanti sia come costi direttamente associabili alla progettazione che come costi futuri legati alla qualità.

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