Simulation driven design e design exploration quali vantaggi per il progettista?

La simulazione numerica per l’ingegneria, anche chiamata Computer Aided Engineering (CAE), è uno strumento molto potente che, se usata correttamente, permette di risparmiare un’enorme quantità di risorse. Il risparmio si verifica sia in termini di tempo uomo grazie all’indirizzamento della progettazione, che in termini di costi diretti associabili al prodotto, tramite una forte limitazione dei rischi di insuccesso nella fase di testing.

In questo articolo vediamo come spremere al massimo le potenzialità della simulazione e migliorare notevolmente le fasi di progettazione.

Di quali tipologie di simulazioni stiamo parlando?

Attualmente, la simulazione viene impiegata principalmente per analisi fluidodinamiche (CFD) o strutturali (FEM) per calcolare il comportamento di un oggetto o di un sistema e scoprire eventuali problematiche di progettazione prima della fase di prototipazione e quindi di produzione.

	Simulazione fluidodinamica CFD		Simulazione strutturale FEM
	Permette di studiare il comportamento termo-fluidodinamico di un componente o sistema che utilizza un fluido come un liquido o un gas. Ad esempio è possibile simulare le prestazioni di un sistema di climatizzazione HVAC, le perdite di carico di un impianto, la convezione d'aria naturale e forzata, le prestazioni di smaltimento termico, ecc.		Permette di studiare il comportameto strutturale statico e i modi di vibrare di un componente o un assieme, anche se composti di diversi materiali. Ad esempio è possibile simulare lo stato di deformazione del componente, individuare i punti critici della struttura, capire se vi è eccesso o difetto di materiale, ecc.

I vantaggi della simulazione sono evidenti soprattutto nelle prime fasi della progettazione, quando le caratteristiche principali del prodotto finito ancora non sono ben definite.

A dispetto di ciò, generalmente oggi, la simulazione viene eseguita quando il progetto è già quasi interamente definito con lo scopo di verificare e validare il progetto. Eventualmente, a seguito della verifica, vengono apportate piccole correzioni prima di passare alla fase di testing e produzione.

Questo tipo di schedulazione delle simulazioni nasce dal fatto che in genere i tempi di analisi non sono compatibili con la fase iniziale di sviluppo, che di per sé è molto dinamica e apporta modifiche in modo continuo.

Simulation-driven design: un nuovo modo di progettare

Le ultime ricerche nel campo della matematica computazionale e sviluppi hardware hanno portato allo sviluppo di strumenti di simulazione estremamente flessibili e immediati che si adattano perfettamente anche alle fasi di progettazione ovvero nell’early design. Questo processo prende il nome di Upfront Simulation.

A partire da un primo dimensionamento di massima, il progettista grazie a questi strumenti può basare le proprie scelte su un design exploration completa, quindi scoprire le diverse possibilità di progettazione.

Unendo queste conoscenze ad analisi di dettaglio, che servono a comprendere a fondo i fenomeni fisici di interesse, il progettista ottiene consapevolezza anche della qualità finale e delle eventuali problematiche che potrebbero insorgere.

Ritorno di investimento sull'utilizzo di Design Exploration e Simulazioni CAE

In questo studio effettuato nel 2020, vediamo quali sono 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 principalmente in 3 valori: produttività, innovazione, qualità:

• PRODUTTIVITA’: 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. Grazie al simulation driven design questo si traduce nella compressione temporale del ciclo di sviluppo del prodotto e infine nei costi di prototipazione.
  
  
• INNOVAZIONE: La possibilità di svolgere un design exploration porta ad una maggiore spinta all’innovazione grazie all’ampliamento dello spazio incluso nei vincoli progettuali. Gli strumenti di simulazione real-time permettono di indagare diversi scenari e configurazioni alternative in breve tempo.
  
  
• QUALITA’: sfruttando le possibilità offerte dall’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 il concetto di 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 visualizzando contemporaneamente le variazioni alle prestazioni strutturali, termiche o fluidodinamiche del componente.

Se tradizionalmente le analisi parametriche vengono viste con diffidenza dagli analisti, per via degli alti costi in termini di tempi e calcoli, grazie a un solutore real-time la design exploration riesce ad esprimere il massimo del suo potenziale. Lo strumento ha la potenza di testare decine di configurazioni diverse in pochi minuti.

Ma come funziona questa tecnologia? Attraverso algoritmi matematici che sfruttano le enormi capacità di calcolo della scheda grafica della workstation invece che quelle limitate dei processori. 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”. Non si ottiene un risultato che ha la stessa accuratezza di un solutore tradizionale CAE, che si avvale di una griglia di calcolo e modelli fisici raffinati. Ma questa precisione, in questa fase, non è nemmeno necessaria o richiesta: le informazioni chiave in fase concettuale sono soprattutto dimensionamenti di massima e una verifica grossolana delle prestazioni; dati che sono utili anche per effettuare confronti tra configurazioni differenti.

L’immagine precedente mostra il flusso di lavoro tipico in fase di simulazione. Il primo caso (Traditional simulation work-flow) mostra i passi che devono essere percorsi in un flusso di lavoro tradizionale dove sono necessarie molte iterazioni tra fase di design e analisi. Nel secondo caso, sfruttando le tecnologie di simulation-driven design tramite simulazione real-time, vengono abbattute le iterazioni e anche i tempi di sviluppo.

Cosa significa design exploration per la progettazione

Il design exploration è un approccio molto potente per esplorare, capire ed ottimizzare ogni sfida ingegneristica, determinando parametri chiave che influenzano la fase di progettazione. E’ particolarmente utile quando sono presenti troppe variabili che influenzano le prestazioni e non è chiaro quali fenomeni vanno governati.

Analisi di sensibilità

Tramite il design exploration si fa un’analisi di sensitività (anche detta analisi di correlazione), dove si vanno ad evidenziare i parametri più importanti ed impattanti rispetto a quelli che hanno un impatto basso o nullo.

In questa immagine vediamo un esempio di studio di correlazione tra 27 parametri differenti. Di questi, 23 parametri sono di input, ovvero parametri che possono essere governati (come geometria, condizioni operative, condizioni di vincolo strutturali, etc.) e 4 sono di output, ovvero le prestazioni ricercate. Le intersezioni in grigio dimostrano dove non c’è correlazione tra un certo parametro e una certa prestazione, quindi è ininfluente. Le intersezioni colorate mostrano via via una correlazione sempre maggiore, che può essere direttamente o inversamente proporzionale.

Esplorazione di configurazioni alternative

Oltre all’analisi di sensitività, spesso, è utile esplorare le prestazioni di configurazioni alternative o differenti scenari operativi che non sono stati presi in considerazione. Questa operazione è particolarmente vantaggiosa quando si ha a che fare con un progetto ben collaudato e robusto ma che ha ancora margine di miglioramento prestazionale.

In questo caso uno studio what-if permette di esplorare soluzioni leggermente o molto differenti rispetto al caso baseline. Lo studio what-if può essere affrontato in modo semplice impostando manualmente i diversi design-point che si vogliono testare.

In alternativa, per affrontare questo studio in maniera più strutturata, si vanno a selezionare gli algoritmi di design exploration in modo che restituiscano automaticamente una superficie di risposta. Questo tipo di output si ottiene grazie alla soluzione di alcuni design-point “intelligenti” determinati da algoritmi Design of Experiment (DoE). La scelta dei design point viene fatta in automatico per minimizzarne il numero, quindi il tempo richiesto per il calcolo.

Il Design of Experiment è un metodo scientifico che serve a ridurre il numero di “esperimenti” (che nel caso della simulazione numerica sono le singole analisi), riuscendo ad ottenere sufficienti informazioni per comprendere le correlazioni tra i parametri. L’accuratezza della superficie di risposta dipende in larga misura dalla “bontà” dell’algoritmo utilizzato, nonché dal numero di Design Points impiegati.

La design exploration non solo è utile per individuare configurazioni alternative, ma anche per studiare la robustezza di una singola configurazione. Sfruttando le correlazioni parametriche e l’analisi di sensitività, si può far variare il parametro nell’intorno delle condizioni operative e capire quanto impatta sulle prestazioni finali. Questa situazione si verifica frequentemente nella realtà, perché è difficile avere una condizione operativa stabile a regime durante tutto il funzionamento e le condizioni fuori design sono spesso quelle più problematiche che determinano anche la qualità stessa del prodotto.

Simulation-driven design e design exploration, come combinarli in modo efficace

Questi due approcci alla simulazione numerica, sulla carta molto differenti, possono essere combinati efficacemente per completare un processo di simulazione integrato su tutto il flusso di lavoro di progettazione. Combinando l’utilizzo di queste due metodologie nei tempi opportuni, si possono sfruttare i punti di forza di entrambe, ma questo dipende anche dal tipo di progetto.

Il simulation-driven design, operato tramite solutori real-time, esprime le massime potenzialità quando si hanno ampi spazi di modifica e di miglioramento di un prodotto, ovvero quando si progettano configurazioni, non avendo ben chiari i limiti ai quali possono spingersi i miglioramenti, sia nella condizione operativa di design, sia in quelle di off-design.

Essendoci ipoteticamente infinite possibilità di modifica su uno spazio molto vasto, il solutore real-time dà il meglio di sé nell’identificare i maggiori trend di miglioramento, ma anche isolando i parametri chiave, che danno un impatto concreto alle prestazioni, rispetto ai parametri di input meno rilevanti.

Al contrario, quando il progetto prevede lo sviluppo di componenti simili a ad altri già sviluppati oppure apportare modifiche lievi rispetto ad un progetto precedente, l’utilizzo della simulation-driven design e dei solutori real-time è sicuramente meno efficace. In questo caso è più opportuno utilizzare metodi di indagine numerica standard (basati su griglie di calcolo), per poi utilizzare questi modelli per studi di design exploration e ottimizzazioni di dettaglio, dove è importante avere massima qualità e accuratezza dei risultati.

La combinazione di simulation-driven design e design exploration è particolarmente efficace se viene fatta in cascata: Viene eseguito un primo uno studio “grossolano” che esplora rapidamente le diverse possibilità tramite solutori real-time per poi migrare le informazioni apprese in questa fase in un ambiente di ottimizzazione di secondo livello.

Applicando questi due approcci alla simulazione, anche i progettisti meccanici hanno la possibilità di sfruttare tecnologie all’avanguardia con grande impatto sul loro lavoro quotidiano. Generalmente il Computer Aided Engineering, per essere sfruttato appieno, richiede un background specializzato oltre ad una formazione approfondita, ma iniziando a simulare con le interfacce per la simulation-driven design, è possibile ottenere enormi benefici in tempi brevi e senza grandi investimenti. Acquisendo mano mano maggiore confidenza, il progettista potrà approcciarsi alle tecniche di design exploration avanzate.

L’obiettivo di questi software è stato mirato allo sviluppo di strumenti che non necessitano di formazione specifica: le conoscenze delle fisiche alla base dei fenomeni, sono sufficienti per approcciarsi a questo mondo, escludendo del tutto conoscenze di analisi numerica.

Se ti interessa scoprire come integrare questa nuova tecnologia nei processi specifici della tua azienda contattaci, uno dei nostri esperti risponderà a tutte le tue domande.