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.
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.
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.
Sfruttando questi codici, in pochi semplici passi è possibile integrare la fase di verifica del modello CAD al tradizionale flusso di lavoro del progettista.
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.