La simulazione di ingegneria pervasiva

Tradizionalmente posizionata nella fase di validazione del prodotto e utilizzata dall’analista del dipartimento calcoli, la simulazione di ingegneria virtuale detta anche CAE (Computer Aided Engineering), sta vivendo oggi una seconda giovinezza che ne sta allargando lo spazio di utilizzo e i benefici.

In questo articolo vediamo come gli strumenti moderni di simulazione si sono evoluti, aggiungendo sempre nuove discipline ingegneristiche e risolvendo problemi sempre più articolati di ingegneria pervasiva.

Ingegneria pervasiva: la novità del Computer Aided Engineering

Le innovazioni, come spesso accade, arrivano sul mercato a ondate. Nel CAE la prima è stata la simulazione strutturale (FEM), basata su elementi finiti, le cui applicazioni risalgono addirittura agli anni ‘70. Oggi sembra un argomento banale, dato che ogni software CAD integra funzioni  base di calcolo. Eppure trent’anni fa, con una potenza di calcolo limitata ed una interfaccia utente a linea di comando, non lo era affatto, tanto che si doveva controllare fino all’ultimo elemento di “mesh” - la struttura reticolare utilizzata come griglia di calcolo - per avere dei risultati sufficientemente precisi, in riferimento al problema analizzato.

Una decina di anni dopo è la simulazione fluidodinamica computazionale (CFD) a prendere piede, come valida alternativa alla galleria del vento, subito seguita dalla simulazione acustica pensata per ridurre il rumore generato da vibrazioni non volute. In entrambi i casi la complessità aumenta perché l’analisi prende in considerazione, oltre che il prodotto, anche l’etere circostante col quale sia le onde acustiche che i fluidi interagiscono. 

La terza ondata segue di pari passo, la rivoluzione digitale e la conseguente diffusione sul mercato di strumenti elettronici e di telecomunicazione. Si occupa infatti di nuovi strumenti di simulazione elettro-magnetica. Il loro impatto risulta più che evidente se confrontate l'oggetto personale ormai più comune, ovvero un telefonino di nuova generazione, rispetto ai suoi antenati.

Dove è sparita l’antenna? Di quanto è diminuito il peso e lo spessore del telefonino? Quanto è migliorato lo schermo e la quantità di informazioni visualizzate? Queste innovazioni spinte non sarebbero potute accadere senza l’utilizzo di strumenti avanzati di sviluppo.

Più nello specifico le tecnologie elettromagnetiche vengono catalogate in base alle differenti tematiche ed applicazioni:

• simulazione elettro-magnetica in bassa frequenza, usata per applicazioni come i motori elettrici o trasformatori
• simulazione elettro-magnetica in alta frequenza per l’ottimizzazione del funzionamento di apparati di trasmissione (antenne, sensori e telefoni wireless) 
• simulazione elettro-magnetica in alta frequenza per la progettazione di schede elettroniche e la misura di compatibilità elettromagnetica.

Multi-disciplinarietà del CAE

Con una certa continuità, il CAE si arricchisce nel tempo di nuove discipline. Ne sono un esempio la simulazione di ingegneria ottica, oggi spinta fino al riconoscimento di oggetti a supporto della guida assistita, la gestione di materiali innovativi, lo studio dei corpi in movimento (multi-body) e l'ottimizzazione, diventata oggi una disciplina autonoma in grado di correlare tra loro i vari sotto-sistemi (strutturale, fluidodinamico, elettromagnetico, ottico, etc.) alla ricerca dell'efficienza. Si riesce in questo modo a bilanciare i singoli componenti del prodotto, al fine di rendere le prestazioni del sistema-prodotto, coerenti e ottimizzate rispetto agli obiettivi progettuali.

Il tema della integrazione, in un contesto nel quale il prodotto diventa sempre più intelligente, interconnesso e di conseguenza complesso, non può che assumere sempre maggiore peso. Prendendo ad esempio una antenna - oltre allo studio elettro-magnetico indispensabile alla sua funzione principale - è altrettanto importante soddisfare le esigenze strutturali (affinché resista alle diverse condizioni ambientali e rientri nei parametri di costo) e quelle termico-fluidodinamiche (per impedire che la temperatura non superi valori critici di funzionamento). Questo significa che le singole discipline devono convivere in un ambiente correlato, in grado di propagare le modifiche effettuate in uno specifico ambito a quelli attigui, senza dover forzare l'utente a rifare il pre-processing, ovvero la preparazione del calcolo.

Anche le singole discipline hanno progressivamente subito una specializzazione, implementando via via modelli matematici considerati secondari, in grado però di acquisire un forte valore in specifiche nicchie di mercato. E’ il caso ad esempio della analisi di fluidodinamica computazionale che può oggi essere affrontata, oltre che con tecniche tradizionali a elementi finiti, con nuovi strumenti “mesh-less” o “particellari”. Strumenti che diventano particolarmente efficaci per lo studio di fenomeni specifici come il comportamento di un lubrificante negli ingranaggi, motori o scatole cambio oppure per lo studio del riscaldamento dei motori elettrici, un tema molto di moda, nell'era della elettrificazione.

Un secondo esempio consiste nell'uso dello strutturale esplicito per studiare a fondo fenomeni fisici “veloci” come le deflagrazioni o gli impatti (come i ben noti crash-test automobilistici - ovviamente simulati), terreno sul quale gli strumenti FEM tradizionali hanno notevoli difficoltà.

Uso multi-dipartimentale del CAE per l'ingegneria pervasiva

Un ulteriore livello di specializzazione delle tecnologie CAE riguarda la diffusione in nuove divisioni aziendali e all'interno di queste, anche nuove tipologie di utenti, non più solo ingegneri.

Intatti, partendo dalla ricerca e sviluppo, l’utilizzo della simulazione si è gradualmente propagato sia a valle che a monte. A valle, verso la simulazione dei processi produttivi finalizzata alla riduzione dei costi di produzione ed alla diminuzione dei costi di set-up di impianto. Si possono simulare oggi sia i processi continui (colate di metallo per la produzione in continuo di lastre di acciaio, di tubi e di estrusi in alluminio) che discreti (casting, forgiatura o stampaggio plastico). Si possono analizzare in modo statistico le tolleranze per diminuire il numero degli scarti (e quindi aumentare la qualità). Si può oggi anche eseguire digitalmente il "commissioning" di un intero impianto logistico-produttivo, anticipando i problemi di integrazione tra progetto meccanico e logica software, ed ottenendo grandi risparmi di tempo e costi.

Oltre alla produzione, la simulazione virtuale si può utilizzare, ancora più a valle, per il miglioramento dell'assistenza post-vendita. Nuovi metodi numerici permettono di passare dalla classica manutenzione programmata ad intervalli regolari ad una manutenzione predittiva ovvero pianificata secondo le reali necessità . Le implicazioni possono essere economicamente rilevanti (si pensi ad esempio ad un parco eolico da tenere costantemente allineato alla massima produttività in funzione delle condizioni atmosferiche o di usura delle turbine). Il CAE rappresenta in questo contesto un elemento determinante per la realizzazione del Digital Twin o gemello digitale, non tanto per abilitare la connettività dell’asset installato, bensì per la definizione degli algoritmi di controllo.

Allo stesso modo la simulazione si è integrata a monte, indirizzandosi a soddisfare le esigenze del progettista o designer nelle fasi iniziali dello sviluppo prodotto. Non è un approccio del tutto nuovo, ma la tecnologia sottostante ha fatto un enorme salto di qualità, portando alla nascita della simulazione in tempo reale o 2.0, grazie ad un approccio:

• multi-disciplinarare (abilitando contemporaneamente valutazioni non solo strutturali, ma multi-fisiche – strutturali, fluidodinamiche, elettromagnetiche, topologiche ecc…)
• rapido (grazie alla possibilità di avere risultati in tempo reale, al variare delle dimensioni del progetto, che forniscono rapide indicazioni qualitative)
• semplice (attraverso algoritmi mesh-less e una interfaccia uomo-macchina semplice e guidata)

Mettendo tutto questo insieme, la simulazione virtuale rappresenta oggi un potenziale enorme, in grado di risolvere molti problemi aziendali complessi:

• sviluppo prodotti migliori
• incremento performance
• miglior qualità
• riduzione dei costi
• servizio attento

Affidarsi ad un partner altamente specializzato permette di integrare queste tecnologie in modo semplice e senza interrompere il processo di progettazione e produzione. La letteratura e le esperienze di mercato sono molteplici. La loro conoscenza e la comprensione dei problemi reali delle aziende possono fare la differenza nell'ingegneria pervasiva.