Il ruolo della simulazione sublima nel concetto di Simulation Based Design, ovvero l’escalation della simulazioneUna rivoluzione più che copernicana, che è stata resa possibile dall’incremento delle funzionalità del software, ma che è stata spinta dall’evoluzione delle esigenze dei mercati.

C’era una volta il CAE … quando c’era il CAD… e si riferiva alle analisi che venivano effettuate, a valle di una soluzione progettuale, come verifica della sua consistenza e validità. Era, ed è rimasta, un’attività di specialisti che, partendo dalla geometria della soluzione, sotto analisi, costruivano dei modelli FEM per la FEA (Finite Element Analysis), discretizzati sulla base delle risorse computazionali disponibili e/o accessibili (in termini di memoria e potenza di calcolo).
La simulazione CAE, per quanto riguarda sforzi e deformazioni, è stata, era, ed è utilizzata usualmente come verifica di una soluzione progettuale, ideata e/o proposta dal progettista, sia a livello di architettura strutturale, che di forma potenzialmente definitiva, sulla base di soluzioni simili già validate e collaudate sperimentalmente e/o della sua esperienza pregressa.
Questa soluzione era, ed è, quindi, concepita alla luce dei due cardini di base della progettazione meccanica. Il primo riguarda la scelta aprioristica del materiale, sulla base delle caratteristiche chimico-fisiche ritenute ottimali (o meno peggio) per i vincoli dati (tra cui, in prima battuta, il costo). Il secondo, la morfologia, dettata e/o vincolata dalle possibilità di lavorazione di detto materiale.
Questa forma era poi, eventualmente, il punto di partenza per un’ottimizzazione locale, essenzialmente di spessori e dimensioni, della morfologia già definita.
Tutto questo, con l’interazione di più persone (il/i progettisti con il/gli analisti), una serie di trasformazione di modelli (CAD e FEM per le singole analisi) e quindi tempi lunghi di attraversamento, non solo dovuti al calcolo e costi relativi. Quindi questo tipo di analisi viene fatta solo per punti e/o casi critici e in risposta a tempi o obblighi formali, dettati da norme di qualificazione o sicurezza.

Oggi, o, per essere più precisi, da almeno una ventina di anni, sono disponibili metodiche e relativi strumenti software di supporto che li implementano (che ovviamente, in tutto questo tempo, sono diventati molto più performanti e meno costosi), che impattano in modo molto significativo su tutto il tradizionale processo di progettazione e verifica, in termini di tempi, costi, ma soprattutto qualità del risultato. Risultato che prevede l’ottimizzazione topologica, la Simulazione/Modellazione Multiphysics e la Modellazione Funzionale, FMU, Modelica.

Umberto Cugini, Professore Associato, Politecnico di Milano

Umberto Cugini, Professore Associato, Politecnico di Milano

L’Ottimizzazione Topologica (TO – Topology Optimization) è un metodo di ottimizzazione del posizionamento della massa di materiale nello spazio disponibile, che soddisfa maggiormente gli obiettivi di resistenza meccanica, rispettando i vincoli di posizione e forma dei carichi applicati. Questa tecnica capovolge completamente l’approccio tradizionale, in quanto, definito il problema, in termini di vincoli dimensionali e il/gli obiettivi del progetto, genera automaticamente la soluzione ottimale, in termini di distribuzione geografica del materiale e sua densità. Le forme che ne derivano sono ovviamente molto “organiche” e non in linea con i vincoli della normale produzione per asportazione di truciolo o per deformazione, e principalmente per questa ragione sono state prese poco in considerazione, ma con la crescente disponibilità di tecniche di fabbricazione, puramente additive o ibride, questo non appare più un problema.
La Modellazione e Simulazione MultiPhysics è una tecnica di modellazione e simulazione ad elementi finiti, che permette di definire e simulare, in modo unico e univoco, fenomeni e processi fisici in cui i singoli aspetti del problema (comportamento meccanico, termico, magnetico, fluidodinamico) siano intimamente interconnessi. In questo modo si possono evitare i lunghi e spesso problematici interfacciamenti di due o più simulazioni monophysics, che vanno in parallelo scambiandosi dati ad ogni step di simulazione.
La Modellazione Funzionale è un’attività tipica del system engineering, che permette di modellare processi, con funzioni matematiche e logiche. Tipicamente, questi processi vengono descritti (e quindi modellati) con una modalità grafica, che permette agli esperti di rappresentare le relazioni funzionali tra le entità atomiche del linguaggio (specifico del mondo simulativo in essere) e sono usati in tutti i settori industriali (meccanico, impiantistico, elettrico, automatico chimico energetico). Tutti questi modelli (0D o 1D, come spesso vengono definiti, perché rappresentano nel piano di un disegno schematico il grafo delle relazioni fisiche, logiche, informative che rappresentano il funzionamento del sistema al suo livello globale più alto) hanno in comune il fatto che sono trascrivibili in modo formale, per effettuare le simulazioni in sistemi di equazioni. Il problema è che ogni sistema, essendo monophysic, solitamente analizza in dettaglio un solo aspetto fisico del processo. Un FMU (Functional Mock Up) è un sistema di sistemi monophysics, che permette di modellare e simulare ad alto livello, in modo integrato, complessi processi, che caratterizzano il comportamento di sofisticati sistemi tecnici, fatti di sottosistemi basati su tecnologie differenti (impianti, aerei, satelliti, automobili). Il ruolo della simulazione sublima nel concetto di Simulation Based Design, ovvero l’escalation della simulazioneQuesta integrazione è resa possibile dalla disponibilità di uno standard di interfaccia (Modelica), da tempo definito e continuamente sviluppato ed ampliato.
Tutti questi metodi ed i relativi strumenti software indicati hanno una caratteristica in comune: permettono di modellare il problema, con i suoi constraints ed i suoi obiettivi, arrivando, attraverso un’integrata ed automatica sequenza, ad una soluzione, o meglio, ad una proposta di soluzione ottimale del problema, alla luce degli obiettivi e dei vincoli assegnati.
Di più, questo approccio alla progettazione permette di esplorare, simulandone le performance, un grande numero di potenziali soluzioni, variando vincoli ed obiettivi che, contrariamente a quanto si assume nell’approccio tradizionale (per semplificare il processo progettuale basato su euristiche e best practices), non sono necessariamente fissi e invariabili. Questo porta ad acquisire una conoscenza approfondita e ampia in tempi ridotti, permettendo di ampliare il campo dei problemi e delle situazioni che si possono affrontare.
Se, alla luce di quanto detto, guardiamo al mercato dei vendors di sistemi, in supporto al processo di sviluppo prodotto, possiamo fare alcune considerazioni e previsioni.
I vari vendors, nel mercato dei sistemi di supporto alla progettazione, erano all’origine (una cinquantina di anni fa) una moltitudine parcellizzata per singole funzioni/attività: di disegno, di modellazione di superfici, di modellazione 3D, di analisi sforzi e deformazioni in campo lineare o in campo non lineare, di analisi cinematica e dinamica, di analisi fluidodinamica, di process planning, di part program per macchine CN, etc. Con l’evoluzione, si è arrivati ad avere a disposizione varie famiglie di fornitori di sistemi: CAD, CAPP, CAM, FEM, FD. Oggi, i pochi fornitori globali rimasti a valle di integrazioni ed acquisizioni (che si possono rapidamente contare su una mano), offrono collezioni di singoli software, più o meno efficientemente integrati in suites o sistemi orientati a macrosettori applicativi (la meccanica, l’automazione, l’automotive, l’aerospace, l’impiantistica, l’architettura), comprensivi di aggregati, per i vari tipi di simulazione, ma sempre nell’ottica del vecchio, immutato processo che prevede la sequenza:
progetto > simulazioni > pianificazione processi di produzione.
I metodi e gli strumenti suindicati permettono di cambiare, rendendolo più efficiente ed efficace, il processo, portando la simulazione alla fase iniziale di sviluppo del concept, poiché permette di modellare, analizzare e simulare il problema e di arrivare a proporre delle soluzioni ottimali, su cui far intervenire il progettista. Sul lato degli utenti questo, ovviamente, può cambiare in modo anche drastico organizzazioni, ruoli e performance e quindi non può essere considerato come una semplice evoluzione migliorativa incrementale. Ma anche dal lato dei vendors, potremmo aspettarci cambiamenti non incrementali, con nuovi sistemi integrati, che partono e sono interamente basati sulla simulazione integrata e multiphysics, messi in campo da specialisti della simulazione.