Le moderne tecniche di progettazione, specie quando si tratta di sviluppare nuovi prodotti caratterizzati da un elevato livello di complessità, utilizzano sempre più di frequente i framework di progettazione 3D ed i software di modellazione e simulazione fluidodinamica CFD (Computational Fluid Dynamics) per investigare, ad esempio, fenomeni aerodinamici. Questi sono, infatti, difficilmente analizzabili nella fase di concept di prodotto e nei successivi stadi di sviluppo, se non attraverso la realizzazione di una serie di prototipi fisici su cui vengono condotti test finalizzati a perfezionare progressivamente il prodotto stesso e a renderlo il più possibile aderente e conforme a tutti i requisiti di progetto. Dunque, tramite l’elaborazione e l’analisi dei modelli virtuali, tradizionalmente, la simulazione fluidodinamica consente di risparmiare molto tempo e denaro, riducendo il numero di prototipi fisici normalmente richiesti, lunghi e costosi da sviluppare, costruire, collaudare.
Oltre la simulazione fluidodinamica
Occorre aggiungere che, oggi, con il livello di innovazione raggiunto in qualunque settore industriale, per migliorare ulteriormente sviluppo, realizzazione, qualità e prestazioni del prodotto, non basta eseguire la simulazione di un unico processo fisico come può essere la fluidodinamica. L’esigenza è integrare nel modello virtuale tutte le componenti fisiche del processo (quali l’interazione tra fluidi multifase, interazione fluidi-solidi, flussi termici, fenomeni vibroacustici) che avvengono contestualmente durante l’utilizzo del prodotto, e ne influenzano prestazioni, sicurezza, durevolezza. Si parla, perciò, di simulazione multifisica.
Simulazione fluidodinamica: il caso Nolan
Un chiaro esempio di come la fluidodinamica possa integrarsi in una simulazione multifisica in grado d’includere anche aspetti strutturali e vibroacustici è il simulatore che Moxoff ha creato per Nolan, società italiana che sviluppa e produce caschi per moto. “Senza l’aiuto di questo tool – spiega Moxoff – comprensivo di varie fisiche, per l’analisi di tali aspetti sarebbe stato necessario ricorrere ad altri software, che avrebbero richiesto ulteriori competenze per farli funzionare e comunicare tra loro. Nel cruscotto digitale che abbiamo realizzato, gli ingegneri di Nolan possono eseguire le simulazioni in modo molto agevole, attraverso un’interfaccia grafica che consente loro di gestire sia i diversi modelli di calcolo sia i risultati ottenuti, per poi estrapolare i parametri ingegneristici d’interesse inerenti la progettazione del casco”.
Grazie ad un finanziamento europeo è stato inoltre possibile agganciare il tool ad una infrastruttura HPC (High Performance Computing) in modo da avere un ulteriore vantaggio in termini di riduzione dei tempi di calcolo. A seconda delle esigenze, il cruscotto permette di selezionare in modo semplice ed immediato se condurre un’analisi sfruttando le risorse di calcolo locali o se utilizzare il cluster HPC esterno.
I vantaggi derivanti dall’uso del simulatore sono notevoli ed evidenti. “È possibile ottenere una forte riduzione del time-to-market per i nuovi prodotti progettati, perché i tempi di sviluppo, prima dell’ordine dei cinque-sei mesi, ora richiedono un mese e mezzo, due mesi. Questo grazie al fatto che le simulazioni permettono di sviluppare prototipi virtuali già il più possibile ottimizzati, in modo da ridurre al massimo il numero di prototipi fisici e di prove in galleria del vento che sarà comunque necessario condurre”, spiega Moxoff.
Valutare le prestazioni con la simulazione multifisica
Adottando il tool, Nolan riesce oggi a considerare nella progettazione tutti i fattori rilevanti nell’utilizzo di un casco per moto. “Nel simulatore che abbiamo sviluppato – continua Moxoff -, oltre a tener conto degli aspetti fluidodinamici, sono stati incorporati anche aspetti legati ad altre branche della fisica. Ad esempio, combinando modelli di analisi dei fenomeni fluidodinamici e termici, il simulatore consente non solo di studiare l’aerodinamica esterna del casco, ma anche l’aerodinamica interna, quindi come avviene la diffusione e il trasporto del calore all’interno delle canaline inserite dentro il casco stesso, per consentire l’aerazione e la deumidificazione?. Studiando le forti interazioni tra aspetti aerodinamici e termici e analizzando la circolazione dell’aria dentro le canaline, si fanno poi le opportune valutazioni progettuali e ingegneristiche per ottimizzare le performance di dissipazione del calore generato dalla testa del pilota”, e quindi migliorare il comfort. Il tool consente poi anche altre simulazioni, come l’esecuzione di test di resistenza strutturale, o l’analisi degli aspetti vibroacustici: l’aria esterna che impatta sul casco genera, infatti, vibrazioni che vanno analizzate per migliorarne la sua capacità di insonorizzazione.
Simulazione fluidodinamica e multifisica: i modelli matematici fanno la differenza
Come si è visto, l’uso del simulatore ha permesso a Nolan di comprimere notevolmente il time-to-market per il rilascio dei prodotti: tuttavia questo vantaggio può essere aumentato ancora di più se i tempi di calcolo necessari per eseguire le simulazioni vengono ulteriormente ridotti, tramite lo sviluppo di modelli matematici realizzati su misura per l’analisi degli specifici requisiti di un progetto, e in grado di velocizzare la preparazione delle simulazioni stesse.
“Attualmente la simulazione fluidodinamica – spiega Moxoff – è una metodologia d’analisi eseguibile comunemente con molti software commerciali, che permettono di fare, ad esempio, simulazioni aerodinamiche, ottenendo buoni livelli di precisione. Il tema però, oggi, è sviluppare modelli capaci di superare le ordinarie limitazioni di tali software, principalmente per due ragioni. La prima è l’esigenza essenziale di ridurre i tempi di calcolo, perché le tempistiche di progetto risultano sempre più compresse e incompatibili con i tempi computazionali dei software commerciali. Non per caso, in questo campo stanno entrando sempre più in gioco modelli all’avanguardia della ricerca, i cosiddetti modelli ridotti: si costruisce, cioè, un modello ad hoc per il problema in esame, capace di eseguire la simulazione in tempi molto brevi, specialmente quando si debbano esplorare diversi scenari al variare dei parametri di progetto”. Farlo con un software commerciale non è banale, spesso richiede competenze approfondite e la scrittura di codice specifico. “La seconda ragione – aggiunge Moxoff – è che, per fare la simulazione, il software commerciale richiede tempi di setup e preparazione molto lunghi, ad esempio per la generazione della mesh di calcolo. Da qui nasce, quindi, la necessità di tool in grado di creare più automazione per tali processi, supportando, o sostituendo, il software commerciale e semplificando tutto il lavoro di pre-processing, che toglie al progettista molto tempo, e che potrebbe invece essere dedicato piu’ proficuamente all’analisi dei risultati del modello vero e proprio”.
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