Digital Twin e Simulazione – Parte 1

Con l’avvento dell’Industria 4.0 tutti i sistemi sono sempre più digitalizzati ed interconnessi ed i processi sempre più automatizzati. Non si sottrae a questa tendenza la progettazione meccanica in cui computer stanno trovando sempre maggiore impiego. Tradizionalmente il calcolo strutturale di un sistema veniva fatto a mano per via analitica ma oggi, grazie allo sviluppo delle nuove tecnologie, i progettisti hanno a disposizione strumenti (FEM) sempre più sofisticati che permettono analisi molto dettagliate ed un livello di dettaglio nella modellazione impensabile fino a non troppi anni fa. Ma tutto questo ovviamente ha un prezzo. Nel vero senso della parola. I programmi di analisi numerica offrono potenzialità enormi ma portano con sé anche elevati oneri. E allora perché non affidarsi all’open-source? Esistono infatti molti strumenti gratuiti che permettono a piccole e medie imprese di ottenere gli stessi risultati dei software commerciali eliminando completamente quelli che sono i costi vivi legati alle licenze la cui assenza permette non solo di risparmiare denaro ma a volte anche di ridurre i tempi necessari al calcolo grazie alla possibilità di una maggiore parallelizzare del calcolo. Da non trascurare la possibilità di personalizzare il codice secondo le proprie esigenze.

La progettazione strutturale

La progettazione di un sistema meccanico si basa storicamente su teorie, sui criteri di resistenza, su formule approssimate, su normative… insomma, a seconda del caso, a seconda del sistema in esame, non vi è un approccio univoco e generale che possa essere applicato in modo trasversale a tutti i componenti meccanici. Spesso vi sono metodologie di calcolo personalizzate sviluppate dalle singole aziende. Ma nell’era del digitale tutto questo non può essere forse migliorato? Gli elementi finiti (FE) nella progettazione meccanica non sono un approccio nuovo, anche se solamente da qualche anno stanno cominciando a trovare larga diffusione a livello industriale e artigianale. Il principale vantaggio che si ha nell’utilizzo degli elementi finiti sta nella possibilità di modellare geometrie anche molto complesse senza dover introdurre approssimazioni geometriche o coefficienti correttivi. Le analisi numeriche FE permettono di modellare qualsiasi tipo di vincolo, così come qualsiasi condizione di carico. E’ possibile analizzare l’interazione tra componenti, gli effetti termici, modellare materiali non lineari ecc..

Tuttavia, la soluzione spesso non è possibile in forma chiusa e si rende necessaria una soluzione di tipo numerico. Uno dei principali rischi connessi all’utilizzo dei software FE è legato al fatto che “una soluzione colorata la si ottiene sempre”. La sua correttezza però dipende da come il sistema sia stato modellato, per cui è fondamentale che l’utente abbia un background teorico forte che garantisca la correttezza delle assunzioni iniziali e, di conseguenza, dei risultati.

Analisi

L’analisi agli elementi finiti si compone tipicamente di tre fasi: pre-processing, ovvero la fase di modellazione, processing, ovvero la soluzione vera e propria del problema e post-processing, ossia l’elaborazione dei risultati.

In ognuna di queste fasi è necessario fare scelte che vanno da quali semplificazioni geometriche abbia senso introdurre, quale tipo di elementi finiti utilizzare, come rappresentare i vincoli e quali carichi esterni considerare. 

La soluzione di un modello di questo tipo (cosiddetto digital twin) permette una stima delle deformazioni, dello stato di sollecitazione, del campo di temperatura ecc.. offrendo dati su cui migliorare il progetto.

Tuttavia, l’accuratezza della soluzione numerica (simulazione) è fortemente legata alle assunzioni ed alle scelte del progettista per cui la formazione del personale diventa un aspetto fondamentale. La Libera Università di Bolzano/Bozen offre periodicamente corsi di formazione per aziende (sia introduttivi che di livello avanzato). È anche possibile richiedere corsi ad-hoc su tematiche specifiche.

Se il FEM è ormai una tecnica assodata, la sua introduzione nei processi di sviluppo è ancora prerogativa di pochi, ma sicuramente ha un potenziale enorme per il futuro a breve e medio termine.  

Autore

Dr. Franco Concli, Libera Università di Bolzano, Mechanical Lab, Facoltà di Scienze e Tecnologie

Parte 2

• Modellazione digitale e simulazione nella produzione e nella logistica