Che cos'è la Computer-Aided Engineering (CAE)?

La CAE è una disciplina dell'ingegneria che utilizza strumenti software per simulare e ottimizzare in modo digitale la progettazione di prodotti. La CAE viene impiegata in numerosi settori per supportare l'analisi dei guasti; migliorare le prestazioni dei prodotti; ridurre i costi di sviluppo; abbreviare i cicli di progettazione; fornire agli ingegneri una comprensione più approfondita delle prestazioni dei propri prodotti.

Sviluppati inizialmente per l'industria aerospaziale, gli strumenti CAE si sono evoluti fino a diventare una parte integrante del processo ingegneristico, influenzando spesso le decisioni di sviluppo del prodotto ben prima della disponibilità di prototipi fisici. La possibilità di testare virtualmente scenari reali, risolvere questioni progettuali importanti e convalidare caratteristiche e prestazioni nelle prime fasi dello sviluppo rende l'investimento in strumenti e competenze CAE uno dei migliori ritorni sull'investimento nel campo dell'ingegneria.

Gli strumenti CAE costruiscono una rappresentazione matematica del comportamento di una determinata combinazione di geometrie, materiali, connessioni e vincoli quando vengono applicati dei carichi. L'obiettivo di qualsiasi simulazione CAE è definire le grandezze note del sistema e calcolare quelle sconosciute. Quando possibile, la CAE viene utilizzata in sostituzione dei test fisici oppure per ridurre il numero di iterazioni necessarie se i test reali sono indispensabili.

Termini comuni utilizzati nella CAE

Prima di approfondire il processo CAE in tre fasi osservato dagli ingegneri, vediamo alcuni termini fondamentali.

• Carico: una forza esterna o una variazione di energia che agisce sul modello digitale.
• Vincolo: un valore caratteristico del modello, associato a un grado di libertà, che viene fissato dall'utente.
• Condizione al contorno: l'insieme dei carichi e dei vincoli applicati al modello.
• Connessioni: la definizione del modo in cui le grandezze fisiche vengono trasferite tra gli oggetti del modello. Si tratta generalmente di carichi o vincoli, come pressione o spostamento.
• Proprietà del materiale: la descrizione del comportamento di un determinato materiale quando gli vengono applicate condizioni al contorno. Proprietà come rigidità, conducibilità e densità sono esempi di proprietà del materiale.
• Modello: una rappresentazione matematica delle proprietà note e della loro risposta ai carichi applicati.
• Mesh e meshing: molti strumenti CAE suddividono il dominio del modello in aree o volumi geometrici discreti, chiamati celle o elementi. La definizione matematica di questi elementi e delle loro connessioni costituisce la mesh, mentre il meshing è il processo di discretizzazione.
• Solver: un algoritmo utilizzato per risolvere le incognite a partire da un insieme di dati noti.
• Risultati: una rappresentazione numerica delle grandezze incognite calcolate dal solver.

Indipendentemente dall'ambito di applicazione, gli specialisti della CAE seguono generalmente tre fasi: pre-processing, solving e post-processing. La complessità di ciascuna fase dipende dalla fisica che la simulazione deve rappresentare, dal livello di accuratezza richiesto, dalla complessità del prodotto e da quella dell'ambiente operativo riprodotto nel modello digitale. Inoltre, l'intero processo è guidato dalle informazioni che il team di ingegneria desidera ottenere dalla simulazione.

Di seguito sono riportate le tre fasi standard.

Pre-processing: descrivere il problema

Il pre-processing è la prima e più importante fase del flusso di lavoro CAE. In questa fase gli ingegneri documentano i valori noti; utilizzano il software CAE per discretizzare la geometria; raccolgono e registrano tutti i dati necessari in un database. La costruzione del modello inizia generalmente importando la geometria o i componenti del sistema e procedendo alla loro discretizzazione, ovvero alla generazione della mesh. Successivamente, l'utente deve applicare i vincoli che definiscono specifici valori fisici e impostare i carichi che agiscono sulla geometria. Gli ingegneri devono inoltre specificare le proprietà di ciascun materiale utilizzato; le connessioni tra i componenti; il modo in cui le condizioni al contorno variano nel tempo. L'ultima attività nel processo di simulazione CAE consiste nel definire come il problema matematico dovrà essere risolto, specificando gli input e le variabili necessari al solver per svolgere il proprio compito.

Il pre-processing è fondamentale perché il solver calcola gli output del problema e, se gli input sono errati, i risultati non rappresenteranno correttamente la situazione reale. Si tratta del classico caso di "garbage in, garbage out" (GIGO): dati errati in ingresso producono risultati errati in uscita. È inoltre importante sottolineare che l'automazione e la stretta integrazione con gli strumenti CAD aumentano la velocità e la precisione delle attività di pre-processing.

Solving: costruire e risolvere un modello matematico

L'elaborazione vera e propria della rappresentazione matematica creata durante il pre-processing viene definita solving (soluzione). Per prima cosa, il solver converte la definizione matematica in un insieme di equazioni, generalmente equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE), contenenti valori noti e incognite. Successivamente, vengono utilizzati metodi numerici per risolvere un ampio sistema di equazioni e determinare i valori sconosciuti. Sebbene il calcolo delle incognite venga eseguito tramite software, alcuni algoritmi possono richiedere notevoli quantità di memoria, spazio su disco e potenza di elaborazione della CPU. Per questo motivo, l'accesso a metodi di soluzione efficienti e a risorse di calcolo ad alte prestazioni (HPC) è particolarmente importante quando si devono risolvere numerosi modelli CAE.

Post-processing: analizzare la soluzione

I risultati ottenuti nella fase di solving vengono memorizzati come valori numerici in un database. Per poterli sfruttare efficacemente, gli ingegneri devono utilizzare il software CAE per trasformarli in rappresentazioni facilmente interpretabili. Tra le rappresentazioni più comuni generate durante il post-processing troviamo:

• grafici;
• modelli geometrici con valori rappresentati tramite mappe di colore;
• superfici che mostrano i campi di risultati a un determinato valore;
• visualizzazioni del moto dei fluidi mediante linee di corrente, campi vettoriali rappresentati con frecce o percorsi della luce rappresentati come raggi;
• geometrie deformate;
• tabelle;
• file contenenti i valori dei risultati e le coordinate spaziali corrispondenti.

Le rappresentazioni geometriche colorate in base ai valori calcolati costituiscono la forma di output più comune nel post-processing. Nella maggior parte dei casi, gli ingegneri utilizzano il post-processing per verificare e validare i progetti; supportare il processo decisionale durante la progettazione e migliorare i processi produttivi.

Una parte essenziale della CAE consiste nel modificare il modello e risolverlo nuovamente per valutare in che modo le modifiche influenzino i risultati. Questo processo può essere eseguito: manualmente dall'ingegnere; automaticamente tramite cicli iterativi, detti ottimizzazione, che variano in modo parametrico gli input utilizzando algoritmi in grado di convergere verso i valori di output desiderati. La maggior parte dei moderni software CAE prevede funzionalità di scripting che consentono agli ingegneri di automatizzare e controllare tali iterazioni. Sempre più spesso questa automazione viene realizzata tramite API Python, come PyAnsys, che fornisce un accesso nativo in Python agli strumenti software della famiglia Ansys.

Dal punto di vista tecnico, la CAE comprende qualsiasi tipo di simulazione in cui il computer viene utilizzato per calcolare il comportamento di un prodotto. Gli ingegneri possono classificare le simulazioni in base al tipo di fenomeno fisico analizzato o al tipo di solver impiegato.

Tipologie di CAE in base alla fisica simulata

• Analisi strutturali e meccaniche    
  • Analisi strutturale: studio della flessione e della deformazione dei materiali sottoposti a carichi statici.
  • Analisi dinamica: studio della deformazione dei materiali sotto carichi variabili nel tempo e della risposta alle frequenze naturali. Include anche le simulazioni acustiche.
  • Dinamica esplicita: analisi della deformazione e della flessione su intervalli temporali molto brevi.
  • Dinamica multicorpo (Multibody Dynamics, MBD): studio dello spostamento relativo dei corpi all'interno di un sistema. Quando la quantità di moto non viene considerata, il modello descrive principalmente la cinematica del sistema.
• Analisi termiche e fluidodinamiche
  • Termodinamica: studio della generazione di calore e del trasferimento di energia all'interno di un sistema.
  • Combustione e dinamica molecolare: generazione di calore dovuta a reazioni chimiche.
  • Trasferimento di calore o analisi termica: studio del movimento del calore attraverso un sistema mediante convezione, conduzione e irraggiamento.
  • Fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics - CFD): analisi del flusso dei fluidi in un sistema mediante la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes.
• Elettronica ed elettromagnetismo:
  • Simulazione di circuiti: analisi del flusso di corrente e dei valori di tensione nei sistemi elettrici.
  • Simulazione logica e RTL: analisi dei segnali digitali nei circuiti elettronici.
  • Elettromagnetismo a bassa frequenza: studio dei campi elettromagnetici in cui la lunghezza d'onda è molto maggiore delle dimensioni dell'oggetto analizzato.
  • Elettromagnetismo ad alta frequenza: studio dei campi elettromagnetici in cui la lunghezza d'onda è inferiore alle dimensioni dell'oggetto.
  • Simulazione dell'integrità del segnale: analisi dell'interazione dei segnali tra diversi circuiti elettronici.
• Altre tipologie:
  • Simulazione di sistema (1D): Rappresentazione del sistema tramite blocchi, in cui ciascun blocco rappresenta un componente del sistema.
  • Simulazione del processo: simulazione monodimensionale di qualsiasi tipo di processo, dai processi chimici alla gestione della supply chain.
  • Technology CAD (TCAD): Simulazione del funzionamento fisico dei transistor all'interno di un circuito integrato (IC).
  • Simulazione ottica: studio del comportamento della luce, inclusi rifrazione; riflessione; irraggiamento e assorbimento.
  • Multifisica: combinazione di due o più fenomeni fisici all'interno della stessa simulazione. Le applicazioni multifisiche più comuni sono interazione fluido-struttura (FSI – Fluid-Structure Interaction) e simulazioni elettro-termiche.

Tipi di CAE in base al solver

Uno stesso fenomeno fisico può essere risolto con differenti tipi di solver. Ad esempio, una simulazione di trasferimento termico può utilizzare il metodo degli elementi finiti; il metodo delle differenze finite e il metodo dei volumi finiti.

Di seguito sono riportati i tipi di solver più comunemente citati dagli ingegneri quando descrivono l'approccio CAE utilizzato:

• Analisi agli elementi finiti (FEA): calcola le grandezze all'interno degli elementi di una geometria discretizzata utilizzando metodi di algebra lineare. È l'approccio più diffuso nella CAE ed è utilizzato soprattutto per analisi strutturali, simulazioni elettromagnetiche e analisi termiche.
• Analisi alle differenze finite (FDM): calcola i valori incogniti in punti discreti del modello. Viene spesso impiegata per simulazioni di sistema, simulazioni circuitali e modellazione di processi. È adatta a rappresentazioni semplificate e, in alcuni casi, può essere eseguita in tempo reale.
• Analisi ai volumi finiti (FVM): calcola le incognite all'interno di piccoli volumi preservando la conservazione di massa ed energia. È il metodo di soluzione più utilizzato nelle simulazioni CFD.
• Analisi agli elementi di contorno (BEM): risolve i campi fisici utilizzando una rappresentazione discretizzata delle superfici degli oggetti presenti nel sistema.
• Metodo degli elementi discreti (DEM): calcola posizione e quantità di moto delle singole particelle. Viene utilizzato per simulare materiali granulari o sfusi, come rocce, cereali e polveri.
• Idrodinamica a particelle levigate (SPH): calcola le grandezze fluidodinamiche utilizzando particelle anziché volumi discreti. È particolarmente efficace per simulare il movimento oscillatorio dei liquidi in contenitori e le onde.
• Ray tracing: calcola velocità, energia, riflessione, rifrazione e assorbimento della luce e del suono.

L'uso efficace delle soluzioni CAE è potenziato dall'impiego dei computer a supporto di altre fasi lungo l'intero ciclo di vita del prodotto, inclusi lo sviluppo del prodotto, la produzione e la manutenzione. Non solo ciascuna area trae vantaggio, in molti degli stessi modi, da un approccio di ingegneria digitale, ma i dati possono anche fluire più facilmente da e verso gli strumenti CAE.

Le forme più comuni di ambiti "computer-aided":

• Computer-aided design (CAD): l'utilizzo di software per lo sviluppo dei prodotti è iniziato con il passaggio dai disegni fisici bidimensionali ai disegni CAD e successivamente ai modelli solidi. L'uso del CAD rappresenta uno standard di fatto da decenni. Quasi tutti gli strumenti CAE supportano una stretta integrazione con gli strumenti CAD per lo scambio di geometrie e parametri dimensionali.
• Progettazione elettronica assistita da computer (ECAD): analogamente al CAD nell'ingegneria civile e meccanica, l'ECAD è un insieme di strumenti software che supportano lo sviluppo del prodotto, concentrandosi sulla configurazione dei sistemi elettrici ed elettronici. L'ECAD viene utilizzato per la definizione del prodotto, dai transistor all'interno di un circuito integrato fino al layout di una scheda a circuito stampato multilayer (PCB). Il termine Electronic Design Automation (EDA) si riferisce agli strumenti che supportano gli ingegneri nella progettazione, simulazione, verifica e produzione di PCB e circuiti integrati.
• Computer-aided manufacturing (CAM): il CAD è inoltre integrato con strumenti che supportano la pianificazione e l'esecuzione della produzione tramite software CAM. Gli strumenti CAM possono essere utilizzati per attività che spaziano dalla programmazione di sistemi di lavorazione a controllo numerico computerizzato (CNC) fino alla gestione di robot e linee di assemblaggio automatizzate.
• Computer-aided process planning (CAPP): gli ingegneri di produzione e di processo utilizzano inoltre strumenti CAPP per pianificare e ottimizzare i processi, talvolta integrando strumenti CAE per la prototipazione virtuale delle diverse soluzioni.

L'unica costante nel mondo della CAE è stata il continuo miglioramento delle capacità e della velocità, sfruttando i progressi dell'hardware informatico, dei metodi numerici e della progettazione delle interfacce utente. Questa tendenza prosegue con lo stesso obiettivo: migliorare accuratezza, facilità d'uso e prestazioni dei solver.

Di seguito sono riportati alcuni sviluppi che dovrebbero portare ulteriori miglioramenti nei prossimi anni.

Intelligenza artificiale generativa (AI)

Il software CAE utilizza l'intelligenza artificiale, in particolare il machine learning (ML) e i sistemi avanzati, da decenni. La ricerca attuale si concentra sulle reti neurali e sull'integrazione dei modelli linguistici di grandi dimensioni (LLM) nell'esperienza utente e nei solver. Gli utenti possono già sfruttare questa tecnologia nell'interfaccia utente con strumenti come Ansys Engineering CoPilot durante le fasi di pre- e post-processing in un'ampia gamma di strumenti Ansys, nonché sul lato dei solver con la piattaforma di simulazione basata sull'AI Ansys SimAI, la piattaforma per la gestione della geometria Ansys GeomAI e il software per gemelli digitali basato su AI Ansys TwinAI.

Unità di elaborazione grafica (GPU)

I solver CAE beneficiano della stessa massiccia parallelizzazione delle operazioni vettoriali utilizzata nell'elaborazione grafica e nell'addestramento dei modelli di AI generativa. Gli sviluppatori possono ottimizzare gli algoritmi di algebra lineare, consentendo l'utilizzo di modelli più grandi e tempi di calcolo più rapidi.

Miniaturizzazione dei circuiti integrati e miglioramento della gestione energetica

Lo stesso vale per i continui miglioramenti di CPU, GPU e circuiti integrati di memoria. Dimensioni sempre più ridotte consentono di integrare un numero maggiore di transistor e di raggiungere frequenze di clock più elevate, a vantaggio degli strumenti CAE. Vale la pena sottolineare che gli strumenti CAE svolgono un ruolo fondamentale anche nella progettazione di questi chip avanzati.

L'industria aerospaziale è stata la prima a trarre vantaggio dagli strumenti CAE, ma il loro utilizzo si è progressivamente esteso a numerosi altri settori. Di seguito alcuni ambiti in cui i flussi di lavoro CAE sono ormai parte integrante del processo di progettazione.

• Applicazioni aerospaziali e della difesa (A&D): la CAE è una componente essenziale dello sviluppo dei prodotti e della gestione del loro ciclo di vita nei settori aerospaziale e della difesa fin dagli anni Settanta e continua a essere un elemento chiave dei processi operativi. Il suo impiego è motivato dagli elevati costi del settore, dai bassi volumi produttivi, dagli ambienti difficili da testare e dai rigorosi requisiti di sicurezza.
• Automotive: nel tempo, l'industria automobilistica ha adottato la CAE in misura comparabile al settore aerospaziale e della difesa. L'utilizzo è guidato da analoghe esigenze di sicurezza, oltre che dalla crescente complessità dei veicoli, dalla forte concorrenza e dalla pressione sui costi.
• EdiliziaE: anche gli ingegneri impegnati nella realizzazione di grandi strutture per applicazioni di ingegneria civile traggono notevoli benefici dall'applicazione della CAE durante tutte le fasi del processo. La CAE è da sempre una componente fondamentale dell'ingegneria strutturale, ma il suo utilizzo si è ampliato grazie alla simulazione dei sistemi di edifici, autostrade, reti fognarie e molto altro. Questo settore è stato tra i primi ad adottare il concetto di gemello digitale (digital twin).
• Elettronica: i moderni circuiti integrati non potrebbero essere progettati senza l'utilizzo di strumenti CAE per guidare e validare i progetti. Anche il raffreddamento, il packaging e la produzione di sistemi elettronici complessi dipendono fortemente dall'impiego di software CAE per la progettazione e l'ottimizzazione.
• Generazione di energia: un altro gruppo di pionieri nell'adozione della CAE è costituito dagli ingegneri che progettano, costruiscono e mantengono impianti e apparecchiature per la generazione di energia. Dalle turbine a vapore ai reattori nucleari modulari, quasi ogni componente e sistema viene modellato e testato virtualmente.
• Esplorazione ed estrazione mineraria, petrolifera e del gas: a causa degli elevati costi e dei potenziali ritorni economici, gli ingegneri impegnati nella ricerca e nell'estrazione delle risorse naturali utilizzano strumenti di simulazione sia per individuare i giacimenti sia per progettare i macchinari e i sistemi necessari all'estrazione.

Il valore degli strumenti software CAE è dimostrato dall'enorme numero di soluzioni disponibili per gli ingegneri. Nella scelta degli strumenti più adatti, i team dovrebbero considerare i seguenti aspetti:

• Fornisce le informazioni necessarie per i prodotti su cui lavoriamo?
• Si integra perfettamente con il nostro CAD e supporta una parametrizzazione bidirezionale?
• È facile da apprendere e utilizzare?
• Dispone di documentazione online utile e di un supporto tecnico efficace, inclusa assistenza specialistica quando necessario?
• Esiste una vasta comunità di utenti da assumere o ingaggiare?
• I solver sono moderni, efficienti e in grado di sfruttare le più recenti tecnologie hardware?
• Il team di sviluppo introduce continuamente nuove funzionalità e miglioramenti?
• Supporta simulazioni multifisiche?
• Offre strumenti di post-processing robusti che trasformano rapidamente i risultati in informazioni utilizzabili?
• Il team può personalizzare facilmente il pre-processore o automatizzare le attività?
• Le funzionalità di ottimizzazione e gli studi parametrici sono integrate fin dalle fondamenta?

La suite di strumenti Ansys, part of Synopsys, risponde positivamente a tutte queste domande.

Analizzare più da vicino i prodotti di punta consente di comprendere quanto gli strumenti CAE si siano evoluti e il valore che apportano ai team di ingegneria.

CAE nella progettazione 3D

Ansys Discovery è un software di simulazione di prodotto 3D leader nel settore, progettato per lavorare in stretta integrazione con il CAD. In un'unica interfaccia intuitiva offre modellazione e modifica della geometria; analisi strutturali; analisi termiche; simulazioni fluidodinamiche e ottimizzazione del progetto. Rappresenta inoltre un eccellente esempio di integrazione delle GPU nei solver avanzati per fornire risultati quasi in tempo reale e, più recentemente, di utilizzo dell'intelligenza artificiale per guidare gli utenti meno esperti nei flussi di lavoro di simulazione. Una volta completata la simulazione nell'ambiente di progettazione 3D, gli ingegneri possono trasferire il modello verso strumenti dedicati ad analisi fisiche dettagliate e multifisiche. Ad esempio, gli utenti di Discovery possono passare a prodotti di punta quali Ansys Mechanical, per l'analisi strutturale agli elementi finiti (FEA), Ansys Fluent, per la simulazione dei fluidi (CFD) e Ansys HFSS, per la simulazione elettromagnetica ad alta frequenza.

Una simulazione CFD in Ansys Discovery 3D mostra la risoluzione quasi in tempo reale di un sistema di ventilazione.

Analisi strutturali, dinamiche e termiche

Gli ingegneri di tutto il mondo considerano Mechanical il proprio punto di riferimento per l'analisi FEA. Sebbene sia principalmente focalizzato sulla simulazione di fenomeni strutturali, vibrazionali e termici, supporta anche acustica; tensioni elettriche; meccanica della frattura e numerosi altri fenomeni fisici. Le simulazioni possono includere non linearità e dipendenze temporali, il tutto all'interno di una piattaforma aperta e personalizzabile tramite script, dotata di parametrizzazione e ottimizzazione integrate.

Simulazione fluidodinamica

Fluent rappresenta uno degli esempi più significativi di piattaforma CFD completa e robusta, utilizzata per modellare la dinamica dei fluidi in numerosi settori. Poiché la risoluzione dei problemi CFD è generalmente molto impegnativa dal punto di vista computazionale, Fluent dimostra anche come il calcolo ad alte prestazioni (HPC) e le GPU possano essere sfruttati per supportare modelli più grandi e accurati.

Elettromagnetismo ad alta frequenza

Lo standard di riferimento del settore per le simulazioni CAE elettromagnetiche ad alta frequenza è Ansys HFSS. Dalle schede elettroniche (PCB) alle antenne impiegate nelle missioni spaziali, gli ingegneri utilizzano questo strumento basato sul metodo degli elementi finiti (FEA) per progettare dispositivi elettronici e sistemi di comunicazione che hanno contribuito a plasmare l'economia moderna. HFSS rappresenta un eccellente esempio di funzionalità avanzate, semplicità d'uso ed efficienza esecutiva.

Analisi termica dell'elettronica

L'ultimo esempio riguarda quella che il settore definisce un'applicazione verticale, ossia uno strumento CAE sviluppato per un caso d'uso specifico. Ansys Icepak è un software di simulazione per il raffreddamento dell'elettronica costruito sui solver di Fluent e progettato specificamente per il raffreddamento dei dispositivi elettronici, la simulazione termica delle PCB e l'analisi termica.

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