CAELINUX CODE-ASTER Gianfranco PONCINI.

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1 CAELINUX CODE-ASTER Gianfranco PONCINI

2 Le note in rosso sono state aggiunte per chi non ha potuto ascoltare la presentazione di persona

3 Cosa è CAELINUX? E' una distribuzione basata su UBUNTU a 64 bit che comprende una serie di pacchetti software sviluppati da EDF (Electricitè de France) per le applicazioni ingegneristiche. Include CAD, elementi finiti, fluidodinamica computazionale, programmi di visualizzazione.

4 E' liberamente scaricabile dal sito sotto forma di Iso da circa 3.7 GB, Sul sito sono anche disponibili versioni precedenti La versione 2008 (circa 2.6 GB) è a 32 bit e gira sulle CPU meno recenti, ma non comprende gli ultimi aggiornamenti.

5 Presentazione del sito

6 Cosa include? Il pezzo forte è il pacchetto SalomeMeca + Code Aster che integra CAD ed elementi finiti, con preprocessing, meshing, calcolo e postprocessing per l' analisi dei risultati. Questo pacchetto è anche disponibile da solo sul sito Ci sono i sorgenti (circa 200 MB), I binari a 32 e 64 bit da circa 500 e 820 MB e la documentazione.

7 Pertanto anche I PC a 32 bit possono usare il pezzo migliore del più recente CAELINUX. E' possibile la compilazione, ma è un' impresa non banale. Sono richiesti Python, il compilatore Fortran e sono suggeriti due diversi compilatori C. La documentazione completa è in francese e da poco è anche tutta in inglese (l' italiano scordiamocelo).

8 Cosa comprende? Oltre a Salome Meca CAELinux include: GMSH Code Saturne OpenFOAM Paraview Scillab un meshatore open source fluidodinamica computazionale 3D fluidodinamica computazionale 3D visualizzatore di formati commerciali tipo MatLab, ma open source... e molto altro (inclusi i pacchetti standard Linux)

9 Chi ha sviluppato Salome Meca e Code Aster? Lo sviluppo è opera di EDF (Electricitè de France), che progetta i suoi impianti, dalle dighe ai reattori nucleari, usando il suo software. Davanti alla decisione di metterlo a disposizione di tutti, nel formato open source e nello spirito di servizio pubblico, non si può che restare ammirati.

10 Finalità della presentazione Scopo della presentazione non è insegnare gli elementi finiti a chi già li conosce, ma mostrare che il software open source in ambiente Linux rende questa tecnica di progettazione accessibile, anche a chi la riteneva impegnativa e costosa da utilizzare. Non è per insegnare ma per incoraggiare

11 Finalità della presentazione (2) Naturalmente non si nasconde la complessità insita nel metodo, la preparazione di base come progettisti rimane indispensabile: Bisogna sempre sapere cosa si sta facendo

12 Cosa sono gli elementi finiti? La fisica descrive il mondo con equazioni differenziali assai eleganti, ma difficilissime da risolvere. Salvo rari casi di equazioni famose (Bernoulli, De Saint Venant e altre) una soluzione analitica esatta non esiste. Da molto tempo i matematici hanno studiato soluzioni numeriche, ma fino all' avvento del calcolo elettronico anche queste erano applicabili a pochi casi

13 Metodi numerici I metodi numerici per le risoluzioni di equazioni differenziali della fisica sono molti. I più usati sono: Metodo degli elementi di contorno Metodo degli elementi finiti (FEM) Metodo delle differenze finite

14 Metodo delle differenze finite Viene costruita una griglia di punti che approssima il corpo da studiare e le derivate vengono sostituite con differenze appunto finite. Problemi semplici a 1 o 2 dimensioni si possono risolvere anche a mano. Usato in passato il metodo di Schmidt per il calcolo termico, in grado di risolvere agevolmente problemi stazionari e transitori.

15 Vantaggi e svantaggi Facile da implementare Necessita di una grigliatura a passo costante per ciascuna dimensione, difficile rappresentare bene oggetti reali

16 Metodo degli elementi di contorno (BEM) Si applica ai problemi in cui le equazioni differenziali possono essere riformulate come equazioni integrali. In tal modo deve essere modellato e grigliato solo il contorno del corpo da studiare. Si applica molto bene all' elettromagnetismo dove è più noto come metodo dei momenti.

17 Vantaggi e svantaggi Nato poco dopo gli elementi finiti il metodo è meno sviluppato. Matematicamente è più complesso e si applica male ai problemi non lineari. I promessi vantaggi computazionali sono poco influenti considerando l' enorme potenza dei PC moderni. Ha tuttavia adepti con una devozione quasi religiosa e nulla si può dire sugli sviluppi futuri.

18 Metodo degli elementi finiti (FEM) Risolve le equazioni in maniera esatta su piccoli domini tipo mattoncini Lego e poi assembla i mattoncini per formare la struttura completa. I mattoncini studiati sono di diversi tipi, a dimensioni e, salvo alcune limitazioni, possono lavorare mescolati insieme.

19 A differenza dei Lego i mattoncini sono di forma plasmabile, purchè non troppo distorta, e qualunque forma reale può essere agevolmente modellata.

20 Vantaggi Il metodo FEM è basato su una matematica semplice ed elegante, estendibile a moltissimi problemi. E' assai studiato e documentato, esiste tantissimo software, anche open source. I migliori matematici hanno sviluppato algoritmi per velocizzarlo e risolvere problemi teorici. C' è una vasta comunità internazionale con ampio scambio di informazioni e debugging.

21 Svantaggi C' è una consolidata tradizione di metodo difficile da usare, time consuming bisognoso di risorse umane qualificate e con software commerciale assai costoso. Utilizzato dalle grandi organizzazioni è visto con sospetto dalle piccole aziende e dai progettisti individuali.

22 Svantaggi (2) Le caratteristiche dei materiali edili, anisotropi e sovente non uniformi, rendono gli elementi finiti poco amati nell' ambiente. Inoltre le necessità di documentazione legale possono essere un problema, con programmi commerciali chiusi, sovente stranieri.

23 In principio fu il Nastran Sviluppato dalla NASA per progettare i veicoli spaziali il Nastran è stato il primo grande progetto in materia, che ha dettato linee guida ancora valide, soprattutto struttura modulare e programmabilità interna.

24 Fasi storiche successive Dopo i primi programmi di puro calcolo, con i dati preparati a mano e i dati letti su tabulati, sono venuti i meshatori, in grado di generare la griglia di elementi da forme dapprima semplici, poi sempre più complesse. Infine la generazione diretta a partire dai dati CAD, a creare il Computer Aided Engineering (il CAE di CAELinux). Le versioni open source hanno seguito con debito ritardo quelle commerciali.

25 Effetti sulla vita di ogni giorno Le attuali possibilità di calcolo impattano sulla vita di ogni giorno. Gli oggetti moderni, leggeri, ottimizzati, di forme morbide, esistono perchè si riescono a produrre, ma anche perchè non si è più vincolati alle sole forme che una volta si riuscivano a calcolare

26 Un esempio Confronto fra le forme di una volta e quelle moderne

27 Un primo esempio con CAELinux Salome Meca + Code Aster è il pacchetto CAE usato per esaminare uno schema (semplificato per comodità di visualizzazione) di uno stampo per plastica. La plastica viene iniettata liquida, poi viene raffreddata da acqua che passa in tubi vicini per farla solidificare prima dell' espulsione dallo stampo. Il confronto è fra soluzioni a 4 e 8 tubi su uniformità di temperatura e sollecitazioni sul materiale.

28 Schema dello stampaggio (Stampo, pezzo e controstampo)

29 Mesh a 4 e 8 fori

30 Confronto uniformità di temperatura

31 Confronto sollecitazioni del materiale La sollecitazione media cresce, ma quella massima cresce di poco, essendo concentrata intorno ai fori

32 Visualizzazione deformata Come si vede, con un solo modello di calcolo si esaminano dati fisici diversi fra loro Valutare la deformazione è importante per la precisione di stampaggio

33 Una vera pressa a iniezione

34 E dei veri stampi

35 Li riconoscete? Sono quelli che stampano i mattoncini Lego

36 Un' applicazione di Code Aster alle vibrazioni Si esaminano le frequenze proprie e i modi di vibrare di una torre a traliccio, come quelle che sostengono antenne e/o grosse lampade per illuminare ad esempio, campi sportivi. Con la loro struttura snella possono essere sensibili a vibrazioni del suolo indotte, per esempio, dal passaggio di mezzi pesanti.

37 Schema di una struttura un po' più strana del solito. I punti di appoggio al suolo sono fissi E' una torre alta circa 25 metri vista nell' est europeo

38 Deformata del primo modo di vibrare (frequenza 2.8 Hz)

39 Deformata del terzo modo di vibrare (frequenza 9.7 Hz)

40 Modo di vibrare free-free Per modi di vibrare non vincolati è necessario modificare a mano lo script (il file.comm) generato automaticamente dal wizard, eliminando il comando di vincolo: Menu e documentazione sono in inglese, ma il linguaggio di programmazione interno rimane il francese (BLOCAGE = vincolo) BLOCAGE=AFFE_CHAR_MECA(MODELE=MODELE, DDL_IMPO=( _F(GROUP_MA='j', DX=0.0, DY=0.0, DZ=0.0,), ), );

41 Esempio: un albero a gomito per motore motociclistico, con e senza volano

42 Deformata del primo modo di vibrare (frequenza 1837 Hz). Tutti i punti ora si muovono

43 Deformata del primo modo di vibrare, ma con volano (frequenza 867 Hz). La situazione è da correggere (prima manovella troppo sollecitata)

44 Fluidodinamica computazionale CAELinux offre anche fluidodinamica computazionale tramite OpenFoam e Code Saturne, quest' ultimo integrato nella GUI di Salome Meca. Si tratta di matematica meno consolidata di quella strutturale, e i risultati vanno valutati con attenzione. Una verifica sperimentale è sempre necessaria, ma il calcolo aiuta ad eliminare prove inutili. Si propone un' applicazione alla ventilazione.

45 Schema della stanza (8 x 6 m) Ci sono due banchi di lavoro, quattro armadi, bocche di ventilazione e porta

46 Mesh del modello Come si vede è in negativo, i mobili nella stanza sono buchi nell' aria.

47 Risultati Si vedono i vettori velocità aria (molto bassa)

48 Risultati Si vedono le linee di flusso dell' aria

49 La funzione sociale di Linux Dopo questi esempi si può tornare a parlare di Linux. Le grandi organizzazioni usano tutte questi metodi da tempo. Ognuna sceglie un software commerciale e lo impone (o tenta di imporlo) alla costellazione dei suoi fornitori. Un ambiente di lavoro comune permette una visione comune, una comprensione comune e uno scambio di dati agevole e veloce.

50 E i piccoli? I piccoli viaggiano ognuno per conto proprio, con scarsi collegamenti e senza forza di contrattazione comune. Il software open source offre un coordinamento spontaneo che in questo caso può trasformarsi in open standard, come è già avvenuto con Arduino nei circuiti elettronici. E' probabilmente per questo che EDF ha deciso di regalare Code Aster, ovviamente nell' interesse dell' industria francese. Anche noi possiamo approfittarne.

51 Vantaggi per le piccole aziende Per le piccole aziende e i professionisti c' è un ambiente di lavoro moderno e avanzato in grado di superare le limitazioni delle vecchie formulette ottocentesche. Strutture complesse si possono dimensionare agevolmente a robustezza o a rigidezza secondo le necessità.

52 Vantaggi per i lavoratori e i giovani Nel nuovo mondo del lavoro sovente i dipendenti vengono trattati come professionisti non solo come inquadramento di fatto, ma come richiesta di capacità propositiva. La possibilità di fare piccole ricerche in proprio con il computer domestico che ormai quasi tutti possiedono rappresenta un vantaggio competitivo. E' più facile essere propositivi se si ha già un' idea di come funzionerà.

53 Il lavoro giovanile oggi Devi lavorare come un esperto, ma voglio pagarti come un apprendista

54 Vantaggi per le scuole Anche se questi metodi di progettazione sono tradizionalmente visti come di ambito universitario, non è male incominciare a trattarli negli istituti superiori tecnici. Con gli attuali tagli di bilancio il vantaggio del software open source non è certo da dimostrare, considerato anche l' altissimo livello e la documentazione teorica. Il primo posto in cui si impara è comunque sempre la scuola.

55 Vantaggi per la piccola edilizia La situazione geologica e sismica italiana e le nuove norme tecniche sulle costruzioni (D.M. 14/01/2008) impongono al settore obblighi sempre crescenti. Il suddetto decreto pur condividendo il già citato, tradizionale sospetto degli edili verso gli elementi finiti, impone verifiche che di fatto ne richiedono l' uso.

56 Documentazione di legge Il decreto impone nel caso di uso di codici di calcolo computerizzati la documentazione sulle ipotesi scientifiche, matematiche e sugli algoritmi usati. Impone inoltre una verifica di plausibilità dei risultati per confronto con le formulette tradizionali. Ciò è ragionevole, perchè quando un problema richiede la soluzione di equazioni in incognite è bene avere sempre qualche dubbio su cosa è effettivamente successo.

57 Documentazione di legge (2) Il decreto impone inoltre nei casi dubbi un confronto di congruenza fra due codici di calcolo diversi. Il vantaggio del software open source con i sorgenti disponibili non deve essere in questo caso dimostrato. Inoltre, volendo usare codici commerciali, dal punto di vista dei costi potrebbe essere un problema doverne usare due.

58 Cosa può fare CAELinux per migliorare la piccola progettazione edilizia? Una volta costruito il modello si possono fare le verifiche tradizionali e poi aggiungere verifiche ulteriori con un piccolo sforzo aggiuntivo. Anche se non tutte vanno messe nella relazione tecnica (le verifiche più complesse sono imposte solo per edifici molto grandi), non è proibito fare meglio per maggior tranquillità propria.

59 Come esempio una tipica struttura e la sua mesh

60 Verifica statica base

61 Verifica statica con rottura parziale nei punti più sollecitati

62 Verifica statica con vincoli elastici e con vincoli a cedimento imposto

63 Verifica pseudostatica con peso e inerzie sismiche laterali

64 Verifica del margine di carico all' instabilità elastica globale (buckling)

65 Modi propri di vibrare con prima frequenza propria a 3.5 Hz

66 Strutture miste E' inoltre possibile modellare agevolmente strutture miste, composte da muri maestri (eventualmente tagliati) e da travi in c. a. in eventuali ristrutturazioni o manutenzioni e verificare la situazione di strutture deformate da lenti cedimenti nel tempo. Volendo si può costruire un modello misto più complesso di struttura e terreno sottostante (anche gli edifici contigui se serve).

67 Vera analisi 3D delle strutture Dettaglio tridimensionale dei nodi visti non solo come confluenza di travi

68 Vera analisi 3D delle strutture (2) E' nei nodi che si ha la massima concentrazione di sforzi

69 Vento Per strutture di forma strana (discoteche, strutture commerciali, promozionali) si può stimare la forza del vento con il metodo CFD I bordi del grattacielo Pirelli dovevano essere arrotondati, ma formavano un profilo alare che generava portanza superiore alla resistenza

70 Verifica sismica con risposta alla forzante. L' integrazione diretta nel tempo di forze e accelerazioni di origine sismica è sempre stata computazionalmente assai pesante. Oggi una CPU quad-core può vedersela anche con questo, visto che Code Aster è stato ottimizzato per usare in modo parallelo tutte le CPU disponibili.

71 Verifica sismica con risposta alla forzante (2) Esaminando la documentazione si scopre che gli Eurocodici, che ispirano la normativa italiana, ricalcano molto bene quanto Code Aster è in grado di fare. Quasi sicuramente gli esperti di EDF hanno fatto consulenza tecnica nella preparazione delle leggi comunitarie. Quindi oggi Code Aster è quanto di meglio ci sia per fare le verifiche a calcolo richieste dalle nuove leggi! Ed è pure gratis!

72 E per finire..

73 Analisi statica della piramide di Cheope

74 Pressione sulla base (valore massimo 26 Kg/cmq) (contro un valore medio di circa 13)

75 Deformata sotto peso proprio

76 E analisi statica della piramide di Antioco I Commagene Costruita con piccole pietre accatastate, è impossibile da scavare, per cui a differenza delle altre piramidi è ancora inviolata. A modo suo un brillante esempio di ingegneria strutturale!

77 Non sapevano che era impossibile farlo. Quindi lo fecero. Bertrand Russell