MODERNA PROGETTAZIONE INDUSTRIALE

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1 MODELLATORI DI SUPERFICI I modellatori di superfici sono particolarmente indicati per la modellazione e realizzazione di oggetti di stile, dove risultano fondamentali caratteristiche imponderabili come la "levigatezza", la "morbidezza", la "bellezza". La modellazione di stile è nata grazie all'introduzione di un'adeguata rappresentazione matematica delle curve di forma libera modificabili interattivamente dopo la disegnatura. Un modello superficiale è una rappresentazione consistente di elementi geometrici bidimensionali (di spessore nullo) descriventi le superfici visibili (o di interesse) dell oggetto tridimensionale. 92

2 MODELLATORI PER NUVOLE DI PUNTI L'evoluzione dell'hardware dei computer ha avuto negli ultimi anni un andamento praticamente esplosivo; già qualche anno fa si riteneva che l'evoluzione dell'hardware fosse misurabile in termini di raddoppio della capacità di elaborazione, a parità di costo, ogni 18 mesi. Oggi è più corretto valutare il periodo di raddoppio in 8-10 mesi e si sta ancora accorciando. Questo fenomeno ha aperto la strada a sistemi di modellazione basati su tecniche impensabili solo qualche anno fa. In particolare per rappresentare una superficie complessa nello spazio si possono utilizzare una moltitudine di punti molto vicini fra loro, vale a dire una "nuvola di punti". La potenza dell'hardware è in questo caso fondamentale in quanto mentre per gestire una superficie NURBS è sufficiente gestire le equazioni parametriche governate dai pochi punti del reticolo di controllo, nel caso di nuvole di punti ogni singolo punto va gestito separatamente. 93

3 MODELLATORI PER NUVOLE DI PUNTI Per dare forma ad una nuvola di punti vengono usate tecniche che partono da uno schizzo bidimensionale e che fanno "crescere" la nuvola mediante semplici regole come, ad esempio, una crescita di tipo proporzionale (semplice o di grado superiore) alla distanza dai bordi della superficie. Ad esempio disegnando un cerchio nel piano X-Y ed impostando una legge di crescita di tipo proporzionale alla distanza dal bordo con andamento lineare si otterrà nello spazio X-Y-Z una nuvola di punti a forma di cono; impostando una legge quadratica si otterrà una semisfera. Poiché con queste tecniche si parte sempre da elementi nel piano non è possibile generare superfici qualsiasi ma solo superfici ad un solo valore di Z per ogni valore di X-Y. Questa caratteristica non è comunque troppo limitante, basti pensare che la maggior parte degli oggetti prodotti con le tecniche dello stampaggio e dell'imbutitura debbono rispettare tale caratteristica per essere tecnologicamente realizzabili. Ad esempio orecchini prodotti per stampaggio, monete, medaglie, lingotti possono essere tranquillamente modellati per nuvole di punti. Si pensi alla modellazione di un volto su una medaglia: in questo caso non ha molta importanza garantire morbidezza nelle superfici in quanto il soggetto da rappresentare non ha di per sé morbidezze, d altra parte modellare il volto con un modellatore di superfici NURBS è un impresa titanica e dal costo ingiustificabile. 94

4 MODELLATORI POLIGONALI Nel caso in cui l obiettivo finale della modellazione sia l animazione dei modelli a scopo pubblicitario o cinematografico, la strada dei solidi parametrici o delle superfici NURBS è assolutamente impraticabile. In effetti, per tali scopi, la qualità geometrica richiesta al modello è piuttosto scadente, mentre è richiesta una grande deformabilità del modello stesso per rappresentarlo nelle diverse posizioni e condizioni richieste da un animazione; si pensi ad esempio alla necessità di far assumere varie espressioni al volto di un personaggio animato. 95

5 MODELLATORI POLIGONALI Con i Modellatori Poligonali si parte da solidi molto semplici come coni, cilindri, sfere, per realizzare qualsiasi forma finale. Il solido semplice viene discretizzato trasformandolo in un reticolo di maglie poligonali, ogni poligono rappresenta una superficie piana o faccetta. Con opportuni strumenti è possibile tirare faccette o gruppi di faccette generando deformazioni della superficie del solido di partenza. Durante queste operazioni si è notevolmente agevolati dalla possibilità di impostare simmetrie ed altre relazioni fra le varie parti del solido. L oggetto grezzo trasformato viene poi facilmente ammorbidito da operazioni di smoothing automatiche fino a raggiungere con estrema facilità la forma voluta. Ciò che questi modellatori non sono invece in grado di garantire sono le dimensioni volute, potremmo quindi affermare che con un modellatore poligonale si ha un semplicissimo controllo delle forme ma non si ha il controllo delle dimensioni. Nel caso delle animazioni cinematografiche questa limitazione non è assolutamente importante, mentre è fondamentale il tempo di modellazione. A titolo di esempio la modellazione di un aereo da combattimento per un film di fantascienza può essere effettuata in alcuni minuti con un modellatore poligonale ma può richiedere giorni con un modellatore per solidi o superfici NURBS. 96

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7 Principali sistemi CAD commerciali: SOFTWARE CAD IN COMMERCIO Allplan (Nemetschek AG) AutoCAD (AutoDesk) CATIA (Dassault Systemes) IronCAD (IronCAD LLC) MicroStation (Bentley) Pro/Engineer (PTC) Rhinoceros (Robert McNeel & Associates) Solid Edge (UGS Corp.) SolidWorks (Dassault Systemes) think design (think3) Unigraphics (UGS Corp.) VectorWorks (Nemetschek AG) 98

8 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO ALLPLAN Allplan è il sistema CAD integrato che risolve, in un unica soluzione, tutti gli aspetti della progettazione architettonica e della gestione dell'ufficio, consentendo al professionista di affrontare tutti gli ambiti del proprio lavoro con la medesima filosofia operativa. Gli strumenti perfettamente integrati di Allplan consentono di unire tutte le fasi progettuali, mantenendo tutto costantemente aggiornato e sotto controllo. Con Allplan si spazia in modo continuativo e in piena naturalezza dallo schizzo a mano libera al modello architettonico 3D intelligente, ai computi metrici, alla presentazione animata. Tutte le fasi della progettazione e della costruzione vengono affrontate e risolte nello stesso ambiente operativo, con il medesimo modello architettonico, con la stessa metodologia di lavoro e senza inutili scambi e conversioni di dati. Allplan è un sistema CAD per la progettazione perché è orientato al progetto, ecco perché si differenzia sostanzialmente dai CAD di disegno. 99

9 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO AUTOCAD È utilizzato principalmente per produrre disegni bi/tridimensionali in ambito ingegneristico, architettonico, meccanico, elettrico ecc. Il documento prodotto è di tipo vettoriale, ovvero le entità grafiche sono definite come oggetti matematico/geometrici: questo permette, diversamente da quanto succede nei documenti grafici di tipo raster, di scalarle ed ingrandirle indefinitamente senza perdita di risoluzione. È un programma molto utilizzato nelle scuole per le innumerevoli funzioni e capacità che si possono sviluppare. La versione più recente è AutoCAD Esistono anche versioni ampliate per usi specifici, ad esempio AutoCAD Architecture (per la progettazione architettonica), AutoCAD Mechanical (per la progettazione meccanica) ed AutoCAD Map 3D (per la progettazione territoriale), ed i relativi software indicati per i diversi tipi di progettazione in 3D. Dal sito della Autodesk Education Community, è possibile scaricare gratuitamente l'ultima versione di AutoCAD, con licenza Studente. 100

10 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO CATIA CATIA è una suite integrata di applicazioni CAD, CAE e CAM per la definizione e la simulazione digitale di prodotti. Offre soluzioni PLM (Product Lifecycle Management) 3D avanzate per lo sviluppo cooperativo dei prodotti. Il suo modello unico di PPR (product process resources) e il suo approccio al workplace forniscono un ambiente realmente cooperativo che favorisce la creatività, la condivisione e la comunicazione delle definizioni di prodotti 3D e basate sul processo, migliorando la competitività e riducendo i tempi e i costi di produzione. La capacità di CATIA di acquisire e riutilizzare le competenze guida l'implementazione delle best practices di progettazione aziendale e consente agli utenti finali di concentrarsi sulla creatività e l'innovazione. L'architettura aperta di CATIA consente ad un numero sempre maggiore di fornitori di creare applicazioni specifiche nello stesso ambiente operativo. 101

11 CATIA SOFTWARE CAD IN COMMERCIO Settori di utilizzo: Mechanical Design Modeling basato su specifiche per part design, assembly design e drafting integrato Shape Design & Styling Creazione e modifica di superfici complesse ingegnerizzate o in forma libera Product Synthesis Automazione e verifica dei dati di progettazione e di produzione Equipment and Systems Engineering Progettazione e integrazione di impianti elettrici, idraulici e meccanici all'interno della simulazione digitale in 3D Analysis Prodotti di facile e veloce utilizzo per l'analisi strutturale di qualsiasi tipo di assieme Numerical Control (NC) Manufacturing Un portafoglio di prodotti 3D basato sulle competenze, realizzato su un'unica infrastruttura e rivolto a tutte le applicazioni CAM specializzate Infrastructure Una piattaforma scalabile per la creazione dei prodotti e la gestione dei dati di prodotto in modo cooperativo Education (Web-based Learning) 102

12 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO RHINOCEROS E un potente e sofisticato applicativo per la modellazione 3D di superfici classe A e solida. Rhino può creare, modificare, analizzare e tradurre curve, superfici e solidi NURBS a Windows. Non ci sono limiti per quanto riguarda la complessità, il grado o le dimensioni. Inoltre, Rhino supporta l'uso di mesh poligonali e di nuvole di punti. In particolare, il programma offre le seguenti caratteristiche: Strumenti illimitati per la modellazine free-form 3-D, che solo prodotti molto più cari possono offrire. Possibilità di modellare ogni forma immaginabile. Precisione, necessaria per il design, la realizzazione di prototipi, la progettazione, l'analisi e la realizzazione di qualsiasi modello, da un aereoplano ad un gioiello. Compatibilità con tutti gli altri programmi di design, drafting, CAM, ingegnerizzazione, analisi, rendering, animazione ed illustrazione. Lettura e riparazione di file IGES molto complicati. Accessibilità. Così facile da imparare e da usare che l'utente si può concentrare sul disegno e la visualizzazione senza essere distratto dal software. Velocità, anche su un normale laptop. Non richiede nessun hardware specifico. Alla portata di tutti. Hardware comune. Rapida curva di apprendimento. Stessa fascia di prezzo degli altri programmi Windows. Zero spese di mantenimento. 103

13 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO MICROSTATION MicroStation è il prodotto software leader per la realizzazione di progetti di grosse dimensioni. Esso rappresenta la base per le principali applicazioni nel settore delle costruzioni, della progettazione impiantistica, dei sistemi informativi territoriali e della progettazione meccanica. Potentissime funzionalità per il disegno 2D e potenti strumenti di odellazione e visualizzazione 3D permettono di trasformare le vostre idee in oggetti reali. L'architettura "event-driven" permette inoltre di aggiungere nuove funzionalità e applicazioni verticali in modo trasparente. 104

14 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO Da PRO/ENGINEER a CREO Indipendentemente dalle dimensioni del progetto, lo sviluppo prodotto è caratterizzato da esigenze universali. In sintesi, è necessario disporre di una soluzione potente, conveniente e di facile utilizzo in grado di assistere il team nella creazione di un prodotto di qualità superiore. Grazie a strumenti di produttività leader del settore, comprendenti la promozione di best practice nelle tecniche di modellazione e la garanzia di conformità agli standard aziendali e di settore, Pro/ENGINEER rappresenta lo standard più avanzato nell ambito della progettazione CAD 3D. Le soluzioni CAD/CAM/CAE integrate consentono una rapidità di progettazione senza precedenti, ottimizzando al tempo stesso i livelli di innovazione e qualità ai fini della creazione di prodotti vincenti. Grazie alla completa integrazione delle applicazioni, è inoltre possibile sviluppare qualsiasi tipo di prodotto, dalla concezione alla fabbricazione, con la certezza che ogni modifica di progettazione verrà automaticamente propagata in tutte le informazioni necessarie nel processo industriale. 105

15 Da PRO/ENGINEER a CREO SOFTWARE CAD IN COMMERCIO Funzionalità e vantaggi: Superamento degli obiettivi di qualità dei prodotti e time-to-market grazie a funzionalità complete di modellazione 3D Massima efficienza di produzione grazie alla generazione automatizzata di progettazioni di utensili associative, istruzioni di assemblaggio e codice macchina Possibilità di simulare e analizzare prototipi virtuali; ottimizzazione della progettazione e delle prestazioni dei prodotti Possibilità di condividere dati di prodotto digitali senza problemi tra tutti i membri dei team appropriati Compatibilità con una vasta gamma di strumenti CAD, con scambio associativo dei dati, e formati dati standard del settore 106

16 SOFTWARE CAD IN COMMERCIO THINK DESIGN Un nuovo sistema di CAD 3D basato su CAD.LAB Eureka. Thinkdesign è un sistema di modellazione parametrica di superfici e solidi dalle funzionalità 3D ed è costruito sul kernel geometrico propietario think3. Think Design offre modellazioni integrate di solidi, superfici e condutture di cablaggi, usando una topologia per trattare questo tipo di entità geometriche. Offre operazioni solide e basate sulle potenzialità del programma, come anche operazioni di forma su superfici e operazioni booleane fra le superfici. Parametri e restrizioni possono essere aggiunte ai modelli anche dopo che i pezzi sono già stati creati. Think Design offre una struttura ad albero per le operazioni svolte in maniera che l'utente possa disattivare, riordinare e rimuovere parte delle caratteristiche. 107

17 Architettura, urbanistica, ingegneria civile SETTORI DOVE IL CAD E USATO Arredamento: progettazione di interni. Elettrotecnica e meccanica: progettazione di apparecchi elettrici o meccanici. Industrial design: progettazione di oggetti di consumo, come mobili, recentemente anche abbigliamento. Impiantistica: progettazioni di tubazioni e cablaggi. Elettronica: progettazione di circuiti elettronici, a livello di schema elettrico, di circuito integrato o stampato, o di intero sistema. 108

18 CFD La Fluidodinamica Computazionale (brevemente detta CFD, Computational Fluid Dynamics) è la tecnica che permette lo studio dei problemi di fluidodinamica mediante l'utilizzo del computer. Viene largamente utilizzata nel campo dell'industria e della ricerca per tutte le problematiche che coinvolgono l'azione di fluidi (forze aerodinamiche, motori, pompe, impianti chimici, comfort ambientale, ecc...). Esistono oggi numerosi software di tipo commerciale che risolvono in questa maniera le equazioni della fluidodinamica. L'approccio tipico richiede di discretizzare il dominio fluido in celle elementari così da ottenere una griglia di calcolo (anche detta mesh), sulla quale applicare dei metodi di risoluzione iterativi al fine di risolvere le equazioni di Navier-Stokes. Sebbene sia possibile risolvere direttamente le equazioni di Navier-stokes nel caso di flussi laminari, i flussi turbolenti nelle applicazioni reali richiedono l'ausilio di un modello di turbolenza a causa dell'elevato costo computazionale che essi comportano. 109

19 CFD In tal caso un primo modo di procedere consiste nell'utilizzare una formulazione mediata delle equazioni di Navier-stokes (formulazione RANS) che richiede l'utilizzo di una o due ulteriori equazioni (ad esempio con il modello k-ε) per la chiusura del problema. Un altro approccio consiste nel simulare solamente le strutture vorticose più grandi e modellizzare ciò che accade per le strutture vorticose più fini (formulazione LES). In molti casi di studio devono essere risolte anche altre equazioni contemporaneamente alle equazioni di Navier-Stokes e alle equazioni del modello di turbolenza. Queste ulteriori equazioni (generalmente di tipo convettivo - diffusivo) possono comprendere quelle relative alla concentrazione di specie diverse (flusso multicomponente), di reazioni chimiche (flussi reagenti), irraggiamento termico, ecc... Problemi più complessi richiedono la modellazione di ulteriori fenomenologie, come nel caso dei flussi bifase (ad esempio gas / liquido) o nel caso di fluidi non Newtoniani. 110

20 METODI DI DISCRETIZZAZIONE Metodo ai volumi finiti (software Fluent) È l'approccio standard utilizzato nella maggior parte dei codici commerciali per la CFD. Le equazioni vengono risolte in un volume di controllo discreto. Il metodo numerico dei volumi finiti è un metodo utile nell'integrazione di equazioni differenziali alle derivate parziali. Tali equazioni vanno integrate in un volume sui cui confini sono imposte le condizioni al contorno. L'interno di tale dominio viene quindi suddiviso in tanti volumi elementari, quindi tramite la forma integrale delle equazioni del problema considerato vengono scritte le relazioni che intercorrono tra i vari volumetti confinanti così da poter essere risolte per via numerica con l'ausilio del calcolatore. L'approssimazione risiede nel fatto che tali volumetti hanno dimensione finita e non infinitesima. 111

21 METODI DI DISCRETIZZAZIONE Metodo agli elementi finiti Questo metodo (brevemente detto anche FEM) è generalmente utilizzato per analisi di strutture solide, ma viene applicato a volte anche allo studio dei fluidi. Metodo alle differenze finite Ha una grande importanza storica e risulta di semplice implementazione. Oggi viene comunque usato solo in alcuni codici specializzati. 112

22 PROCEDURA DI ANALISI Nei diversi approcci evidenziati la procedura di analisi risulta sempre, per grandi linee, simile: Viene definita la geometria (o dominio fisico) del problema da analizzare. Il volume occupato dal fluido viene discretizzato, cioè esso viene suddiviso in un gran numero di celle elementari generando così una griglia di calcolo. Viene definito il modello fisico (ad esempio, le equazioni del moto + l'equazione dell'energia + le equazioni delle specie) e quindi quello numerico (metodo di discretizzazione delle equazioni, algoritmi per la risoluzione delle equazioni). Vengono definite le condizioni al contorno. Ciò impone di specificare le proprietà del fluido ai confini del dominio di calcolo. Per problemi dipendenti dal tempo, devono essere specificate le condizioni iniziali. Vengono risolte le equazioni in maniera iterativa. Il calcolo viene interrotto una volta che sia stato raggiunto il grado di accuratezza desiderato. I risultati prodotti vengono visualizzati con mezzi grafici: curve sul piano cartesiano, isolinee, isozone, rappresentazioni grafiche tridimensionali. Si effettua, infine, l'analisi dei risultati. 113

23 SOFTWARE CFD DISPONIBILI I programmi per la CFD si basano su alcune particolari condizioni al contorno. La legge di conservazione del momento stabilisce che il momento totale di un sistema rimane costante indipendentemente da come il sistema cambia. Una condizione al contorno limita il come e il dove il fluido si sposta. Per esempio, il movimento di un fluido deve rimanere tangente o parallelo alla superficie di un oggetto che lo attraversa. Senza le condizioni al contorno non sarebbe possibile risolvere le equazioni che descrivono le dinamiche dei fluidi. Le equazioni espresse in calcolo differenziale, sono modernamente risolte ricorrendo ad una serie di approssimazioni utilizzando algoritmi che risolvono iterativamente i set di equazioni approssimate, fino ad arrivare a una soluzione che presenta un errore sufficientemente accettabile per i parametri di accuratezza stabiliti. E da notare però, che una volta che un algoritmo è stato sviluppato, al fine di poterlo utilizzare per ottenere la soluzione del fluido intorno a corpi quali scafi, derive e bulbi nello stesso momento, l intera superficie di tali corpi deve essere suddivisa in migliaia di piccole celle, che sono collettivamente definiti griglia. L algoritmo viene applicato a ogni cella; ogni cella influenza il flusso nell area vicina e dunque la soluzione deve tenere conto ai bordi dell area calcolata delle condizioni attorno. 114

24 SOFTWARE CFD DISPONIBILI Il programma impiegato deve pertanto risolvere le equazioni delle singole celle fino a quando la soluzione è in linea con le condizioni al contorno. I programmi modernamente disponibili pur ponendosi necessarie limitazioni dovute alla complessità del calcolo, sono comunque in grado di produrre dei risultati eccellenti. Un tipico esempio è il caso di un flusso molto vicino alla superficie di un oggetto (strato limite). In tale strato si esercitano delle forze nella direzione del moto che risultano in una resistenza viscosa. Queste forze sono descritte nell equazione di Navier Stokes, ma tale descrizione è così complessa che includerle in ogni programma aero o idrodinamico renderebbe la soluzione assai gravosa. Di conseguenza, sono a disposizione dei progettisti software basati sull equazione Navier Stokes con cui si ottiene direttamente la resistenza viscosa. Esistono tuttavia altri programmi, i codici a pannelli (VSAERO) per il calcolo della portanza resistenza applicata dal moto ondoso e resistenza indotta, in cui la resistenza viscosa è simulata utilizzando un modello di strato limite che interagisce con il flusso non viscoso. Una simulazione completa della resistenza della barca può essere quindi effettuata utilizzando entrambe le tipologie di programma. 115

25 METODO DEI PANNELLI I codici a pannelli (come VSAERO) e i Navier Stokes sono due classi di programmi per la CFD che sono comunemente utilizzati per la risoluzione dei problemi legati alla progettazione delle barche. I più utilizzati sono attualmente i codici a pannelli, che in maniera più veloce e con abbattimento di costi, predicono la resistenza prodotta dal moto ondoso, gli effetti di superficie libera, e la resistenza indotta dovuta alla portanza generata dalla chiglia o dal timone, ma generalmente non tengono conto della viscosità. I codici a pannelli partono dal presupposto che esistano solo forze normali o non viscose a cui lo scafo è sottoposto in immersione. In realtà, lo scafo, a causa della viscosità, è sottoposto a forze parallele alla superficie. In questo senso per i calcoli della resistenza viscosa si utilizzano i Navier Stokes, assai più complessi da utilizzare. VSAERO tuttavia, essendo accoppiato ad un solutore di strato limite integrale, è in grado di render conto di tali forze viscose. In tal senso fornisce l accuratezza di un codice Navier-Stokes, ma eseguendo le simulazioni a velocità di molto inferiori. L utilizzo dunque di tale codice consente l analisi di un numero di configurazioni superiore ad un codice Navier-Stokes, fornendo così un supporto al progetto estremamente più efficace. 116

26 APPLICAZIONI DELLA FLUIDODINAMICA Molte industrie usano la fluidodinamica computazionale (CFD) per modellare la meccanica dei fluidi. Sempre più ingegneri e progettisti ricorrono a questa tecnologia per risolvere i problemi legati alla termo-fluidodinamica. Alcuni impieghi della CFD: Aerospaziale e Difesa Alimentare Ambiente Automotive Biomedicale Celle a combustibile Chimica Elettrodomestici Elettronica HVAC&R Industria siderurgica Materiali Nucleare Oil & Gas Pompe Power Generation Produzione di Polimeri Semiconduttori/MEMS Sport Turbomacchine Vetro Programma universitario Materiali Miscelazione 117

27 GALLERIA DEL VENTO Una galleria del vento è un'apparecchiatura (anche di dimensioni ragguardevoli) utilizzata per compiere studi fluidodinamici e in particolare di aerodinamica. Infatti, qui si eseguono esperimenti per la misura degli sforzi che il vento provoca su una apparecchiatura (automobile, radiatore, ala di aereo, ecc...). In questo modo si evita di ricorrere a metodi di calcolo numerici assai complessi. 118

28 Bacino o canale opportunamente attrezzato nel quale si sperimentano i modelli in piccole dimensioni di carene navali o di eliche in progetto, allo scopo di individuare e risolvere i problemi di forma e dimensione delle carene delle navi e dei loro propulsori (eliche), per ottenere il massimo rendimento propulsivo. I risultati ottenuti vengono trasferiti al prototipo. VASCA IDRODINAMICA Vasche tradizionali Sono a pianta rettangolare, con sezione trasversale costante, che può essere diversa da una vasca navale all'altra e variare dalla forma rettangolare a quella semicircolare. Le vasche navali hanno lunghezze comprese tra i 17 e i 900 m ca, larghezza da 2,40 a 24 m e profondità da 1,22 a 6,70 m; i modelli hanno lunghezze da 1,2 a 9,10 m ca e le rimanenti dimensioni in rapporto. Sono riempite di acqua dolce, ferma. Il modello viene rimorchiato con vari sistemi, che gli conferiscono un moto rettilineo. La misurazione delle forze resistenti all'avanzamento viene effettuata quando il modello ha raggiunto una velocità costante con un dinamometro opportunamente collegato mediante un cavo o, negli impianti più moderni, con metodi elettrici. 119