Simulazioni CAE a supporto della definizione delle specifiche di prodotto
La definizione di specifiche di prodotto chiare, dettagliate e misurabili rappresenta una fase critica nel processo di sviluppo di nuovi prodotti, poiché determina in modo inequivocabile le funzionalità attese, i vincoli progettuali e i criteri di accettazione che guideranno l’intero ciclo di vita del progetto. Tuttavia, in contesti caratterizzati dall’assenza di normative consolidate o dalla necessità di introdurre soluzioni tecnologiche innovative, la definizione di tali specifiche può risultare particolarmente complessa e soggetta a incertezze.
In questo articolo riportiamo due case study che mostrano come le simulazioni CAE siano in grado di supportare la definizione di specifiche tecniche per prodotti innovativi, trasformando desiderata qualitativi in requisiti misurabili.
Gli esempi rappresentano casi studio reali: un’analisi FEM su una cassetta in HDPE e un’analisi CFD su un macchinario per il raffreddamento della pasta; per entrambi vengono messi in evidenza i vantaggi che si ottengono nell’affiancare il progetto con le verifiche a calcolo.
Caso Studio 1: Cassetta HDPE per Bottiglioni
E’ stato richiesto di ridefinire il design di una cassetta in polietilene ad alta densità per il trasporto e lo stoccaggio di bottiglioni di acqua da 10litri.
La nuova configurazione deve resistere a impilamenti in numero superiore rispetto alla precedente soluzione, essere leggera, pulibile e compatibile con le versioni esistenti.
Questi però sono tutti desiderata qualitativi, non specifiche misurabili. Prima di poter svolgere una verifica a calcolo della nuova configurazione si è dovuto quindi identificare uno o più criteri oggettivi con cui guidare la fase di redesign.
Il primo passo, determinato dall’esigenze di rappresentazione a calcolo, è stato capire quale fosse la condizione più gravosa per il prodotto.
In questa fase, l’obiettivo non era ancora ottimizzare la forma, ma comprendere il fenomeno strutturale dominante. Prima di cercare la geometria migliore, abbiamo realizzato un’analisi per definire il carico massimo della cassetta nella versione esistente. È stata identificata come condizione più gravosa quella della cassetta posta alla base della pila, cioè quella che sopporta l’intero carico sovrastante. Per questo abbiamo analizzato il comportamento a post-buckling con analisi statica non lineare per grandi spostamenti e contatto.
Nel modello numerico una superficie rigida impone lo spostamento mentre la superficie inferiore è vincolata.
La risposta del materiale è stata ipotizzata lineare con dati di un HDPE generico ricavati dalla letteratura tecnica. Questo approccio è frutto di esperienze pregresse che hanno dimostrato che l’utilizzo questa metodologia semplificata rispetto alla modellazione del creep è conservativa. Nella figura 5 possiamo notare un modulo elastico apparente di 490MPa a 23°C, per una durata di applicazione del caricodell’ordine di alcuni giorni, un coefficiente di Poisson pari a 0,40 per una densità di 0,955kg/dm³.
La scelta della caratterizzazione del materiale è rilevante: in assenza di una norma di riferimento perfettamente aderente al caso, il CAE aiuta a costruire uno scenario di calcolo comunque ragionato e coerente con il comportamento atteso del materiale.
L’analisi ha portato a valutare un carico massimo prima del collasso pari a 776kgf. Questo valore è stato quindi assunto come specifica minima di carico per le successive verifiche. Ed è probabilmente il punto più importante: la simulazione non è stata usata solo per verificare una specifica esistente, ma per contribuire a definirla. In altre parole, il CAE ha aiutato a trasformare un problema aperto in un requisito tecnico misurabile. Qui il CAE non verifica il requisito: qui il CAE genera il requisito.
Una volta fissato il riferimento di carico, si è passati a una serie di analisi su modelli via via più evoluti: dal modello esistente di riferimento, attraverso diversi concept, fino al modello ottimizzato finale.
Attraverso il confronto delle curve di risposta forza-spostamento delle diverse soluzioni ipotizzate si è visto che le geometrie, anche quando sembrano concettualmente vicine, si comportano in modo differente.
La configurazione ottimale ottenuta rappresenta un redesign robusto che permette:
- Riduzione di peso: -575g, pari a -21.5%.
- Tempo ciclo da 60” a 40”
- Resistenza all’impilamento aumentata
- Migliorata la pulibilità
- Mantenuta compatibilità di impilamento
In conclusione: la simulazione rappresenta uno strumento di scelta progettuale: consente di scartare concept meno promettenti e di indirizzare l’evoluzione verso configurazioni più robuste ed efficienti.
Caso Studio 2: Macchinario Raffreddamento Pasta
Il secondo case-study è relativo ad uno studio fluidodinamico di una macchina post-essiccazione di un impianto di produzione della pasta. L’obiettivo del cliente era ripensare la struttura del macchinario riducendone gli ingombri ed aumentandone l’efficienza energetica, mantenendo inalterate le prestazioni produttive.
La quantificazione dell’efficacia della produzione era una specifica non definita, pertanto mancava un criterio oggettivo per la verifica dell’impatto del redesign della macchina sulla produzione.
Si è proceduto quindi per passaggi successivi: in una prima fase è stato allestito un modello numerico che riproduceva il flusso dell’aria all’interno della macchina nello stato originario. Questo ha permesso di fornire al cliente sia una riprova dell’affidabilità del modello, dimostrata mediante comparazione tra risultati numerici e misurazioni sul campo, sia una quantificazione oggettiva del campo di velocità dell’aria sul prodotto da considerarsi come specifica per il successivo redesign.
Successivamente è stato svolto uno studio di ottimizzazione del redisign della macchina, progettato per consentire la riduzione degli ingombri. Dalle analisi numeriche è stato possibile sia identificare i dettagli progettuali che impattavano sull’efficienza energetica, proponendo modifiche correttive, sia garantire che l’efficacia produttiva venisse garantita ed ottimizzata. Il risultato è stato un redesign tale da soddisfare le specifiche di produzione definite nella precedente fase ed un sistema energeticamente più performante.
Benefici e Conclusioni
L’utilizzo di analisi CAE costringe a definire specifiche di progetto robuste.
Il ruolo nell’analista consiste nel guidare il dialogo con il progettista dalla fase di concept iniziale fino alla definizione del primo prototipo fisico. Da questo dialogo emergono gli aspetti critici che, quando affrontati in fase di progetto, consentono l’anticipazione di problematiche, sia implicite che esplicite. La corretta gestione di tali problematiche consente una riduzione significativa di tempi e costi di progetto.
L’analista pertanto non rappresenta un mero esecutore ma un partner strategico al fianco del progettista: lo aiuta a comprendere il sistema nelle sue modalità operative e ad identificare specifiche non immediatamente evidenti che prevengono criticità di progetto.
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