Introduzione al CAE - Computer Aided Engineering

Dal CAD al CAE

Fu negli anni ‘50 che i computer vennero inizialmente applicati nei processi di sviluppo dei prodotti. L’obiettivo di gran parte di quei programmi era quello di sostituire tecnigrafi, goniometri, curvilinee e gomme con programmi software che avrebbero semplificato la creazione e la modifica dei disegni tecnici 2D, di tipo sia meccanico che architettonico.

I nuovi programmi furono quindi chiamati strumenti di disegno assistito da computer o computer-aided drafting (CAD).

Quale successiva evoluzione, i programmi svilupparono metodologie di rappresentazione 3D dell’oggetto da disegnare, il modello. Per prima cosa si procedeva a disegnare la struttura reticolare dell’oggetto; quindi, si identificavano le superfici esterne e, successivamente, le parti piene e i volumi interni. I modelli 3D così realizzati offrivano alcuni vantaggi, come la possibilità di osservare il prodotto da diverse angolazioni, di calcolarne la massa e di eseguire la verifica delle interferenze. Il computer-aided drafting si è quindi evoluto nel computer-aided design (o CAD), ossia nella progettazione assistita da computer.

Prima dell’avvento dei computer, l’analisi richiesta per lo sviluppo di un qualsiasi prodotto veniva tradizionalmente eseguita mediante due metodi: (1) calcoli di soluzioni in forma chiusa eseguiti manualmente e (2) dati empirici raccolti in tabelle e manuali.

Entrambi i metodi presentavano degli evidenti svantaggi nel caso di prodotti complessi. Come analista strutturale in Lockheed Martin, ad esempio, io ero solito utilizzare le “Formule di Roark” per il calcolo degli sforzi e delle tensioni. Ebbene, raramente mi sono capitate delle occasioni dove ho potuto consultare una formula e inserirvi dei numeri. Nel mio trascorso di progettista alla Boeing, i manuali di riferimento per la progettazione e l’analisi di cui disponevamo si dimostravano irrilevanti per i lavori da svolgere sui nuovi prodotti che differivano dai velivoli esistenti.

In parallelo allo sviluppo degli strumenti di computer-aided drafting e computer-aided design, le potenzialità dei computer sono state applicate per risolvere i problemi di simulazione, come le analisi strutturali, termiche, modali, fluidiche, cinematiche e multifisiche. Anziché tentare una soluzione in forma chiusa, i modelli computerizzati:

• semplificavano e idealizzavano la geometria;
• dividevano la geometria in piccole unità come tetraedri, cunei o blocchi per i quali erano note soluzioni in forma chiusa;
• riconducevano l’intera struttura alla forma matriciale e,
• riducevano le matrici tramite condizioni al contorno in un sistema di equazioni risolvibile.

Quando questi strumenti di analisi e simulazione iniziarono ad essere utilizzati e successivamente incorporati negli strumenti CAD, si aprì l’era del computer-aided engineering (CAE), ossia dell’ingegnerizzazione assistita da computer.

I vantaggi del CAE

Perché il CAE è importante nello sviluppo dei prodotti? Osserviamo i seguenti aspetti.

Prototipazione e collaudo. Prima del CAE, per la validazione dei progetti le aziende utilizzavano prototipi per effettuarne il collaudo, ma questo processo era costoso e laborioso. Gli errori che emergevano durante la fase di collaudo richiedevano come minimo un altro ciclo di progettazione, prototipazione e test. Nel caso peggiore, bisognava ricominciare daccapo.

Beninteso: il CAE non è sostitutivo dei prototipi e del loro collaudo. Al contrario, offre un elevato livello di certezza sul fatto che si stanno eseguendo i giusti test e che il prodotto è in grado di essere impiegato nelle condizioni tipiche del suo ambiente operativo.

Efficienza. Incorporando la simulazione nel processo di progettazione, le aziende possono semplificare i loro flussi di lavoro. Ciò elimina le inutili iterazioni sequenziali di progettazione e analisi tipiche di quelle aziende che sono tradizionalmente organizzate in strutture a silos. Il CAE permette ai team di spendere meno tempo nella progettazione e più tempo nell’ingegnerizzazione.

Ottimizzazione. Le aziende che non possiedono le risorse o le persone per gestire il CAE cercano di compensare questa mancanza sovraingegnerizzando i loro prodotti, ad esempio utilizzando materiali capaci di garantire maggiore durata, aumentando gli spessori, aggiungendo componenti strutturali e incorporando più vincoli. Questi metodi aggiungono tuttavia peso e costi al prodotto.

Gli strumenti CAE permettono di simulare la risposta di un prodotto o di un componente alle condizioni di carico nell’ambiente operativo, consentendo all’ingegnere di validare il progetto. Il prodotto può quindi essere ottimizzato selezionando dei materiali alternativi, cambiando le dimensioni del modello e riducendo le quantità dei componenti. Gli strumenti CAE possono trovare la migliore soluzione possibile nello spazio di progettazione in termini di massa, volume, sforzi, temperatura, frequenze naturali, comportamento del flusso e altri parametri di interesse.

Tutti questi benefici si traducono in minori costi di sviluppo, in un time-to-market più veloce e in prodotti migliori che, senza ombra di dubbio, faranno la soddisfazione dei clienti.

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