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Come la CAE Migliora i Processi di Produzione ed i Prodotti

    Si vuole introdurre l’argomento con una definizione generale di quella che è l’impalcatura del calcolo numerico computerizzato e, parzialmente, ciò che ne deriva.

    Per farlo ci si chiede su cosa si basi la CAE e quale sia la teoria matematica alla base di questa tecnologia.

    La CAE è un’attività (termine improprio) che sfrutta strumenti di calcolo automatico (computerizzato) per simulare le prestazioni di un componente od un sistema di componenti, o di un processo. In gergo, con il termine CAE, ci si riferisce generalmente ai software dedicati. Questi ultimi sfruttano algoritmi di calcolo. Dal punto di vista teorico-matematico si servono dell’analisi numerica, ovvero di una branca della matematica applicata che risolve i modelli prodotti dall’analisi matematica alle scomposizioni finite. Si introduce così il concetto di approssimazione.

    Ebbene, se l’analisi matematica risolve problemi del continuo, l’analisi numerica risolve problemi discreti, ovvero formulati di modo che ogni elemento del problema sia un elemento finito (non quantificabile come infinitesimo -che ricade nel problema del continuo-).

    La Computer Aided Engineering (CAE) si avvale di diverse tecniche numeriche e metodi per risolvere problemi ingegneristici. Di seguito riportiamo alcuni metodi, fra i più noti:

    _FEM [Finite Element Method]

    _DEM [Discrete Element Method]

    _FVM [Finite Volume Method]

    In questo campo, così come nel campo dell’agricoltura si fa largo uso della metodologia DEM.

    Con il metodo DEM l’elemento interessato viene modellato come una serie di elementi discreti che interagiscono fra di essi in caso di reciproco contatto. Il comportamento meccanico del mezzo è descritto tracciando l’andamento delle forze che si sviluppano nei punti di contatto dei singoli elementi che lo compongono ed i movimenti relativi fra di essi. Infatti, mentre nei metodi al continuo (come il FEM) i contatti fra “unità elementari” rimangono invariati indipendentemente dalla risposta del modello, in quelli discontinui vengono aggiornati ad ogni iterazione in base alla posizione ed al movimento relativo dei singoli elementi. Grazie a questa peculiarità è possibile indagare l’evoluzione della risposta del sistema in condizioni di equilibrio stabile, limite ed a rottura, oltre la quale, a differenza dei metodi al continuo, è ammessa la separazione del dominio in blocchi che continuano a risentire delle sollecitazioni agenti.

    _analisi rotordinamiche di turbomacchine;

    _accoppiamenti tra rotordinamica e dinamica del basamento;

    _analisi termostrutturali su camera di combustione, palettatura, gruppo cassa;

    _analisi a creep e fatica secondo procedure codificate;

    _analisi di movimentazione anelli palette statoriche;

    _analisi sull’effetto delle tolleranze sulla fase di montaggio dei dischi;

    _analisi termo-strutturale su exhaust duct;

    _analisi da normativa su struttura reticolare di supporto.

    _analisi di fatica indotta da vibrazioni in impianti di piping e pipeline;

    _eventuali analisi di dettaglio a valle dei risultati [FEM, CFD 3D, CFD 1D, analisi acustiche, ecc.];

    _riqualifiche sismiche di centrali nucleari;

    _analisi del rischio sismico;

    e così via.

    Nel settore delle costruzioni la simulazione numerica supporta gli ingegneri ed i tecnici nella prevenzione di scenari provocati da incendi e fenomeni di propagazione dei fumi, nonché la simulazione di condizioni di esodo da edifici e mezzi. Ad esempio si possono effettuare simulazioni:

    _di incendio/aggressione termica [verifiche termo-strutturali, simulazioni di collasso, ecc.];

    _di incendio per l’ottenimento della curva HRR [calibrazione dei modelli di pirolisi];

    _ di propagazione di fumo [verifica/messa a punto di sistemi di rilevazione incendio];

    _di esodo [da edifici, mezzi di trasporto di massa, ecc.].

    Si potrebbe così ampliare la lista coinvolgendo altri settori industriali come quello Offshore, HVAC, eccetera; così come altre tipologie di analisi.

    Conclusione

    Abbiamo appena visto, tramite degli esempi, come il mondo della simulazione numerica possa, in modo più o meno esplicito, ottimizzare i processi di produzione e, più in generale, i sistemi fisici che gli ingegneri si trovano ad analizzare nel quotidiano, così come ridurre gli sprechi e migliorare l’efficienza degli stessi.

    Nel prossimo articolo si parlerà del ruolo della CAE nell’industria automobilistica.

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