CFD elettronica-meccanica

Ottenere prodotti migliori a costi minori con la progettazione guidata dalla simulazione

on 10 Settembre 2019

La progettazione guidata dalla simulazione consiste nell’uso della simulazione da parte dei progettisti (elettronici o meccanici) nelle prime fasi del processo di progettazione. In questo articolo vedremo come essa consente di ottenere prodotti più innovativi, una maggiore probabilità che tutto funzioni al primo tentativo, e minori probabilità che siano necessarie rilavorazioni significative nelle fasi avanzate del processo di progettazione.

Tutti sappiamo che la priorità numero uno dei progettisti è lanciare rapidamente sul mercato prodotti innovativi. In passato, ciò significava completare il progetto iniziale e consegnarlo a un gruppo dedicato di esperti di simulazione, per un’ulteriore iterazione e ottimizzazione del progetto. Mentre l’esperienza degli esperti è sempre apprezzata, il loro apporto nella fase finale del progetto è diventato sempre più un collo di bottiglia.

La tendenza oggi è diversa. Spinti dalle pressioni e dalle sfide del mercato, i progettisti migliori del settore applicano sempre più la simulazione durante la fase di progettazione.

progettazione guidata dalla simulazione (simulation driven design)

Pressioni e sfide che motivano la progettazione guidata dalla simulazione

Le pressioni e le sfide della produzione odierna stanno spingendo i progettisti a introdurre la simulazione nel team di progettazione e utilizzarla prima nell’ambito dell’iter progettuale.

I produttori sono sottoposti a pressioni per comprendere meglio il comportamento del prodotto già durante la fase di progettazione. La necessità di una maggiore innovazione è fondamentale ed è un catalizzatore per creare nuove opportunità di mercato. Oltre alla necessità di innovare, c’è un’enorme pressione per differenziare i prodotti in termini di qualità, affidabilità e funzionalità.

C’è meno tempo per sviluppare prodotti innovativi, a causa di programmi di sviluppo più brevi e della necessità di un time-to-market più rapido. C’è anche una continua domanda da parte dei clienti di prodotti a basso costo, nonostante richiedano, al tempo stesso, funzionalità più ricche e caratteristiche di prodotto “intelligenti”.

A tali pressioni si aggiungono le molte sfide che i progettisti devono affrontare.

I prodotti stanno diventando molto più complessi, ma allo stesso tempo c’è una minor tolleranza per i difetti di progettazione. Sebbene la pressione per creare prodotti differenziati sia elevata, soddisfare tale differenziazione è sempre più difficile, soprattutto a fronte di risorse di sviluppo limitate. Inoltre i progettisti devono lanciare prodotti che riducano i costi del ciclo di vita (garanzia, richiamo, ecc.).

Per attenuare la tensione creata da tali pressioni e sfide, i migliori progettisti sanno come reagire. Di fronte a tempi di progettazione più lunghi, tempi di immissione sul mercato più brevi e esigenze crescenti di qualità, hanno scoperto un modo migliore per l’innovazione del prodotto: la progettazione guidata dalla simulazione.

Perché le Aziende Top adottano la progettazione basata sulla simulazione

Il principio della progettazione basata sulla simulazione è semplice. Poiché i progettisti sono più numerosi degli esperti di simulazione – in un rapporto di 5 a 1 o addirittura di 10 a 1 – il gruppo di specialisti della simulazione è diventato un collo di bottiglia nel processo di progettazione. Le migliori aziende del settore (che qui chiameremo Aziende Top) hanno quindi risposto introducendo la simulazione direttamente nell’ambiente di progettazione. Il principio è espresso nel famoso proverbio: “Dai a una persona un pesce e gli dai da mangiare per un giorno; insegnate a una persona a pescare e le date da mangiare per tutta la vita“. In pratica, la risorsa degli specialisti della simulazione è utilizzata meglio come leva per i progettisti, per consigliarli mentre simulano da sé, piuttosto che farlo per loro abitualmente.

Da una ricerca del Gruppo Aberdeen, che qui mettiamo a disposizione per il download gratuito, risulta che l’87% delle organizzazioni migliori della categoria ha utilizzato la simulazione, rispetto al 75% di due anni prima. Inoltre, la value proposition della simulazione si è spostata nelle fasi di progettazione dello sviluppo del prodotto.

Tra le Aziende Top, l’impatto positivo della simulazione si è spostato a sinistra nelle fasi di sviluppo del prodotto incentrate sulla progettazione. In tali fasi si ha il massimo di impatto positivo della simulazione, raggiungendo un picco nella fase di progettazione di dettaglio a livello di componente. Tra tutti gli altri tipi di aziende, il picco rimane nella fase di verifica e test.

impatto della progettazione guidata dalla simulazione (simulation driven design)

Con la progettazione basata sulla simulazione, l’Azienda Top garantisce il successo in vari modi. In questo nuovo modello incentrato sul progettista, gli esperti di simulazione collaborano ampiamente con i progettisti mentre questi ultimi simulano da soli. Inoltre, le Aziende Top acquisiscono le competenze degli esperti CAE e le rendono più accessibili ai progettisti. Infine, il 73% delle Aziende Top verifica la progettazione del prodotto prima, nel processo di sviluppo, attraverso la modellazione computazionale. Quest’ultimo passaggio è fondamentale per garantire che la prova di concetto del prodotto funzioni correttamente la prima volta.

Mentre le Aziende Top passano alla progettazione guidata dalla simulazione, stanno anche attente a catturare e condividere le migliori pratiche e competenze di simulazione, rendendola disponibile per i non esperti. Ciò incoraggia e consente ai non esperti di aggiornarsi con le moderne tecniche di simulazione.

I vantaggi della progettazione basata sulla simulazione

La progettazione guidata dalla simulazione ripaga? Le prove del Gruppo Aberdeen suggeriscono fortemente che lo fa. Le aziende migliori del settore che implementano la progettazione basata sulla simulazione godono di vantaggi significativi, in termini di costi di sviluppo del prodotto, time-to-market e qualità.

I progettisti best-in-class che implementano la simulazione all’inizio del processo di progettazione superano facilmente tutti gli altri, rispetto al costo del prodotto, al suo lancio, ai ricavi e agli obiettivi di qualità. Questo successo è direttamente attribuibile alla spinta verso la simulazione dei progettisti e alla loro possibilità di iterare e innovarsi. Ciò si traduce in progetti di prodotto ottimizzati e innovativi.

Le aziende migliori della categoria hanno anche risparmiato sui tempi di rilavorazione del prodotto, riducendo lo sviluppo di prototipi e diminuendo i tempi di sviluppo.

Come tutti gli ingegneri di progettazione sanno, il costo di un passo falso nella progettazione è molto alto. Più tardi emerge un problema di progettazione, più diventa costoso risolverlo o rielaborarlo. La progettazione guidata dalla simulazione risolve questo inconveniente, spingendo la simulazione verso le fasi precedenti della progettazione del prodotto. Ciò paga molto, con un miglioramento del 21% nel numero di ordini di modifica tecnica (ECO) emessi dopo il rilascio alla produzione. Tutti gli altri, che non hanno implementato la progettazione basata sulla simulazione, hanno sperimentato il 3% in più di ECO. Grazie all’aumento della prototipazione virtuale, i migliori progettisti del settore hanno costruito il 27% in meno di prototipi fisici. Infine, l’Azienda Top ha migliorato del 29% i tempi di sviluppo.

Conclusioni e raccomandazioni chiave

Per cogliere i vantaggi legati agli obiettivi di time-to-market, qualità e costi, oltre che per dissipare le pressioni e le sfide legate alla produzione, Aberdeen Group raccomanda ai progettisti di raggiungere i propri obiettivi attraverso la progettazione basata sulla simulazione.

  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per l’innovazione di prodotto. Il motivo per cui i Best-in-Class hanno ridotto i loro prototipi fisici del 27 percento è perché sono passati a prototipi virtuali e test virtuali. Ciò ha permesso loro di esplorare centinaia di iterazioni di design (o più), per concentrarsi sui design più innovativi con il più alto potenziale di innovazione.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per un migliore time-to-market. I progettisti migliori della categoria hanno migliorato i tempi di sviluppo del 29%, sei volte il tasso di miglioramento di tutti gli altri. Le Aziende Top hanno anche raggiunto gli obiettivi di time-to-market il 76% delle volte, un tasso superiore del 17% rispetto a tutti gli altri.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per una qualità superiore. Il 77% delle aziende migliori della categoria ha raggiunto i propri obiettivi di qualità del prodotto. Inoltre, i prodotti “Top” hanno avuto maggiori probabilità di funzionare correttamente la prima volta e meno probabilità di richiedere rilavorazioni, poiché le Aziende Top hanno migliorato i loro ECO del 21%, dopo il rilascio alla produzione.
  • Adottare la progettazione basata sulla simulazione per ridurre i costi. Il 71% percento dei progettisti delle Aziende Top ha raggiunto gli obiettivi di costo del prodotto, contro il 63% delle altre.

 

thomas edison

Thomas Edison

Thomas Edison una volta disse che il genio era “L’uno per cento di ispirazione e il 99 per cento di sudorazione”. Il design guidato dalla simulazione aggiorna la massima di Edison, consentendo ai progettisti di innovare attraverso l’iterazione tramite prototipazione virtuale e test virtuali. Questo nuovo modo di fare elimina la “sudorazione” della prototipazione fisica. I designer sono ora liberi di testare centinaia (o migliaia) di alternative di progettazione fino a quando non vengono “ispirate” dalla scelta di progettazione del prodotto più innovativa.

Edison ha provato oltre 1.000 prototipi fisici della lampadina a incandescenza, prima di scoprire che il modesto filamento di carbonio a base di bambù ha prodotto una lampadina che durava oltre 1.200 ore. Nella scelta del design basato sulla simulazione, gli ingegneri ottengono il meglio da entrambi i mondi: prodotto innovativo che soddisfa anche obiettivi di time-to-market, costi e qualità.

White Paper

Il rapporto Aberdeen sulla progettazione guidata dalla simulazione

Il testo completo di “The Benefits of Simulation-Driven Design”, la ricerca di Aberdeen Group sull’adozione della progettazione guidata dalla simulazione (Simulation-Driven Design). Si tratta di un approccio che prevede che i progettisti stessi si occupino della simulazione sin dalle fasi iniziali del progetto, per essere in grado di provare diverse varianti e vedere quali funzionano meglio, senza bisogno di ricorrere poi a prototipi fisici. Nel documento viene spiegato in dettaglio come le Aziende Top nel settore elettronico riescono a ridurre i costi e i tempi di rilascio dei prodotti grazie alla progettazione guidata dalla simulazione.

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Come Renault ha ridotto i costi dei fari per le automobili con la simulazione termica

on 6 Marzo 2019

Oggi il design dei fari automobilistici costituisce una parte importante dello stile Renault e i fanali a forma di “C” sono parte integrante del fascino delle auto della casa francese. Il costo dei gruppi ottici dei fari automobilistici è imputabile per il 30% alla parte meccanica e per il 70% a quella elettronica. Quindi qualsiasi risparmio ottenibile sul lato elettronico ha un notevole peso sul costo complessivo di questo tipo di componenti. In questo articolo vedremo come la Renault è riuscita ad abbattere i costi dei propri fari, grazie soprattutto all’utilizzo di strumenti di analisi termica. Questi ultimi hanno consentito di ottimizzare in modo incrementale i progetti dei fari, per ottenere una riduzione dei costi del 50% nei due anni 2014-2016 e anche successivamente.

I fari di prima generazione

fari auto

Figura 1. I fari dei veicoli di segmento C e D analizzati in questo studio

Per la prima generazione di fari basati interamente sui LED, il team di progettazione ha esaminato sei dei veicoli Renault del segmento C e D, dall’Espace alla Koleos. (Figura 1). Sono state dapprima standardizzate tutte le piattaforme con un unico sensore di altezza, un livellatore statico comune, un driver unico per luci di posizione, anabbaglianti e fari di profondità, un connettore centrale comune e moduli comuni per i fari anabbaglianti e abbaglianti. Questo lavoro è stato completato in un anno, esaminando la ripartizione dei costi e standardizzando circa il 60% dei componenti dei fari (Figura 2). Si può notare come le materie plastiche adottate rappresentavano solo il 30% circa del prezzo complessivo di assemblaggio. L’effetto volume è il principale fattore di costo per il prezzo di un faro, così come il suo biglietto di ingresso alla fornitura. Tuttavia, passando dai fari alogeni nel 2012 (vedi figura 3) ai fari a LED nel 2014, i costi complessivi sono aumentati di quattro volte. Questo ha dato l’impulso di considerare se fosse possibile ridurre i costi nella seconda generazione dei fari.

Figura 2 – I componenti standardizzati di un faro della Generazione 1 a confronto coi costi complessivi di un faro assemblato

Figura 3 – L’evoluzione dei costi e del design dei fari della Renault Clio dal 2012 al 2016

I fari di seconda generazione

Il principale sforzo per lo sviluppo della seconda generazione dei fari si è concentrato sulla popolare auto di segmento B, la Renault Clio, che stava subendo un lifting. Stilisticamente la volontà era di indirizzarla verso la tipica luce di posizione Renault a forma di C, basata sui LED    (Figura 3). I pilastri della strategia per la generazione 2 di fari erano quattro:

  1. diventare il primo OEM generalista del settore automotive con fari interamente basati sui LED a LED completi in questa auto del segmento B;
  2. ridurre di un fattore di due il prezzo dei fari tra la prima e la seconda generazione;
  3. ottenere migliori prestazioni dell’illuminazione a LED rispetto a quelle iniziali della Clio;
  4. ridurre la profondità complessiva dell’assemblaggio del faro di 50 mm.

L’importanza delle simulazioni termiche

Il team ha standardizzato la Clio su una comune unità di controllo elettronico a LED (ECU), un sensore di altezza comune e un livellatore comune. Si è passati poi alla luce LED dei fari anabbaglianti, ottenendo una riduzione di prezzo al 30%, grazie a una diminuzione del numero di LED, una dimensione del dissipatore di calore minore del 30% e miglioramenti nel sistema ottico. Grazie a tutti questi interventi (Tabella 1), è stato migliorato il flusso luminoso del LED del 33% e ridotto il gruppo da otto a cinque LED. Inoltre è aumentata l’efficienza ottica del 25% ed è stata operata una riduzione di 50 mm delle dimensioni complessive dell’assemblaggio. Con i miglioramenti termici dei LED, il team è stato in grado di aumentare la corrente dei LED, aumentare la temperatura massima di giunzione e il declassamento del flusso a una temperatura ambiente inferiore (Tabella 1). Allo stesso modo, con il design del dissipatore di calore associato, è stato possibile ottenere una migliore gestione della temperatura di giunzione e una migliore gestione del declassamento, attraverso simulazioni termiche dettagliate (Figura 4).

Tabella 1 – L’evoluzione della soluzione a LED dalla Generazione 1 alla e per il fanale della Renault Clio

Figura 4 – L’evoluzione del peso dei radiatori del faro della Renault Clio dalla Generazione 1 alla 2

Per quanto riguarda la dimensione complessiva della confezione del proiettore, la figura 5 mostra il risparmio di profondità di 50 mm che è stato possibile ottenere tra la prima generazione, con un proiettore alogeno, e la seconda generazione, con un proiettore a LED, grazie ad un assemblaggio migliore. La Figura 6 mostra le tipiche simulazioni CFD per un proiettore alogeno realizzate con il software di Mentor integrato nel CAD, FloEFD®. Quest’ultimo mostra i complessi flussi d’aria e gli effetti termici che si possono verificare sulle superfici nell’assieme.

Figura 5 – Il risparmio di 50 mm nel passaggio dell’assemblaggio del faro dalla Generazione 1 (alogeno) alla Generazione 2 (LED)

simulazione termica faro auto

Figura 6 – Simulazione termica di un assieme

Le temperature simulate nelle diverse condizioni d’uso

Per quanto riguarda in particolare l’analisi termica basata sulla CFD , utilizzata nella progettazione di proiettori, normalmente si punta a prevedere le prestazioni di illuminazione a una temperatura di 23 ° C nell’aria dell’ambiente esterno e fino a un massimo di 70 ° C per la temperatura al contorno del LED. Per convalidare le simulazioni, sono stati effettuati alcuni test sperimentali, in è stata fissata la temperatura ambiente all’esterno del proiettore a 23 ° C e installate 8 termocoppie all’esterno del gruppo (vedi figura 7), per condizioni di motore dell’auto acceso e spento.

Figura 7 – Posizione delle otto termocoppie per i test a motore acceso dei fari a temperatura ambiente

La Figura 8 mostra le tracce temporali della termocoppia, sia per il motore acceso che per la vettura ferma per 3 ore e 30 minuti; poi luci accese per 1 ora e 30 minuti con il motore acceso e fermo, e poi le luci accese e il motore in stato di guida per 1 ora e 30 minuti. È chiaro che le temperature possono raggiungere oltre i 50 ° C all’interno del proiettore, quando il motore è al minimo e l’illuminazione è accesa per un periodo prolungato. Inoltre, le temperature superficiali dei fari possono salire a 65 ° C in determinate condizioni di minimo. Con altri test è stato possibile dimostrare che con l’anabbagliante acceso per un’ora, la temperatura all’interno del faro è passata a 20 ° C, mentre con abbaglianti e anabbaglianti attivi contemporaneamente per un’ora è stata misurata una temperatura aggiuntiva di 5 ° C.

Figura 8 – Temperatura delle termocoppie all’esterno dell’assieme del faro nelle varie condizioni

Altre prove hanno consentito di dimostrare che – per temperature ambiente di 70 ° C, con entrambe le luci anabbaglianti e abbaglianti accese, e con il motore acceso – la temperatura di giunzione dei LED si avvicina molto allo scenario peggiore di 150 ° C. La conclusione è stata che non è possibile progettare un sistema a LED, se si vogliono tenere in considerazione tutti i casi d’uso. L’OEM deve quindi individuare il miglior compromesso. Ad esempio, a 23 ° C, dopo un’ora di funzionamento al minimo del motore, le prestazioni di illuminazione erano indicate al 100%, ma se la temperatura ambiente saliva a 50 ° C per la stessa situazione, tali prestazioni scendevano all’80%. Per rispettare la specifica, la conclusione è stata che era necessario aggiungere un sensore termico al PCB, in modo tale che la corrente potesse essere ridotta, se la temperatura al LED fosse stata maggiore di una certa soglia. A quel punto, è possibile eseguire un declassamento termico e un declassamento del flusso del faro LED completo.

Gli sviluppi futuri

Successivamente è stato messo in atto un piano d’azione per affrontare la simulazione e il collaudo dell’illuminazione in modalità di cicli di guida transitori (Figura 9). Come OEM, il desiderio è di poter simulare l’impatto della velocità della vettura sulle prestazioni termiche della sua illuminazione, e in particolare sulla variazione termica dovuta alla velocità per ciascuno dei motori della casa automobilistica. Ciò in futuro renderà fondamentale l’uso del software CFD per progettisti dell’illuminazione.

Figura 10 – Misurazioni della temperatura del faro in situazioni di motore al minimo

Inoltre è necessario poter modellare il comportamento termico del vano motore vicino, in parallelo con la simulazione dei fari, dal momento che si influenzano a vicenda. Ci sarà anche la necessità di una gestione termica all’interno del proiettore, quando saranno presenti induttori termici. In breve, Renault ritiene che l’OEM dovrebbe essere responsabile dell’intero sistema termico associato alla progettazione dei fari.

L’obiettivo del team Renault Lighting è quello di ottenere un’ulteriore riduzione del 50% del prezzo, per l’intero gruppo proiettore, portandolo ai livelli visti con i fari alogeni nei 5 anni precedenti (Figura 10).

Figura 11 – Roadmap di Renault per la riduzione dei costi dei fari fino alla Generazione 3.

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Aerospazio: nasce l’alleanza tra Boeing e Siemens-Mentor. Ecco gli strumenti software utilizzati per progettare gli aerei

on 11 Ottobre 2018

Nell’aerospazio la notizia del momento è l’alleanza tra Boeing e Siemens, che consentirà al gigante mondiale dell’industria aerospaziale di utilizzare i software di Mentor Graphics, oggi parte integrante della stessa Siemens. Tali strumenti diventeranno parte integrante di quelli che in Boeing vengono chiamati Second Century Enterprise Systems (2CES). I 2CES sono il cuore di una strategia della più grande impresa aerospaziale del mondo, per trasformare se stessa in vista delle sfide del ventunesimo secolo. L’obiettivo è di dominare anche i prossimi 100 anni, e hanno scelto di farlo in partnership con Siemens. Le due aziende insieme saranno in grado di trasformare ulteriormente la progettazione e la produzione, con iniezioni ancora più massicce di automazione e di digitalizzazione.

La decisione di Boeing arriva a seguito di un’analisi onnicomprensiva delle diverse soluzioni presenti sul mercato, tenendo conto sia della varietà di necessità tipiche dell’aerospazio, sia del bisogno di avere la giusta flessibilità in vista dei possibili cambiamenti futuri. L’accordo a lungo temine darà a Siemens gli strumenti software necessari in tre aree chiave: electrical systems design; progettazione del prodotto elettronico; analisi meccanica.

L’accordo voluto dall’azienda leader nell’aerospazio riguarda in particolare gli strumenti del portfolio Siemens che derivano dall’acquisizione di Mentor Graphics, col fine di creare per Boeing una piattaforma comune e standardizzata a livello enterprise che comprenderà:

  • progettazione e verifica dei semiconduttori;
  • progettazione e realizzazione di PCB;
  • progettazione e realizzazione di sistemi elettrici (compresi wire harness);
  • analisi termica e fluido-dinamica per la progettazione meccanica.

Dunque si tratta di applicazioni in parte comuni a tutto il mondo dell’elettronica e in parte tipiche dell’aerospazio, dove coesistono sistemi elettrici e impianti di vario tipo, sia destinati alla navigazione, sia al comfort dei passeggeri, con un’enfasi particolare sulla sicurezza.

“La partnership con Siemens-Mentor ci consentirà di combinare i migliori tool esistenti per la progettazione elettrica con la vasta esperienza e conoscenza di Boeing nell’ambito del nostro progetto di trasformazione 2CES della progettazione”, ha dichiarato John Harnagel, Engineering Director di Boeing Defense and Space.

Dal canto suo Tony Hemmelgarn, president e CEO di  Siemens PLM Software ha detto: “L’abilità di supportare i clienti nel realizzare la digitalizzazione e implementare l’innovazione è uno dei nostri punti di forza. Questa partnership dà la misura di quanto Boeing creda in Siemens per consentirle di realizzare la propria visione, e noi di Siemens non vediamo l’ora che ciò avvenga realmente!”

I tool di Siemens-Mentor per l’aerospazio

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Progettazione elettrica ed elettronica

(clicca sull’immagine per ingrandirla)

Analisi meccanica e CFD

  • FloEFD (analisi CFD integrata coi sistemi di CAD meccanico)
  • FloTHERM (analisi termica e simulazione per la prototipazione virtuale)
  • FloMASTER (modellazione termofluidodinamica monodimensionale)
  • Power Tester 1500A (Test termici per i componenti elettronici)

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Stefano Morlacchi

Da oltre 10 anni lavora nel campo delle analisi computazionali FEM e CFD nei campi della biomeccanica, automotive e oil & gas. Esperto nel training, nell’assistenza tecnica di pre-vendita e di post-vendita per prodotti software CAE. In Cadlog ricopre il ruolo di Product Manager per i software della divisione di analisi termica e fluidodinamica (FloTHERM, FloEFD, FloMASTER) e per il Cabling & Harness.

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I software per l’analisi termica in offerta speciale. Ecco quali sono e perché cambieranno il vostro modo di progettare

on 29 Novembre 2017

I software per l’analisi termica dei dispositivi elettronici sono sempre più indispensabili, man mano che i prodotti si riducono di dimensioni. Ci sono inoltre tecnologie specifiche, come i LED, che richiedono un’attenzione specifica alla fase di simulazione termica. Dunque un’offerta speciale su questo tipo di applicativi non può che essere la benvenuta.

I tool software per l’analisi termica sono considerati un lusso da molti progettisti“, sostiene Gianluca Lualdi, responsabile commerciale Cadlog per gli strumenti di analisi, “innanzi tutto perché si pensa che costino cari, e le imprese più piccole non se li possono permettere più di tanto. E poi perché si ritiene che, per utilizzare gli strumenti di analisi termica, servano delle competenze speciali e dunque sia necessario ricorrere al super-esperto di turno, che è alla portata solo delle società di un certo livello”.

Cominciamo dunque a sfatare il mito più duro a morire, quello della complessità. “Oggi ci sono strumenti per la CFD e l’analisi termica che sono veramente alla portata di tutti, in quanto a facilità d’uso”, incalza Lualdi. “Mi riferisco in particolare a quelli prodotti da Mentor, oggi parte del gruppo Siemens, come FloEFD e i tool della famiglia FloTHERM. Provateli di persona e ditemi quanto ci avete messo a effettuare da soli la prima simulazione!”.

Se questo è vero, si apre tutto un mondo di opportunità per i progettisti elettronici che lavorano in piccoli gruppi, se non addirittura da soli. Grazie alla facile accessibilità dei tool software, possono integrare nel lavoro progettuale anche la fase di analisi termica e prototipazione virtuale, dicendo addio alla paura di rimanere tagliati fuori dal mercato.

In quanto ai prezzi, l’offerta messa in campo da Cadlog mina alle fondamenta anche l’altro mito, quello della scarsa accessibilità. Ecco di seguito quali sono i prezzi proposti per due dei tool più ambiti, ma solo fino al 31 gennaio 2018!

Strumenti per la CFD

  • FloEFD Standalone – 25.000 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Include licenza di SolidWorks Standard
    • Importa dati CAD nativi
    • Include simulazioni: Transitoria, Parametrica e DoE (Design of Experiments)
  • FloEFD for SolidEdge – 13.500 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Fully embedded in SolidEdge (non include licenza SE)
    • Include simulazioni: Transitoria

Strumenti per l’Electronics Cooling

  • FloTHERM XT Engineering Edition – 14.500 € – Inclusi 12 mesi di manutenzione e 2 gg. di training presso nostra sede di Milano
    • Caratteristiche: Include licenza di SolidWorks Standard
    • Include licenza PADS Standard 3D per creazione o importazione dati PCB (Altium, Eagle, OrCAD, Allegro, Cadstar, PCAD)
    • Include FloEDA Bridge e CircuitWorks per importare dati PCB nativi (IDF)
    • Include SmartLibrary (libreria parametrica di oggetti di dissipazione attiva e passiva)

Chiedi informazioni:

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Simulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

on 11 Ottobre 2017

In questo breve video viene mostrata l’analisi termica di un faretto LED effettuata con FloEFD.

FloEFD è il plugin per analisi CFD integrato nei principali ambienti per la progettazione CAD (Solidworks, NX, Solid Edge, CATIA, Creo). Ciò permette di utilizzare le geometrie e creare il modello CFD direttamente nello stesso ambiente di progettazione. In tal modo diminuiscono i tempi e i costi dell’analisi.

Tramite lo specifico modulo LED, FloEFD è in grado di calcolare la temperatura di giunzione e il flusso luminoso in uscita da LED e altri dispositivi di illuminazione.

Ottimizzazione dei dissipatori termici e delle condizioni di utilizzo sono alcuni dei tipici utilizzi di FloEFD

I prossimi eventi gratuiti:

La temperatura di giunzione nel LED

Nonostante i LED siano attualmente la sorgente di luce con la maggiore durata –arrivando a superare in alcuni casi le 50mila ore di utilizzo – durante il loro funzionamento sono soggetti a una graduale riduzione del flusso luminoso.

L’efficienza luminosa è influenzata negativamente sia dall’aumento della corrente ai capi del LED, sia da quello della temperatura di giunzione. Un’efficace dissipazione del calore è dunque un fattore determinate dell’efficienza del LED.

Per “giunzione” si intende la giunzione pn nel circuito integrato del semiconduttore. Si tratta della zona del chip dove avvengono la generazione e l’emissione dei fotoni.

Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione (J.T.) e il relativo flusso luminoso (Φv). Da: Wikipedia

Il grafico mostrato in figura evidenzia il rapporto tra temperatura di giunzione e flusso luminoso del LED.

FloEFD

Analisi computazionale fluido dinamica (CFD) integrata coi sistemi di CAD meccanico

FloEFD ha capacità di analisi tridimensionali complete per lo scambio di calore ed è facile da imparare, oltre che da utilizzare, perché non necessita dell’uso di entità numeriche complesse come le strutture di meshing, normalmente associate ai sistemi di analisi CFD.

“FloEFD è l’unico strumento di analisi CFD realmente integrato e incorporato nei principali sistemi di CAD meccanico, come Pro/ENGINEER, CATIA, Siemens NX e SolidWorks”

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Stefano MorlacchiSimulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

Simulazione del bruciatore di una cucina a gas con FloEFD Combustion

on 29 Agosto 2017

In questo video vengono mostrate le capacità di modellazione della combustione in FloEFD, utilizzando un bruciatore domestico a gas metano.

Il progetto consiste di due analisi: una prima analisi di miscelazione a freddo allo stato stazionario e una successiva analisi di accensione transitoria. Nel video si può vedere la dimensione del dominio computazionale usato. Una sezione trasversale del bruciatore mostra l’ingresso del gas metano a sinistra, l’ugello per la generazione del getto di gas e la camera di miscelazione.

Il metano viene inserito all’inlet a una pressione di 200 pascal sopra la pressione atmosferica. L’opzione di concentrazione della sostanza in ingresso mostra che a questo inlet entra metano al 100%. Il fluido di questo progetto è una combinazione di metano e aria.

Per analizzare i risultati della miscelazione a freddo, viene visualizzata una mappa della pressione, con la pressione più alta nella sezione prima della camera di miscelazione. È visibile una zona ad alta velocità attorno all’ugello dove la sezione trasversale è ridotta. Infine, guardando la concentrazione del carburante, possiamo vedere il modo di miscelazione e la composizione finale della miscela.

Le traiettorie di flusso mostrano come la miscela lasci l’anello verso l’ambiente esterno. L’intero scopo dell’analisi stazionaria è quello di determinare la portata e composizione (aria/metano) della miscela che fuoriesce dagli ugelli dell’anello. Possiamo vedere una portata totale di massa di circa 0,44 kg/h e una concentrazione media del carburante del 15,7% che verranno utilizzati come condizioni al contorno dell’analisi di combustione transitoria.

I prossimi eventi gratuiti:

Nel secondo step del progetto, impostiamo l’analisi transitoria, abilitando l’opzione time-dependent nelle impostazioni generali insieme alla gravità. La condizione di bordo del flusso di entrata è presa dalla simulazione precedente in termini di flusso e concentrazione. Abbiamo bisogno ora di avviare la combustione. È qui che entra in gioco un piccolo componente a sfera a cui viene applicata una temperatura elevata, definita tra 0.5 e 0.6 secondi, abbastanza tempo per accendere la miscela.

Durante il calcolo, possiamo visualizzare alcuni risultati per valutare la bontà dell’analisi. Qui stiamo osservando il bruciatore da due prospettive diverse, che mostrano la mappa delle temperature. Si può vedere la sorgente di calore iniziale al centro e la fiamma che poi si propaga verso l’esterno. La soluzione si arresta una volta che la fiamma diventa stabile.

Al termine dell’analisi, è possibile valutare svariati parametri legati alla combustione. La mappa di temperature mostra le zone più calde nella simulazione intorno l’uscita del gas. Questo risultato ci dà un’idea della forma della fiamma. La mappa di velocità mostra valori di circa 1 m/s intorno al bruciatore mentre il parametro combustion progress mostra dove effettivamente si sta verificando la combustione.

Possiamo anche esaminare le mappe di concentrazione dei vari prodotti di combustione, come CO2, CO, NO e combustibile residuo. Questo è utile per l’analisi dei prodotti di combustione nel rispetto delle norme di emissione. Una isosurface a temperatura costante ci dà l’idea chiara della forma della fiamma mentre le traiettorie di flusso mostrano il percorso dei gas di combustione.

Per concludere, FloEFD può essere utilizzato per analizzare la combustione sempre restando all’interno vostro ambiente CAD, al fine di ottimizzare le prestazioni del prodotto durante la fase di progettazione e prima della loro effettiva prototipazione.

FloEFD

Analisi computazionale fluido dinamica (CFD) integrata coi sistemi di CAD meccanico

FloEFD ha capacità di analisi tridimensionali complete per lo scambio di calore ed è facile da imparare, oltre che da utilizzare, perché non necessita dell’uso di entità numeriche complesse come le strutture di meshing, normalmente associate ai sistemi di analisi CFD.

“FloEFD è l’unico strumento di analisi CFD realmente integrato e incorporato nei principali sistemi di CAD meccanico, come Pro/ENGINEER, CATIA, Siemens NX e SolidWorks”

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Stefano MorlacchiSimulazione del bruciatore di una cucina a gas con FloEFD Combustion

Aerodinamica della bici: analisi CFD del Giro d’Italia

on 19 Maggio 2017

L’aerodinamica della bici è uno dei fattori che influenzano maggiormente gli esiti di competizioni sportive come il Giro d’Italia, attualmente dominato dal ciclista olandese Tom Dumoulin, noto come la “farfalla di Maastricht”. Come azienda tecnologica non ci accontentiamo della conoscenza intuitiva e allora abbiamo provato ad affrontare in modo scientifico i fenomeni legati all’aerodinamica nel mondo del ciclismo. Li abbiamo analizzati tramite la fluidodinamica computazionale (detta CFD, Computational Fluid Dynamics) un metodo di analisi numerica che si basa su sofisticati strumenti software come FloEFD.

I ciclisti hanno bisogno di molte ore di allenamento per raggiungere il massimo della potenza, ma l’andamento di quest’ultima è “asintotico”, ovvero aumenta sempre di meno con l’aumentare dello sforzo. Pertanto ciò che conta per essere competitivi, da un certo punto in poi, è aumentare l’efficienza, un po’ come avviene nel mondo dell’industria.

La resistenza aerodinamica – o coefficiente di drag – è la principale forza contro la quale deve rivolgersi lo sforzo del ciclista una volta superati i 25 Km orari. Anche in questo caso, il rapporto tra velocità e resistenza dell’aria non è lineare, per cui lo sforzo richiesto con l’aumentare della velocità cresce talmente tanto che da un certo punto in poi conviene aumentare l’efficienza, anziché la velocità.

La resistenza aerodinamica è composta da due componenti: la pressione – che si esercita contro le superfici – e la frizione, che si esercita tangenzialmente. La pressione, nel caso del ciclismo, è esercitata frontalmente sul corpo del corridore e sulla sua schiena, a causa del fenomeno detto flow separation, ovvero la separazione dei due flussi d’aria. La posizione del corpo influisce molto su questo fenomeno, riducendolo in modo significativo, come mostrato nella figura.

aerodinamica del ciclismo

Il secondo maggiore contributo alla resistenza aerodinamica viene dalle ruote, dove sono i raggi a provocare la massima turbolenza. Il problema può essere ovviato dalla sostituzione dei raggi con dischi pieni, ma questa soluzione funziona dove la direzione del vento è frontale, come nel velodromo. Ma quando il vento è laterale la resistenza delle ruote diventa troppa.

Per ridurre la resistenza dell’aria i ciclisti ricorrono ad altri stratagemmi, come caschi aerodinamici, vestiario attillato e persino depilazione del corpo.

Ma il modo più efficiente per ridurre la resistenza dell’aria è quello di lavorare in team. Mettendosi sulla scia di un compagno di squadra, si può beneficiare del suo flusso aerodinamico e correre con minor sforzo. Più ci si avvicina, maggiore è il beneficio, ma ovviamente non bisogna esagerare per non rischiare la collisione! Il seguente grafico mostra i benefici ottenibili in base alla distanza, rispettivamente per un singolo ciclista e una coppia di ciclisti. Si può notare come in un coppia, il ciclista che sta di fronte riceve un piccolo beneficio (linea azzurra), ma il massimo viene ottenuto da chi segue (linea rossa).

Il beneficio di stare in scia è ancora maggiore se si corre in gruppo. In questo caso i benefici che si possono ottenere derivano da più influenze reciproche. Il calcolo tramite analisi CFD ci ha consentito di stabilire qual è la posizione migliore. Nell’immagine che segue e nel grafico a istogramma, ricavati utilizzando l’applicativo FloEFD, si può vedere come il massimo dello sforzo viene compiuto da chi occupa la prima fila. Si noti però che nessuno raggiunge il 100% dello sforzo, quello che toccherebbe a un ciclista che corresse da solo. Questo è il motivo per cui le tappe in pianura vengono più facilmente vinte dal gruppo. Quest’ultimo si muove con maggiore efficienza, rispetto ai singoli, e alla fine i velocisti possono partire in volata e vincere la tappa.

aerodinamica del clclismo in gruppo

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Stefano MorlacchiAerodinamica della bici: analisi CFD del Giro d’Italia

Simulazione CFD, le 7 tecnologie chiave di FloEFD

on 17 Maggio 2017

La simulazione CFD è un’attività chiave nella progettazione di sistemi elettronici, di componenti per l’automotive e di impianti. Uno dei più importanti tool in quest’ambito è FloEFD di Mentor, un software di analisi computazionale fluidodinamico 3D integrato nei principali programmi di CAD meccanico come Creo, CATIA V5, Siemens NX, Solid Edge e SolidWorks.

FloEFD consente agli utilizzatori di anticipare la simulazione CFD all’inizio del processo di progettazione. In tal modo, i progettisti possono analizzare precocemente le caratteristiche CFD del prodotto ed abbandonare da subito le scelte di progettazione meno efficaci. FloEFD consente inoltre di automatizzare i principali step delle analisi CFD, come la creazione del volume fluido, il meshing, l’import/export della geometria; tutti passaggi che risultano molto onerosi coi software CFD tradizionali.

L’unicità di FloEFD deriva dalla combinazione di 7 tecnologie chiave, illustrate di seguito.

1) Direct CAD-to-CFD Concept

FloEFD è completamente integrato nei principali software CAD. Questo permette di ovviare alcuni passaggi complicati nei workflow CFD, come l’import/export di modelli geometrici, l’identificazione del volume fluido o il defeaturing del modello CAD verso il modello CFD. Il modello CAD e il modello CFD (BC, fluido, mesh settings) restano inoltre sincronizzati, permettendo l’analisi di variazioni di design.

2) Engineering vs. Analysis User Interface

FloEFD è caratterizzato da una serie di wizards e user interfaces pensate da progettisti per progettisti. Con questi strumenti, l’utilizzatore viene guidato fin dall’inizio alla creazione del modello CFD e alla successiva visualizzazione dei risultati (interfacce con Excel, generazione automatica di reports). Di fatto, FloEFD è così intuitivo che la maggior parte degli utilizzatori (anche non specialisti CFD) riferisce di poter utilizzare il software con meno di otto ore di addestramento.

3) Fast Automated Meshing

FloEFD è basato sulla tecnica di meshing chiamata Immersed Boundary Meshing. Questa tecnologia proprietaria Mentor si basa sulla creazione di una mesh cartesiana e il concetto di SmartCells, celle che possono contenere sia domini fluidi che solidi. Questa tecnica permette di “meshare” automaticamente geometrie anche complicate, rifinendo la mesh iniziale secondo requisiti geometrici e/o fisici (solution adaptive remeshing). Per avere più informazioni su questa tecnologia, è possibile richiedere a Mentor un apposito white paper.

4) Modified Wall Functions

FloEFD dispone di una tecnologia per la modellazione dello strato limite indipendente dalla mesh. Questa tecnologia proprietaria Mentor si basa su due approcci alla soluzione dello strato limite, differenti in base alla grandezza relativa dello strato limite stesso rispetto agli elementi che lo compongono. Maggiori informazioni su questa tecnologia si trovano in questo white paper:

5) Unique Laminar-Transitional-Turbulent Modeling

FloEFD non richiede un input specifico dell’utente per simulare regimi di flusso laminari, transitori o turbolenti, in quanto essi sono tutti risolti all’interno dello stesso modello. Pertanto, non è necessario preoccuparsi di identificare quando e dove le caratteristiche di flusso cambiano all’interno del modello. FloEFD lo fa automaticamente da solo. Maggiori informazioni su questa tecnologia si trovano in questo white paper:

6) Automatic Convergence Control

Grazie alle tecnologie precedentemente elencate sulle tecniche di meshing, strato limite e modelli di turbolenza, FloEFD è caratterizzato da una convergenza molto robusta, senza il bisogno di aggiungere viscosità numerica al modello. Oltre ai tipici parametri legati alla soluzione delle equazioni di Navier Stokes, è possibile definire nuovi parametri ingegneristici (pressioni, temperature, flussi, etc.) e monitorare tali parametri in tempo reale durante l’analisi CFD.

7) Design Variant Analysis

Forse la caratteristica più potente di FloEFD è la facilità con cui è possibile condurre studi parametrici, ottimizzazioni o analisi “what-if”. Con FloEFD è facile modificare i modelli e analizzarli immediatamente. Il processo è semplice: l’applicativo ti aiuta a creare diverse varianti dei tuoi progetti, modificando il tuo modello solido direttamente nel CAD, senza dover poi riapplicare al modello parametri come carichi, condizioni al contorno, proprietà del materiale, ecc. FloEFD permette poi di confrontare automaticamente i risultati nelle diverse varianti.

floefd 7 key technologies for CFD simulation

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Stefano MorlacchiSimulazione CFD, le 7 tecnologie chiave di FloEFD

CFD 1D e 3D, qual è la differenza?

on 25 Gennaio 2017

Molti progettisti si chiedono quale sia la differenza tra simulazione CFD 1D e 3D, ragionando magari per analogia con i sistemi CAD, che consentono di lavorare sia in 2D che in 3D. La progettazione a 2 dimensioni lavora sul piano, quella a 3 dimensioni nello spazio. E quella a una sola dimensione?

La simulazione CFD 1D si applica tipicamente a livello di sistema, mentre quella 3D a livello di singolo componente. Sia la CFD 1D che quella 3D consentono ai progettisti di acquisire una maggiore comprensione dei flussi di fluidi e migliorare il progetto. In molte organizzazioni vengono utilizzate entrambe per ottenere prodotti migliori e assicurare che le prestazioni richieste vengano soddisfatte.

Nella simulazione CFD 1D ogni elemento del sistema o del processo fisico viene rappresentato da un componente individuale e discreto. Le performance sino basate su dati empirici o su una correlazione teorica. La seguente figura riporta l’esempio di un semplice impianto affiancato dalla sua rappresentazione schematica ai fini della simulazione.

Il vantaggio più importante di un software di simulazione CFD 1D è la sua velocità, proprio perché i calcoli vengono effettuati a livello di sistema. Il più importante di tali software è FloMASTER, che si caratterizza anche per un alto livello di accuratezza.

La simulazione 1D e 3D svolgono dunque ruoli complementari nella progettazione di un sistema, ad esempio in ambito automotive, aerospaziale o di grandi impianti. FloMASTER lavora in stretta integrazione con FloEFD, il tool di simulazione 3D a livello di componente. In questo modo i progettisti possono prendere in considerazione una gamma più ampia di scenari di progettazione per raggiungere il livello di definizione desiderato.

Nello schema che segue sono evidenziate le differenze principali tra i tool di simulazione 1D e 3D.

Simulazione 1D

  • Dettaglio a livello di componente
  • Correlazioni empiriche, dati di test, CFD 3D, teoria
  • Progetta un sistema ideale o ne analizza uno esistente
  • Veloce e facile da utilizzare
  • Poco dettagliato

Simulazione 3D

  • Dettaglio a livello del volume di controllo
  • Base teorica
  • Progetta un nuovo componente o studia una geometria esistente
  • Richiede tempo per l’utilizzo e necessità di competenze specifiche
  • Molto dettagliato

FloMASTER

Modellazione termofluidodinamica monodimensionale

FloMASTER è un tool software di simulazione CFD 1D utilizzato in tutti i settori industriali per ridurre i tempi e i costi di sviluppo dei sistemi termofluidodinamici.

“FloMASTER consente di lavorare molto velocemente, ma a livello di accuratezza è veramente imbattibile. Inoltre può essere pienamente integrato con la simulazione 3D di FloEFD”

Chiedi informazioni sul prodotto:

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CadlogCFD 1D e 3D, qual è la differenza?

Qual è il modo più veloce per asciugarsi le mani con un asciugamani elettrico? Ecco il calcolo di FloEFD

on 2 Novembre 2016

Qual è il modo più veloce per asciugarsi le mani con un asciugamani elettrico installato nei bagni di un ufficio o di un locale pubblico? Tutti vorremmo perdere meno tempo possibile, in quella circostanza, ma c’è sempre il dubbio di cosa fare con quelle mani: ruotarle, mantenerle ferme, strofinarle? A scuola non ce l’hanno insegnato, purtroppo. Abbiamo provato dunque a dare una risposta a questo interrogativo utilizzando FloEFD, il software leader nella simulazione termica e fluidodinamica, fiduciosi nelle sue potenzialità.

È stato realizzato un modello 3D, composto da una mano posta sotto un flusso di massa applicato al lato inferiore di un asciugamani elettrico a convezione, ed è stata poi condotta una simulazione.

floefd asciugamani 01Prima di analizzare la simulazione, è stato necessario definire con precisione i parametri di riferimento. Cosa s’intende per “asciutto”? Dopo una breve ricerca è stato stabilito che la pelle viene considerata asciugata quando ha perso il 90% dell’acqua che le era rimasta a contatto.

FloEFD ha la funzione “water film“, che consente di simulare la quantità d’acqua presente su una superficie, compresi gli effetti transitori dell’evaporazione. Una simulazione transitoria richiede che venga stimato lo spessore iniziale dell’acqua. In questo caso, è stato attribuito uno spessore di 25 micron al film d’acqua, ovvero 25 millesimi di millimetro.

La simulazione è stata effettuata misurando nel tempo lo spessore del film d’acqua in 10 diversi orientamenti della mano. La diminuzione nel tempo della massa d’acqua è rappresentata dal grafico seguente. Il massimo della velocità di asciugamento si ha quando la mano è espone all’aria calda entrambe le superfici (Design Point 10), mentre il minimo si ha quando essa è in posizione quasi orizzontale (Design Point 7).

floefd asciugamani 02È stato poi osservato come si distribuisce la riduzione dello spessore del film d’acqua nell’ambito della mano. Il rosso rappresenta il massimo del bagnato mentre il blu l’asciutto. Come si può vedere, le dita si asciugano prima, perché il rapporto tra superficie esposta e volume è maggiore rispetto al palmo, che infatti asciuga per ultimo.

floefd asciugamani 03L’ipotesi iniziale era che una mano rotante asciugasse prima, ma non è così. Si poteva pensare che in tal modo nell’unità di tempo venisse esposta all’aria calda una superficie maggiore, ma ciò che avviene invece è che il film d’acqua non ha il tempo necessario a evaporare.

Dunque, la prossima volta che vi dovete asciugare le mani con un asciugamani elettrico, tenetele verticali. Altrimenti usate i tovaglioli di carta!

Una giornata dedicata alla simulazione termica

Parleremo di questi temi dal vivo il 30 novembre prossimo a Milano, in occasione del “CFD Day“. Si tratta di un seminario con la presentazione di diversi casi reali di applicazione della CFD. L’evento è gratuito, ma è necessario registrarsi usando il modulo qui a fianco.

Per i contenuti dell’articolo si ringrazia Robin Bornoff di Mentor Graphics.

Prenotazione CFD Day:


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