Robert Harwood, Global Industry Director Aerospace & Defense di ANSYS Inc.
Disporre di strumenti capaci di monitorare tutti i fenomeni fisici che interessano un velivolo. Simulare e ottimizzare i componenti e il sistema completo. Utilizzare la simulazione, fin dall’inizio del ciclo di sviluppo, per scegliere le soluzioni più promettenti su cui investire. Secondo Robert Harwood, Global Industry Director Aerospace & Defense di ANSYS Inc., multinazionale statunitense leader mondiale nel settore della simulazione numerica, sono queste le sfide da affrontare da parte di chi si occupa di questa disciplina applicata ai settori aeronautico ed aerospaziale.
di Luigi Ortese
La simulazione è uno strumento indispensabile per la progettazione di prodotti sempre più complessi con budget e tempi sempre più contenuti, consentendo a progettisti e direttori tecnici di prendere decisioni informate in condizioni difficili. Robert Harwood, Global Industry Director Aerospace & Defense di ANSYS Inc., si occupa delle strategie che le aziende in tutto il mondo adottano per implementare la simulazione numerica nel processo di sviluppo e testing di nuovi prodotti. Nella sua carriera Harwood ha sempre seguito il settore aeronautico, occupandosi di diversi aspetti: da quelli strategici a quelli tecnici. Ha conseguito un PhD in Engineering ed è un esperto riconosciuto a livello internazionale per i numerosi articoli scritti per riviste tecnico-scientifiche e per le molteplici conferenze a cui viene invitato come relatore. Il manager americano ha espresso la sua opinione sulle nuove sfide che le imprese del settore aerospaziale devono affrontare in occasione di un convegno sulla progettazione assistita dalla simulazione, svoltosi l'aprile scorso nell'area delle ex Officine Caproni, a pochi passi dall’aeroporto di Malpensa.
Campo elettrico alla frequenza tipica dei sistemi WiFi, calcolato per un moderno aereo di linea.
D. Qual è il contributo della simulazione nell'aiutare le aziende del settore aerospaziale a implementare materiali innovativi e nuovi processi produttivi?
R. Ogni volta che si introduce qualcosa di nuovo - un materiale, un componente, un sistema o un processo - c’è sempre un rischio associato. Il materiale nuovo si comporterà come pensavamo? Abbiamo considerato in che modo le variazioni nelle specifiche possono impattare sui processi di produzione? Un nuovo processo, magari più veloce ed efficiente, può avere effetti collaterali su materiali o prodotti? Nell’industria aerospaziale, proprio perché c’è una soglia di attenzione altissima nei confronti della sicurezza, la gestione dei rischi è un punto cardine. Questo aspetto si rivela ancor più centrale nelle strategie aziendali in momenti economici come l'attuale, dove è richiesto agli ingegneri di fare di più (innovare, integrare sistemi sempre più complessi, alleggerire strutture) con meno risorse in termini non solo monetari, ma anche di tempo e di persone. La simulazione è certamente tra gli strumenti che aiutano le aziende a gestire i rischi in modo efficace. Tutto ciò a partire dalla possibilità di incorrere in costi non previsti, ritardi sulla consegna di progetti, errori legati alla qualità non rispettata o alle performance non conseguite. La simulazione dei sistemi nella loro interezza e l’esplorazione di migliaia di ipotesi già nelle primissime fasi di progettazione aiuta gli ingegneri a prendere decisioni informate, basate su dati attendibili, frutto di software accurati e affidabili. Oggi è possibile valutare le prestazioni di un nuovo materiale in diverse condizioni d’uso oppure verificare le performance di un nuovo processo di fabbricazione. È un contributo non da poco.
D. Ci parla dell’offerta di ANSYS per l’industria aerospaziale?
R. L’industria aeronautica e aerospaziale è stata sempre tra i pionieri della progettazione e realizzazione di sistemi complessi, e, di conseguenza, dell’impiego della simulazione numerica. Oggi stiamo vivendo un momento particolare nel mondo dell’ingegneria, che paragonerei al Rinascimento: agli ingegneri è affidato il compito di rispondere a problemi vitali del nostro pianeta. Sto pensando a sfide che nascono, ad esempio, dalle norme ambientali che impongono riduzioni importanti su consumo di carburante ed emissione di rumori, con la conseguente necessità di adottare materiali più leggeri, di effettuare studi aerodinamici sempre più spinti, esplorare la possibilità di adottare nuovi carburanti o nuove configurazioni dei motori. Penso alla necessità di diminuire i costi di sistemi sempre più complessi, dove l’elettronica cresce a dismisura; i passeggeri richiedono standard di comfort elevati e gli spazi aerei saranno aperti a velivoli senza pilota, ora impiegati solo in missioni militari. Tutto questo deve essere realizzato garantendo standard di sicurezza assoluti. Durante il meeting dello scorso aprile alla Malpensa abbiamo affrontato proprio alcuni di questi temi insieme ai manager di alcune tra le più importanti aziende aeronautiche italiane e ad alcuni rappresentanti delle università. Oggi per affrontare tali esigenze sono necessari tool di simulazione integrati: le soluzioni verticali che analizzano una sola fisica si devono adattare. Ad esempio, per analizzare durante le fasi di volo un’ala di un UAV, probabilmente fatta in materiale composito, è necessaria un'opportuna modellazione del materiale, svolgendo su questo modello un'interazione fluido-struttura nel dominio del tempo. ANSYS automatizza buona parte di questo processo, che fino ad oggi gli analisti ottenevano con grande sforzo di programmazione, investendo il loro prezioso tempo non nell’analisi ma nella sua preparazione.
Simulazione di un’ala con ipersostentatori estratti utilizzando il modello SST (basato su un modello Laminar-Turbulent Transition). L’immagine mostra, tramite i colori, il wall shear stress con la separazione del flusso e la relativa turbolenza.
Gli esempi si estendono all’infinito, perché il mondo in cui viviamo è “multifisico”: se analizziamo l’emissione di un'antenna annegata in un composito, il raffreddamento di un chip, se studiamo come minimizzare i consumi dell’elettronica di bordo o come diminuire il consumo di carburante di un motore, ci troviamo necessariamente a considerare problemi in cui le diverse tipologie fisiche sono interconnesse. ANSYS ha riconosciuto questo trend oltre 10 anni fa e da allora ha iniziato a sviluppare i suoi tool in questa direzione. Il progetto prevedeva allora un ambiente unico per meshing, importazione CAD e manipolazione della geometria, setup dell’analisi, esplorazione di design tramite importazione di parametri CAD, analisi dei risultati. Così è nato Workbench. Ma i prodotti sono solo una parte della visione: abbiamo investito ingenti risorse in infrastrutture per rendere il processo di simulazione il più efficiente possibile. Si pensava già allora ad automatizzare molte funzioni, creare sistemi per favorire la collaborazione tra team (anche sparsi per il mondo) e la gestione delle informazioni generate dai simulatori, e si lavorava per parallelizzare i calcoli e sfruttare le potenzialità dei multiprocessori. Oggi tutto questo è possibile nell’ambiente ANSYS: abbiamo realizzato quanto avevamo annunciato 10 anni fa e stiamo continuamente migliorando, release dopo release. Non dimentichiamo tuttavia le persone: tramite training, sessioni di aggiornamento e servizi dedicati di consulenza le aiutiamo a utilizzare al meglio le novità dei nostri sistemi, affinché generino valore per le loro aziende.
D. La simulazione si sta evolvendo oltre gli aspetti ingegneristici, diventando determinante anche come modo di promuovere e vendere il prodotto finale stesso. Qual è il suo punto di vista? E come sta lavorando ANSYS in questa direzione?
R. L’industria aeronautica e aerospaziale richiede dalla simulazione risultati accurati che consentano una progettazione robusta, priva di difetti e in cui si prevengono guasti e malfunzionamenti. Investiamo moltissimo nel rendere il nostro software veloce e affidabile, certificando il processo di sviluppo e di testing. Appartiene al nostro DNA, essendo nati 42 anni fa come simulatori strutturali per l’industria nucleare americana, un altro ambito in cui l’affidabilità dei risultati non può essere messa in discussione. Ciò porta vantaggi competitivi importanti per i nostri utilizzatori. Un esempio: un nostro cliente del settore aerospace ha ottimizzato i cicli di revisione di alcune parti del suo velivolo in base a studi di possibile malfunzionamento realizzati con i nostri software. Prima di questo tipo di analisi si tendeva ad essere conservativi, senza però avere un reale aumento della sicurezza. Per contro, è immaginabile il costo elevato nel tenere a terra troppo spesso un aereo passeggeri, sostituendo anzitempo molte parti. L’ottimizzazione dei cicli di verifica porta il velivolo ad essere più produttivo e meno costoso da gestire: caratteristiche che sicuramente sono interessanti da valutare per chi ne deve approvare l’acquisto. Nel convegno di Malpensa abbiamo parlato dei problemi di affidabilità degli UAV: se è vero che il loro impiego in aree urbane oggi è limitato a situazioni di emergenza, a causa di un 'buco' nelle regole di gestione degli spazi aerei, domani l'aspetto critico potrebbe essere l’affidabilità del mezzo. Se uno di questi sistemi perdesse il controllo in un'area desertica e in un teatro di guerra, le probabilità di fare danni, oltre alla perdita del sistema stesso, sarebbero molto limitate; ma in nostre zone densamente popolate, l'eventualità di un evento simile rappresenterebbe un problema assai grave. Il miglioramento di tali velivoli è spesso dovuto alla simulazione, e, in particolare, al nuovo modo di simulare i sistemi nella loro interezza e complessità. Attraverso la simulazione molte aziende dimostrano la capacità di essere critiche nei confronti delle loro scelte di progettazione, attente a fare in modo che il loro prodotto sia esattamente come è stato pensato dagli ingegneri. Per questo in ANSYS diciamo che “aiutiamo le aziende a realizzare le promesse legate al loro prodotto”. Se ci fate caso, le imprese tendono sempre di più a mettere in luce le proprie capability legate alla simulazione, fino al punto di inserirle nell’annual report. Il nostro compito è fornire a queste aziende strumenti sempre più precisi, veloci e affidabili nella simulazione di sistema: dobbiamo permettere loro di creare prodotti sicuri, gestendo una complessità che, senza strumenti come la simulazione, sarebbe impensabile anche solo immaginare.
Simulazione fluidodinamica delle linee di flusso in prossimità della fusoliera del Predator-B. Courtesy of General Atomics Aeronautical Systems, Inc..
D. Quanto è importante l’interazione con i clienti e gli utilizzatori nel vostro ciclo di sviluppo del prodotto? Quanto tiene conto ANSYS del feedback degli utenti?
R. Storicamente i software di simulazione e il loro sviluppo sono sempre stati molto legati al mondo industriale e guidati dalle aziende leader, tanto che non sono affatto rari i casi in cui un codice commerciale sia nato come soluzione scritta all’interno di un'azienda per la soluzione di un problema specifico. Possiamo quindi affermare che c’è un forte allineamento tra l’industria, i suoi problemi, e i software di simulazione. Con l’evoluzione del software, che ha iniziato ad essere impiegato in diversi settori industriali e per un numero infinito di problemi molto diversi tra loro, e con l’aumento della complessità dei prodotti, è diventato sempre più critico il fatto che lo sviluppo del software sia legato alle esigenze e alle priorità del mondo industriale. In ANSYS esistono diversi livelli di interazione che vanno dal Client Advisory Board, comitato che include le più importanti aziende internazionali, nostre clienti, agli esperti di diversi comparti che girano il mondo per incontrare i manager delle imprese, e infine, ma non meno importante, assicuriamo un supporto tecnico che conta un migliaio di ingegneri, senza contare i Channel Partner, i quali raccolgono giornalmente una mole incredibile di informazioni direttamente dagli utenti durante i training o le sessioni di supporto. Tutti i dati raccolti sono gestiti in un sistema che orienta il nostro comitato interno di sviluppo prodotto, il quale assegna poi diverse priorità rispetto a quanto emerge a livello mondiale, in modo da rispondere non solo ai bisogni dell’industria, ma anche, per quanto possibile, anticiparli, individuando i trend più importanti. In un paradigma di “open innovation”, vantiamo solide relazioni anche con università e centri di ricerca, molto attenti alle esigenze locali. In Italia, solo per citare un esempio, è stato sviluppato il morpher RBF-Morph, completamente integrato in ANSYS Fluent e che permette di ottenere risultati notevoli nell’esplorazione di design e nell’ottimizzazione aerodinamica.
D. Può farci un esempio di come la simulazione e in particolare le soluzioni ANSYS sono utilizzate nell’industria aerospaziale?
R. È molto difficile portare esempi in poche righe. Il primo invito che vi faccio è di visitare la sezione aerospace del sito web di ANSYS, dove è possibile visualizzare e scaricare alcuni di questi (www.ansys.com/Industries/Aerospace+&+Defense).
Tornando ancora al convegno di Malpensa, abbiamo presentato per ciascuna fisica una serie di esempi di applicazioni, evidenziando l’impatto delle tecnologie quali HPC, Workbench per la simulazione multifisica, Simplorer per l’analisi di sistema, EKM per la gestione dei dati e per renderli accessibili e utilizzabili a team remoti. Tali applicazioni sono migliaia, ed è difficile descriverle tutte. Quello che abbiamo fatto è stato cercare di offrire esempi di fluidodinamica (aerodinamica esterna, raffreddamento di sistemi elettronici e motori, comfort delle cabine passeggeri), di analisi strutturale (strutture in materiali compositi, gestione delle interazioni fluido-struttura, analisi degli impatti in volo, vita a fatica) ed elettromagnetica (design di motori elettrici, di chip e PCB, antenne e radar, riduzione della traccia radar e delle interferenze elettromagnetiche). I progettisti conoscono bene queste applicazioni: ciò che si può fare oggi è utilizzarle in modo integrato, sul sistema, per risolvere problemi di affidabilità, solidità della progettazione, gestione della complessità. È un invito che rivolgiamo ai direttori tecnici: sfidateci attraverso le vostre sfide. Spesso le abbiamo già affrontate, in altri settori industriali o in altri contesti, e possiamo portare un know-how importante per far crescere le aziende che si rivolgono a noi.
Stress load di un seggiolino eiettabile, simulato valutando un abbandono velivolo alla velocità di 750 mph (oltre 1.000 km/h). Courtesy Concurrent Technologies and Goodrich Aircraft Interiors.
