Studio della monoscocca della KTM X-BOW, composta da oltre 300 strati di materiale. Su gentile concessione di KTM Technologyes GmbH.
Analisi del posizionamento di una antenna all’interno di una vettura. Per evitare interferenze tra i sempre più numerosi elementi elettronici, e per massimizzare la ricezione dell’antenna stessa, lo studio del posizionamento dei dispositivi diventa sempre più critico. La simulazione dell’antenna non è sufficiente: deve essere fatta all’interno del sistema.
La simulazione di un motore elettrico, se orientate al suo massimo rendimento, non può prescindere dalle componenti termiche, acustiche e meccaniche. L’unico modo per ottenere una macchina altamente ottimizzata è quello di analizzare contemporaneamente tutte le forze che agiscono sul motore stesso, per arrivare al miglior compromesso progettuale.
Il settore automotive, e quello dei trasporti più in generale, stanno seguendo alcuni trend che condizionano molte delle decisioni legate alla progettazione e alla fabbricazione dei nuovi veicoli. Analizzandoli, possiamo comprendere le sfide che le aziende fornitrici dovranno affrontare nei prossimi anni per rimanere competitive, e quali tecnologie e strumenti le aiuteranno a esserlo.
di Paolo Colombo, Manager European Strategic Programs di ANSYS.
I nuovi mezzi di trasporto richiedono trend evolutivi che condizionano numerose decisioni legate alla progettazione e alla fabbricazione dei veicoli. Solo attraverso un’analisi ben condotta – lo ripetiamo costantemente in ANSYS (www.ansys.com/it_it) – è possibile comprendere le sfide che si dovranno affrontare per rimanere competitivi e quali tecnologie e strumenti le aiuteranno a esserlo. Una delle iniziative strategiche più facili da individuare e capire è quella relativa alla riduzione di consumi ed emissioni, legata non tanto (o non solo) al prezzo dei carburanti e al rischio futuro del loro esaurimento, ma a regolamenti e standard internazionali sempre più stringenti quali CAFE’ ed Euro6, vincolanti per i costruttori. Questo significa investimenti in ricerca per l’ottimizzazione della combustione nei motori a scoppio, l’evoluzione del powertrain elettrico, e della rete di ricarica, la necessità di modificare il design dei veicoli e di utilizzare materie plastiche e compositi in modo più massiccio per la riduzione dei pesi, con una maggiore attenzione all’aerodinamica.
I VINCOLI DELL’AERODINAMICA
Alcuni di questi argomenti non sono certo nuovi: l’attenzione per l’aerodinamica del veicolo è un tema ben conosciuto, che però si sta arricchendo di nuovi filoni. La ricerca dell’estetica nella vettura si scontra con gli obiettivi puramente tecnici, e l’impiego dei materiali leggeri pone ulteriori limiti legati ai loro processi di fabbricazione. Lo studio del comportamento dei flussi d’aria impatta anche sul comfort di viaggio, come nel caso della progettazione del condizionamento abitacolo o in quello della prevenzione dei rumori generati dagli specchi retrovisori. Si tratta di un aspetto la cui importanza per il cliente aumenta di anno in anno, e di conseguenza anche per l’industria. La criticità di queste aree di progetto sta nella necessità di ottimizzare il prodotto in modo molto spinto, per arrivare al miglior compromesso possibile tra prestazioni, necessità produttive ed estetica. La simulazione numerica è di fondamentale importanza per aiutare i progettisti, perché permette l’ottimizzazione attraverso l’esecuzione di numeri elevati di test virtuali. È evidente che, per ottenere un risultato utile, è necessario utilizzare software che garantiscano sia una grande accuratezza – altrimenti non si sarebbe in grado di spingere l’ottimizzazione al limite –, sia un’elevata velocità, con capacità di sfruttare risorse HPC e le architetture multicore e multi-GPU delle attuali workstation: altrimenti non si riuscirebbe a effettuare un numero sufficiente di test in tempi ridotti.
IL RUOLO DELL’ELETTRONICA
Vi sono invece trend più recenti che, iniziati da qualche anno, stanno diventando predominanti. Molte delle grandi innovazioni nel settore trasporti riguardano l’impiego di elettronica, sistemi di comunicazione, interfaccia uomo-macchina. Nell’automobile di 20 anni fa l’elettricità serviva a gestire luci, accensione delle candele e radio.
Entro il 2020, Toyota vuole offrire ai propri clienti l’opzione con alimentazione ibrido/elettrica su tutti i modelli di gamma. Nelle auto moderne, la condotta del veicolo è assistita dall’elettronica, che prolifera anche con l’obiettivo di migliorare il comfort di bordo. Il software governa molte delle funzioni dell’auto, dal motore alla trazione, dai dispositivi di sicurezza fino alla climatizzazione dell’abitacolo. L’auto del prossimo futuro rientra nella grande idea dell’Internet of Things, quella dei dispositivi connessi e che si parlano attraverso antenne e sistemi wireless. L’automobile che si guida da sola non è poi così lontana e vediamo comparire nuovi player che mai avremmo pensato di associare con il mondo automotive, come Apple e Google.
Anche gli studenti dell’Università si cimentano in progetti di auto elettriche, alla ricerca di sistemi di ricarica rapidi delle batterie (vedi anche la foto in home page). Su gentile concessione dell’Università la Sapienza di Roma.
LA SIMULAZIONE NUMERICA
Si apre uno scenario nuovo dove ci scontriamo con una complessità di prodotto senza precedenti. Molti di questi sistemi, costituiti di parti meccaniche, elettroniche e software di controllo, sono critici per la sicurezza. Questo significa che non possono incorrere in malfunzionamenti imprevisti. Ancora una volta la simulazione numerica è uno strumento importante per garantire l’integrità del prodotto e le sue prestazioni nel tempo, ma anche per contenere le risorse necessarie allo sviluppo. Circa metà dei costi legati al software dipende dal testing e dalla certificazione, necessarie per gli impieghi critical safety in automotive e nel mondo dei trasporti in generale. Queste fasi dispendiose sono anche solitamente piuttosto lunghe. Rispetto al passato abbiamo quindi la necessità di operare non con software di simulazione altamente specializzati su di una fisica, ma con piattaforme integrate che permettano di valutare fenomeni fisici di origine diversa (elettromagnetica, strutturale, fluidodinamica) nella loro interezza, che possano generare e validare il software di controllo insieme all’applicazione (SCADE di Ansys genera un software già certificato in accordo con le norme automotive ed aerospace), e gestire simulazioni sia di dettaglio che di sistema. C’è infatti un’interazione tra i componenti del sistema che ne altera, spesso in modo importante, le performance. Non è quindi detto che, assemblando i migliori componenti disponibili, si ottenga il miglior sistema. Grazie a questa intensa ed estesa attività di verifica e validazione, si ottiene un prodotto più robusto, capace di soddisfare i clienti e ridurre le prestazioni in garanzia, uno dei parametri che oggi più preoccupano i manager delle case automobilistiche. Gli interventi in garanzia sono infatti sempre più costosi e danneggiano l’immagine di affidabilità oggi così importante nel mondo automobilistico.
E, per finire, sul canale https://www.youtube.com/watch?v=v6KmI4jB9Ak gustiamoci un buon video!
Lo studio di nuove tipologie di accumulatori richiede analisi su fattori che hanno un grande impatto sulla sicurezza. In mancanza di un raffreddamento adeguato una batteria può diventare inefficiente, o anche esplodere e causare un incendio.
Lo studio dell’aerodinamica di un’autovettura è fatto di compromessi. Tipicamente, un centro di ricerca analizza circa 500 variazioni di forma del veicolo all’interno della finestra temporale (sempre più stretta) destinata allo sviluppo del profilo aerodinamico e deve tenere conto delle prestazioni attese dal veicolo, dei vincoli stilistici, del confort di viaggio.