La simulazione numerica è stata indicata dal Dipartimento della Difesa USA come uno strumento essenziale per la gestione della complessità odierna dell’industria aerospaziale.
L’Autore, Aerospace & Defense Industry Director di ANSYS Inc., propone una riflessione sul futuro dell’industria aerospaziale. I velivoli dovranno tenere conto della crescita dei costi di carburante e manutenzione e soddisfare regolamenti sempre più severi sull’impatto ambientale e sulla sicurezza. Simulazione numerica, additive manufacturing, nuovi materiali ed elettronica avranno un ruolo determinante.
di Robert Harwood, Aerospace & Defense Industry Director di ANSYS Inc.
Questo è un periodo di grandi novità nell’ambito dell’industria aerospaziale. Velivoli avanzati come il Boeing 787 e l’Airbus A350 stanno raccogliendo sempre più ordini e le aziende immaginano già la nuova generazione di aerei, quelli che dovranno tenere conto della crescita dei costi di carburante e manutenzione, e soddisfare regolamenti sempre più severi sull’impatto ambientale e sulla sicurezza. Saranno macchine costruite utilizzando nuovi materiali avanzati e tecnologie di additive manufacturing. Avranno ancora più elettronica, gestita da milioni di linee di codice software.
La simulazione numerica è stata indicata anche dal Dipartimento della Difesa USA come strumento essenziale per la gestione della complessità odierna, dopo che i costi di sviluppo dei velivoli sono lievitati in modo insostenibile a causa di errori di valutazione nelle fasi di avanprogetto. Ci sono fattori che sono oggi di estremo interesse per l’industria aeronautica (e per chi si occupa in generale di trasporti). Vediamone alcuni.
DESIGN AFFIDABILE
Europa e Stati Uniti stanno riducendo la spesa per la difesa, mentre si può fare economia lavorando su diversi fattori come la modifica dei processi di acquisto. Come ridurre i costi di prodotti ad alta tecnologia rimane un punto aperto. L’impatto positivo della progettazione basata sulla simulazione incide notevolmente su questo fattore, perché cambia il processo di sviluppo prodotto facendolo diventare più efficiente, rendendo i team di progettazione sempre più preparati ad affrontare problemi complessi con risorse limitate.
Attualmente, nella comunità di contractor nel settore difesa vi è un rinnovato focus sull’implementazione di strategie model-based system engineering. Un obiettivo importante della comunità di progettisti è quello di collegare le specifiche del progetto attraverso modelli funzionali e ad ordini ridotti a simulazioni fisiche dettagliate, realizzate in un ambiente integrato che gestisca il testing e la validazione, e interagisca direttamente con il software di controllo embedded. Ogni step di questo processo contribuisce a ridurre i rischi (e gli elevati costi) di errori identificati in stadi avanzati, migliorare la qualità dei prodotti e aumentare il tasso di innovazione.
La realtà odierna è che lo sviluppo di velivoli richiede una serie di soluzioni di simulazione: dal CAD e PLM ai sistemi COTS, a strumenti sviluppati in-house. Questo insieme di tool diversificati riduce però l’efficienza, poiché molto deve essere creato appositamente per una simulazione specifica, lo scambio dei dati è inefficiente, gli ingegneri più esperti vengono coinvolti in attività di basso livello, e lo staff deve essere seguito e istruito. Le più grandi aziende del modo, operanti in settori anche molto diversi dall’aerospaziale, si trovano ad affrontare questa situazione e stanno sviluppando soluzioni innovative che includono la messa a punto di workflow di simulazione personalizzati e automatizzati che consentono agli analisti esperti di delegare parte del loro lavoro ai progettisti senza sacrificarne la qualità. Integrano inoltre conoscenze e soluzioni di gestione dei dati che riducono operazioni ripetitive e facilitano la condivisione di risultati ed esperienze, facendole diventare un patrimonio aziendale riutilizzabile anche quando i team di lavoro sono geograficamente localizzati in siti lontani tra loro.
Il problema di avere un velivolo sicuro è al primo posto tra le caratteristiche di progetto. Siamo arrivati a una conoscenza così approfondita che anche analisi come l’accrescimento del ghiaccio sulle ali dei velivoli può essere fatta totalmente in ambiente virtuale.
SICUREZZA
Il problema di avere un velivolo sicuro è, ovviamente, al primo posto tra le caratteristiche di progetto. Il livello di complessità che stiamo raggiungendo è però talmente alto che i rischi di malfunzionamento si moltiplicano esponenzialmente. Come essere certi, ad esempio, che il software sia stato testato in ogni suo aspetto? Sappiamo di poterlo fare, ma i tempi e i costi non sono compatibili con quelli che permetterebbero al progetto di sopravvivere. Per questo si è creata una situazione quasi di simbiosi tra test virtuali e fisici, dove la simulazione numerica sostituisce ormai interamente tutte le prime fasi di verifica sperimentale, e i test fisici sono impiegati per la validazione finale di quanto appreso nel mondo virtuale. Siamo arrivati a una conoscenza così approfondita che anche analisi come l’accrescimento del ghiaccio sulle ali dei velivoli, sui motori o sui rotori degli elicotteri può essere fatta totalmente in ambiente virtuale, come dimostrano le applicazioni di Newmerical Technologies International Inc. (NTI), una delle ultime acquisizioni di ANSYS (www.ansys.com/it_it).
MATERIALI EVOLUTI
Il ruolo dei materiali tende a diventare sempre più importante. Materiali multifunzionali verranno impiegati nelle ali dei velivoli e nei sistemi di accumulo di energia, aumentando la resistenza grazie a maggior potenza e minor peso. In ambienti rigidi e in cui vi è l’attenzione alla progettazione sostenibile, i nuovi materiali saranno impiegati per ampliare il ciclo di vita minimizzando i costi. Oggi esistono già dei materiali compositi che cambiano la loro forma se attraversati da correnti elettriche: se ne sta valutando l’utilizzo come sistemi anti-icing, con l’obiettivo di rendere il volo più sicuro e il velivolo ancora più leggero. Ci troviamo quindi in una situazione dove, anche solo per la messa a punto del materiale, è necessario comprendere e governare non più solo la meccanica strutturale, ma anche effettuare analisi elettromagnetiche. La simulazione ha un ruolo primario in ogni stadio di sviluppo dei materiali innovativi: dalla scienza dei materiali fino al design, alla produzione e al supporto al ciclo di vita, e l’utilizzo di piattaforme multifisiche sta diventando indispensabile anche in questo ambito.
Materiali multifunzionali verranno impiegati nelle ali dei velivoli e nei sistemi di accumulo di energia, aumentando la resistenza grazie a maggior potenza e minor peso. La simulazione svolge un ruolo primario anche in ogni stadio di sviluppo dei materiali innovativi.
