Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
5
10
Virtual Prototyping and PIDO in the Spotlight
Optimization of an automotive door panel acting on
injection molding process parameters
16
Il fenomeno del Flutter per Ponti di Grande Luce: uno
studio numerico
21
22
24124 BERGAMO Via Galimberti, 8/D
Tel. +39 035 368711 • Fax +39 035 362970
50127 FIRENZE Via Panciatichi, 40
Tel. +39 055 4376113 • Fax +39 055 4223544
35129 PADOVA Via Giambellino, 7
Tel. +39 49 7705311 • Fax 39 049 7705333
72023 MESAGNE (BRINDISI) Via A. Murri, 2 - Z.I.
Tel. +39 0831 730194 • Fax +39 0831 730194
38100 TRENTO fraz. Mattarello - via della Stazione, 27
Tel. +39 0461 915391 • Fax +39 0461 979201
La sperimentazione navale nell’ingegneria nautica in
Piastra Raffredata da Microfori: Funzionamento e
Progetto STAR (Simulation Technology Aeronautic
La simulazione delle lavorazioni meccaniche delle
Superleghe
38
40
FORGE - Release Notes
FRAMMENTI DI FEM:Flessione secondaria nei
recipienti in pressione in parete sottile
43
44
EnginSoft e il progetto CEFEN
Nuove offerte formative per l’addestramento alle
tecnologie CAE nel 2009
46
Education and Research for Excellence in
modeFRONTIER Community
Engineering
49
A reliability analysis with a Monte Carlo approach
using modeFRONTIER
52
www.enginsoft.it
e-mail: [email protected]
SOCIETÀ PARTECIPATE
COMPANY INTERESTS
ESTECO
34016 TRIESTE Area Science Park • Padriciano 99
Tel. +39 040 3755548 • Fax +39 040 3755549
www.esteco.com
CONSORZIO TCN
38100 TRENTO Via della Stazione, 27 - fraz. Mattarello
Tel. +39 0461 915391 • Fax +39 0461 979201
www.consorziotcn.it
Enginsoft è presente alla conferenza annuale di
ANSYS a Pittsburgh
45
Per l’acquisto di spazi pubblicitari all’interno della nostra
Newsletter si prega di contattare l’ufficio marketing:
Luisa Cunico - [email protected]
EnginSoft S.p.A.
Research)
32
Pubblicità
Design of Composite Structures
Tracciamento di Particelle
27
Per ricevere gratuitamente una copia delle prossime
Newsletter EnginSoft, si prega di contattare il nostro
ufficio marketing: [email protected]
Tutte le immagini utilizzate sono protette da copyright.
Ne è vietata la riproduzione a qualsiasi titolo e su qualsiasi supporto senza preventivo consenso scritto da
parte di EnginSoft. ©Copyright EnginSoft Newsletter.
Software to Meet the Toughest Challenges in
Victory Design
24
Newsletter EnginSoft
Anno 5 n°3 - Autumn 2008
The failure behavior of glass mat reinforced
ESTECO GmbH - Germany
ESTECO UK - United Kingdom
EnginSoft France - France
ESTECO Nordic - Sweden
Aperio Tecnologia en Ingenieria - Spain
www.enginsoft.com
ASSOCIAZIONI PARTECIPATE
ASSOCIATION INTERESTS
NAFEMS International
www.nafems.it
www.nafems.org
TechNet Alliance
www.technet-alliance.com
thermoplastics (GMT) - optimization of the
parameters slim and erods
53
54
modeFRONTIER at TUBITAK-SAGE in Turkey
DIRETTORE RESPONSABILE - RESPONSIBLE DIRECTOR
Stefano Odorizzi - [email protected]
Why students join the modeFRONTIER university
program
55
STAMPA - PRINTING
Grafiche Dal Piaz - Trento
modeFRONTIER Event Calendar
NEWSLETTER EnginSoft è un periodico
trimestrale edito da EnginSoft SpA
The EnginSoft NEWSLETTER is a quarterly
magazine published by EnginSoft SpA
Autorizzazione del Tribunale di Trento n° 1353 RS di data 2/4/2008
CASE HISTORY
Sommario - Contents
3
4
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
EnginSoft Flash
In autumn 2008, EnginSoft has launched several initiatives that
we regard as milestones in the development of our organization
and network.
First of all, our three major CAE Conferences in Venice are
approaching. On 16th & 17th October, experts from various
industries, research & academia, software development will
come together and unify the industrial and scientific worlds of
Simulation.
The Conference Program of TCN CAE 2008, which has gone online
in early September, features technical contributions from around
the world, on such topics as, medicine, materials and methods,
process integration and multi-objective design optimization.
Furthermore, management, technical and open sessions on
industrial applications, relevant to automotive, aerospace,
energy and consumer goods are included in the agenda. The
uniqueness of the TCN event is also reflected by such futureoriented topics as education and co-funded research projects.
In 2008, the EnginSoft Users’ Meeting celebrates its 15th
anniversary as an annual occasion for those responsible for CAE
and Virtual Prototyping in industry. The conference focuses on
the innovation of the industrial design process featuring CAE as
an indispensable tool for competitiveness. As such, the event
showcases the modeFRONTIER, ANSYS, LS-DYNA, MAGMASOFT,
Flowmaster, ESAcomp technologies.
The ANSYS Italian Conference 2008 will take place within the
frame of the EnginSoft Conference as in previous years
underlining EnginSoft’s status as the official ANSYS distributor
in Italy. ANSYS expert users from all over the country will
capture their audience under the ‘motto’ of the 2008 Worldwide
ANSYS Conferences: Inspiring Engineering.
The modeFRONTIER international users’ meeting traditionally
takes place in Trieste where the ESTECO headquarter is located.
The dates of the meeting, 14th & 15th October, have been
chosen to allow the many delegates from abroad to conveniently
combine their stay for the following CAE events in Venice.
ESTECO is proud to offer a top-class program with speakers from
BMW, EADS, Volkwagen, VOLVO, ABB and many more esteemed
organizations. modeFRONTIER users from around the world will
meet with software developers and experts to discuss
applications, latest developments and the capabilities and
diversity of modeFRONTIER.
The Venice and Trieste events will offer unique CAE occasions for
our audiences to exchange experiences and latest knowledge,
find new business partners, renew existing relations, and to get
inspiration for the year ahead.
A major step forward in
EnginSoft’s commitment
to education and research
is the launch of our
Training & Recruitment
Initiative in September
2008.
Based on our conviction
that a full understanding
of
new
complex
technologies and the
necessary
permanent
development
of
expertise requires a Ing. Stefano Odorizzi
modern
working General Manager EnginSoft
environment, we have elaborated a structure for a series of
Training Courses which will commence in February 2009. Course
Graduates will be invited to enter into assignments with
EnginSoft or its partners in Europe.
We also invite our readers to follow the contributions on
modeFRONTIER, specifically the article which demonstrates the
successful coupling with Moldflow or the reliability analysis with
a Monte Carlo approach.
This issue also includes a contribution from The Institute of
Polymer Engineering, University of Applied Science
Northwestern Switzerland and their work in optimization.
The Software News this time feature the ESAComp’s 4.0 version
and the design of composite structures. One of the key
competences of our Civil Engineering Team is the design of longspan suspended bridges, and this issue includes an article on the
challenges related to flutter phenomena.
We introduce Victory Design, their work with the ANSYS software
and Virtual Prototyping in naval engineering. The Newsletter
also provides Projects News, this time on our activities linked to
CEFEN and STAR, as well as the latest modeFRONTIER News and
Event Calendar.
The EnginSoft Team looks forward to the pleasure of welcoming
our readers to Venice (16th & 17th October) and Trieste (14th &
15th October) to share our enthusiasm for excellence in
Engineering!
Stefano Odorizzi
Editor in chief
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
5
Virtual Prototyping and PIDO
in the Spotlight
In mid-October 2008, four closely linked conferences will
bring together and melt the industrial and scientific worlds
of simulation, offering their audiences state-of-the-art
technologies and deep insights into future developments.
Leading players and well-known speakers from the fields of
virtual prototyping, process integration, and multi-objective
optimization, various industries, research, software
development, academia, and consultancies will come together
to offer the most promising, inspiring and largest event of
its kind in Italy - with wide international participation.
The Conferences that will take place
concurrently in Venice on 16th and
17th October are:
• TCN CAE 2008 International
Conference on “Simulation Based
Engineering and Sciences”
• EnginSoft Conference 2008 “CAE
Technologies for Industry”
• ANSYS 2008 Italian Users’ Meeting
The NH Laguna Palace Hotel in
Venice/Mestre will provide a made-tomeasure location for the fusion of the
three main conferences. The stunning
venue boasts Europe’s biggest
transparent glass roof and a marina
that links the hotel with all canals of
the world-famous historic city of
Venice, built on water. The state-ofthe-art conference center and central
exhibition area, with software and
hardware vendors from around the
globe that await our audiences, will
unify the three conferences to a notto-be-missed CAE occasion.
Prior to the Venice Conferences, on
14th and 15th October, in nearby
Trieste, the bi-annual modeFRONTIER
international users’ meeting 2008 will
be hosted by ESTECO srl, the program
developers.
All these events will offer a unique
forum in which enabling technologies,
as well as industrial applications will
be presented and discussed from a
business-value perspective, allowing
the participants to plan their path
through the various sessions and
contributions, and hence to take the
maximum advantage of these unique
CAE occasions.
Various independent technological
studies say that computer modelling
and simulation are key elements for
achieving progress in engineering and
science in the 21st century.
Today, we are facing an enormous
expansion in our ability to model and
simulate an almost limitless variety of
phenomena and industrial processes.
However, and at the same time, the
challenges of making progress are as
substantial as the benefits.
Certainly, it is crucial for all involved in
the technology circle, from researchers
to
industrial
practitioners,
to
understand better the working methods
and directions of their developments,
implementations and the use of the
various technologies. Conferences like
those organized in Venice and Trieste,
will help exploring ways on how to
integrate virtual prototyping across
multiple
disciplines,
including
mechanics, dynamics, CFD, crash,
durability and fatigue, acoustics,
process simulation, control systems. In
addition, the Conferences will address
questions on how to:
•
•
•
•
•
•
Qualify and quantify the value of
computational techniques
Implement virtual prototyping early
in the design process
Manage virtual prototyping across
the supply chain
Integrate and manage trade-offs
between simulation and test &
measurement
Qualify cost-benefits of high
performance computers
Overcome barriers for data sharing
and interpolation.
Furthermore, the agendas will include
business management issues, such as:
• Cost-benefit analysis
• Organizational challenges
• Knowledge capture
• Design methodologies and training
• Deployment of virtual prototyping
across the supply chain
• Reduction of testing
• Supporting infrastructures
• Staff skills profiles
• Management of data
• Failure scenarios
• Investment protection and similar
TCN CAE 2008 International
Conference on “Simulation
Based Engineering and
Sciences”
TCN Consortium is a private company
with the primary objective to provide
state-of-the-art training to those
people involved in fostering company
innovation and competitiveness.
During the course of the year, TCN
offers training at different levels and
through
various
methods,
for
disciplines related to CAE, Virtual
Prototyping and Testing, as well as to
complementary disciplines which are
bound to statistics, data structures,
information technologies and software
engineering in general. The aim is to
6
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
make the corresponding software
technologies usable for industry with
particular emphasis on the production
context.
Ever since its foundation in 2001, TCN
has experienced a growing demand for
its different initiatives including:
• Short courses (more than 80
courses are on offer in 2008)
• Web-based courses (more than 50
courses with a unique set-up)
• Mini-Masters (TCN Mechatronics has
become a sort of “trademark”)
• Research on education and
educational methods,
• specifically for EU-funded pilot
projects in the frame of the
Leonardo da Vinci Programme and
• one Marie-Curie Project, where
TCN acts as coordinator, about 500
fellowships could be established
within the frame of this initiative
• Bi-annual TCN-CAE Conferences.
Since TCN CAE’s first edition in
Sardinia, 2nd-5th October 2003, the
International Conference has received
recognition for its unique approach: to
build a bridge between research &
academia, technology providers,
industrial practitioners and managers.
With the same perspective, the 2008
conference is featuring:
• A plenary session, with keynotes
addressing the topics of the
subsequent program parts
• Three separate sessions on
‘enabling technologies’ designed
around the themes of medicine,
materials and methods, process
integration and multi-objective
design optimization
• Four
separate
management,
technical and open sessions on
industrial applications, relevant to
sectors such as automotive,
aerospace, energy and consumer
goods;
• A separate session on education
and co-founded research (mainly EU
co-founded projects).
Keynote Speakers include such
distinguished personalities from
university, research, industry and
technology as:
• Giulio Maier, Professor Emeritus of
Structural Engineering at the
Technical University of Milan, and
Rector of the International Centre
of Mechanical Sciences of Udine,
who will address the problem of
“Inverse Analysis Procedures for
Mechanical Characterization of
Materials and Diagnosis of
Structures”
• Roberto Cingolani, Professor of
General Physics at the University of
Salento and Invited Professor at
Tokio University, as well as Director
of the prestigious National
Nanotechnology Laboratory at
Salento University, who will present
an overview on “Nanomaterials with
Enhanced Mechanical and Chemical
Performances”
• Thomas Gasser, Department of Solid
Mechanics of the Royal Institute of
Technology in Stockholm, who will
speak about “A Simulation based
Diagnostic
System
for
the
Abdominal Aortic Aneurysm”
• Nevio Di Giusto, General Manager
and CEO of Centro Ricerche Fiat. and
Elasis S.C.p.A (Fiat Research is a
co-founder and current member of
TCN), who will discuss “CAX Systems
as enabling Instruments for
Automotive Innovation“
• Christophe Behar, Director of the
Research Centre CEA/DAM-Ile de
France, who will introduce “The
High Performance Computing Center
at CEA” as well as its “Applications
and Perspectives”
• Dan Nagy, Program Director of the
IMS International Research and
Development Initiative
• Further keynote speakers will open
the
parallel sessions of the
conference.
TCN CAE 2008 will meet the
expectations generated by its
predecessor meetings and provide the
ideal international forum for best
possible interaction and exchange
between
attendees,
exhibitors,
sponsors and patrons!
The EnginSoft Users’
Meeting 2008. CAE
Technologies for Industry
The
EnginSoft
Users’
Meeting
celebrates its 15th anniversary as an
annual occasion for those responsible
for CAE and Virtual Prototyping in
industry. In fact, the conference is
focused on the innovation of industrial
design (and production) processes,
identifying CAE as the indispensable
tool to improve quality, efficiency and
efficacy towards competitiveness. The
conference will strive to provide
answers to such key questions as:
•
•
•
•
What are the possible solutions for
manufacturers
to
overcome
organizational and technological
challenges and obstacles in order to
realize the full potential of virtual
prototyping?
How can analysis and product
design be linked together more
closely?
Are there any available processes
and tools that can coordinate and
manage the data and workflow
resulting from integrated design
and analysis?
What are the best methods for
deploying and managing virtual
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
7
dedicated to the main software that
EnginSoft supports and distributes –
ANSYS, modeFRONTIER, LS-DYNA,
MAGMASOFT, Flowmaster, ESAcomp
among others. Highlights will be new
software
developments
and
applications!
The ANSYS 2008 Italian
Conference.
•
•
•
•
prototyping
across
dispersed
enterprises and supply chains?
Will the investments made by
technology providers lead to higher
quality and more productive
solutions?
How can virtual prototyping
technologies be cost-justified when
payback may be expected in years
ahead in the future?
How should CAE and virtual
prototyping
be
deployed
throughout
the
product
development process to ensure the
greatest possible impact on costs,
time and quality?
How can we efficiently provide
suitable and ongoing training for
new technologies?
The event will be opened by a plenary
session with keynote addresses from:
• Stefano Odorizzi, General Manager
and CEO of EnginSoft on “The
impact of CAE on the Innovation of
the Design Process in Industry”
• Professor Carlo Poloni, General
Manager and CEO of Esteco on
“modeFRONTIER, a Tool for Process
Integration and Multi-objective
Collaborative Design Optimization”,
and
• Jim Cashman, President and CEO of
ANSYS, Inc.
As EnginSoft is the Italian distributor for
the ANSYS suite of software technologies,
the EnginSoft Conference 2008 hosts also
the ANSYS 2008 Italian Conference. Both
events are highly interconnected,
specific ANSYS applications will be
presented in all four parallel sessions of
the EnginSoft Conference.
Case histories and CAE experiences
contributed by outstanding Ansys expert
users from all over Italy will perfectly
underline the ‘motto’ of the 2008
Worldwide ANSYS Conferences: Inspiring
Engineering. More specifically, the
multiphysics approach - a unique
solution and comprehensive coupled
physics tool combining structural,
thermal,
CFD,
acoustics
and
electromagnetic simulation capabilities
in a single software product - will be
highlighted.
The plenary part will be followed by
four parallel sessions representing the
four main industrial areas: automotive,
aerospace, energy, consumer goods.
Moreover, the conference program will
feature workshops and courses
The multiphysics context was actually
pointed out at the 2007 EnginSoft
Conference, and it was on this occasion
that Keith Hanna, Corporate Marketing
Director Europe, ANSYS, Inc., interviewed
Stefano Odorizzi.
The interview focused on Stefano’s
viewpoints and visions on the evolution
of multiphysics solutions as well as future
challenges to overcome. The interview
will appear shortly in the ANSYS
Advantage magazine. Some words taken
from the interview are worth to be
mentioned here, since they anticipate key
topics of the discussions at the upcoming
conferences.
Excerpt from ANSYS Advantage Magazine,
edition 3/2008 published by ANSYS, Inc.
Remarks by Stefano Odorizzi, EnginSoft
S.p.A. made during an interview with
Keith Hanna, ANSYS, Inc.
8
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
“As multiphysics and advanced modeling
methods become more advanced,
simulation-based engineering and
science will be indispensable in meeting
the technological challenges of the
twenty-first century. The process will not
be “simulation as usual” for narrow
studies of individual parts and assemblies
but rather will be focused on complex,
inter-related engineering systems and on
analysis results that meet specified
standards of precision and reliability.
Hence engineering simulation will
develop new methods, technologies,
procedures, processes and planning
strategies. All these will be key elements
for achieving progress in engineering and
science. To reap these benefits, however,
four significant obstacles must be
overcome:
First, we must revolutionize the way we
conceive and perform simulation. In this
respect, the mass success of computerbased engineering simulation may be its
own worst enemy, because the knowledge
base, methods and practices that enabled
its achievements to date now threaten to
stifle its prospects for the future because
of organizational inertia and a reluctance
to implement new approaches.
Second, we must make significant
advances in supporting technologies,
including those for structuring the way in
which models are built and organized.
These technologies have a huge impact
on the complexity, solution time and
memory capacity required, and even
today, some of the most complex
turbulent-flow problems cannot be
currently solved on the world’s largest
and fastest computers. If progress
continues at the rate of Moore’s Law,
such solutions may not become practical
for decades unless effective multiscale
modeling technologies are developed to
represent the entire range of complexities
from minute individual component
details up to broad system-level
characteristics.
Third,
meaningful
advances
in
simulation-based
engineering and sciences will require
dramatic changes in education.
Interdisciplinary
education
in
computational science and computing
technology must be greatly improved.
Interdisciplinary
programs
in
computational science must be
encouraged, and the traditional
boundaries between disciplines in higher
education must be dissolved for
information to be exchanged smoothly
between scientists and engineers
collaborating within teams from multiple
disciplines.
Fourth, because of the interdisciplinary
character and complexity of simulation,
we must change the manner in which
research is funded. Incremental, shortterm research efforts are inadequate and
instead should be replaced by long-term
programs of high-risk research. Moreover,
progress in such research will require the
creation of interdisciplinary teams that
work together on leading-edge
simulation problems.
Should applied mathematics
and computer science
methodologies be focused
on computational science at
this broad scale in
overcoming the above
barriers, there is ample
evidence that developments
in multiphysics and related
new
disciplines
could
significantly impact virtually
every aspect of human
experience”.
Stefano’s
concluding
thoughts in the interview
said: “Also, among the
world’s leading CAE software
suppliers, ANSYS, Inc. has
the right long-term vision
and is making significant
investments both in the core disciplines
of science and engineering and in the
development of algorithms and
computational procedures for dynamic
multiscale, multiphysics applications.
Do I personally think we will get to a
point of science fiction becoming science
fact within the next decade or two, where
design engineers focus most of their
efforts imagining product variants and
product innovations while computers
churn away in the background spitting
out predictions in real time? I really do
think these dreams will become reality in
my lifetime.”
The modeFRONTIER
International Users’ Meeting
2008
To stay competitive and gain market
share, companies are forced to
continuously improve the quality of
their products. While this has been a
longtime-held belief for most
managers, only in recent years has it
become clear that achieving higher
quality is not necessarily at odds with
efforts to reduce cost and time-tomarket.
The modeFRONTIER International Users’
Meeting traditionally takes place at the
Mediterranean, in the beautiful city of
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
Trieste, where ESTECO’s headquarter is
located. The dates of the meeting, 14th
& 15th October, have been chosen to
guarantee smooth onward travels for
delegates from abroad to nearby Venice
for the following CAE events on 16th &
17th October. After all, it is only a
convenient journey of about 1,5h by
car or train from Trieste to Venice, the
world-famous city built on water.
The 2008 modeFRONTIER event
features top-class speakers from BMW,
EADS, Volkwagen, VOLVO, ABB and
many more esteemed organizations.
modeFRONTIER users from around the
world will meet with software
developers and experts to discuss
applications, latest developments, new
features, and the capabilities and
diversity of modeFRONTIER, one of the
best multidisciplinary & multiobjective design optimization tools
available on the market today.
As in previous years, the accompanying
exhibition in the Foyer will serve as a
platform for exhibitors, including
EnginSoft, and attendees to meet and
share technical know-how, experiences
and visions for the future.
The conference’s plenary session
features keynotes from:
• Bombardier on the optimization of
the Zefiro High-Speed Train
• Fiat on their optimizations and
• Advanced
Simtech
on
the
application of modeFRONTIER in
real world collision reconstruction.
The 10 subsequent parallel sessions are
designed around the main themes and
applications of:
• Automotive
• Aerospace
• Civil Engineering
• Electromagnetism and antenna
related applications and challenges
Further topics will touch fuel cells,
BGA, welding processes, pump design,
composite structures and other.
The plenary sessions that follow are
interconnected with the main
conference topics and will wrap-up the
discussions and offer further and more
general overviews on the impact and
potential of the PIDO.
Be Inspired about Optimization - Come
and meet us in Trieste on 14th and
15th October 2008!
CONCLUSIONS
The word “Inspiration” naturally brings
up many good thoughts. In the CAE
context, certainly the motto of the
2008 Worldwide ANSYS Conferences
comes up in our minds: Inspiring
Engineering.
We are confident that our attendees
that we are delighted to welcome to
Venice and Trieste will be inspired
about the technical programs, the
discussions, the social evenings and
the venues we have chosen.
It was inspiration for excellence in
engineering
and
for
making
investments for the future of CAE and
Virtual Prototyping that has guided us
to include the topics of Education and
Knowledge Transfer into the conference
agendas. We want to pass on and share
our inspiration for engineering,
computational science and computing
technologies with the next generation
of engineers. The EnginSoft Training &
Recruitment Initiative offers unique
opportunities for interdisciplinary
education in simulation to young
people
with
inspiration
for
engineering!
Additional info on 2008 Conferences:
• Conference Guides for each of the
events will be handed out to the
attendees at the Welcome Desks.
The Guides provide a variety of
useful information, such as
conference programs, exhibitor
lists, logistic details and more.
• Electronic Conference Proceedings
will be available, also for those who
could not participate ! We
encourage anybody who was not
on-site, but would like to have
insights into the range of worldclass technical presentations, to
contact EnginSoft and/or Esteco to
receive a free copy of the
Proceedings!
9
Dedicated web sites:
http://tcncae08.consorziotcn.it
http://meeting2008.enginsoft.it
http://www.ansys.com/itconference2008
http://um08.esteco.it/
SPONSORS
10
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Optimization of an automotive door
panel acting on injection molding
process parameters
Ottimizzazione di un pannello per
porta d’automobile agendo sul
processo di stampaggio a iniezione
Il caso studio in oggetto si riferisce
all’analisi del processo di stampaggio a
iniezione e della progettazione dello
stampo del pannello della Grande Punto.
La configurazione iniziale dello stampo
è stata fornita da Johnson Control Italy
(JCI), che ha preso parte a questo
lavoro.
Dati la geometria del pannello, il
materiale, le caratteristiche della
macchina e la procedura di stampaggio,
Fig. 1 – Door Panel model
ambizioso progetto sono stati Moldflow
MPI, con cui è stato costruito il modello
Fig. 2 – The optimization process, automated by modeFRONTIER
ed elaborati i parametri del processo di
stampaggio
a
iniezione,
e
modeFRONTIER, con cui sono stati
controllati e processati i parametri e gli
obiettivi dell’ottimizzazione. In una
fase successiva si è proceduto
all’integrazione di Moldflow MPI con la
strategia di ottimizzazione, così da
ricercare la miglior combinazione tra i
parametri iniziali che soddisfacesse le
condizioni date. I risultati, visualizzati
ed analizzati con gli strumenti di postprocessing disponibili in modeFRONTIER,
hanno fornito utili indicazioni: con soli
44 tentativi, e l’integrazione di
Moldflow/modeFRONTIER
(ed
in
particolare
grazie
all’efficienza
dell’algoritmo MOGT) è stato possibile
ridurre, contemporaneamente, la forza
di chiusura del 30% ed la deformazione
del 29%.
The challenge
The present work refers to the study of
an injection molding process and the
mold design of a door panel (front
medallion – 3 doors car) from the Fiat
sono stati fissati degli obiettivi
qualitativi da raggiungere rispettando
alcuni vincoli operativi. Come spesso
accade per problemi ingegneristici,
anche questa sfida si è prefissa di
ottenere
contemporaneamente
miglioramenti e performance tra loro in
conflitto, riducendo al contempo i costi
di produzione.
Gli strumenti utilizzati per questo
Fig. 3 – Mesh of the model
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
11
MPI by using a midplane model,
including about 37.000 triangular
elements. The hot runner system has
been defined by beam elements. The
mesh of the panel and of the hot
runners is shown in fig. 3. Mesh
diagnostics commands have been used
to detect and fix model errors, such as
high aspect ratio or overlapping
elements.
JCI provided indications on the
characteristics of the injection molding
machine: an important aspect to be
considered is that the clamp force
value for this part should be under
1350 tons. A few preliminary Moldflow
Fig. 4 – Typical packing profile
Grande Punto 199 Project. The initial
mold design is from Johnson Control
Italy (JCI), which co-operated to
realize this work. The door panel
geometry is shown in fig. 1: its
dimensions in the XY plane are
approximately 1050 mm (width) and
550 mm (height), and it is injected by
a hot runner system. The used injection
molding machine is a “tandem”
machine, capable of injecting two
molds at the same time. In the present
case, the right and left panel are
injected by the same machine. The
material used for this part is a
Polypropylene with 10% mineral filler.
The goal is to increase part quality
while respecting some manufacturing
constraints.
To
achieve
these
objectives, output values, such as Zaxis deformation (warpage), material
flow pattern and weld line positions,
have to be improved. Simultaneously,
the clamp force should be reduced in
order to cut the cost of the process.
This scenario represents a typical
challenge in engineering, with various
and often conflicting objectives.
Fig. 5 – Position and number of valve gates
The tools available to achieve the
given objectives are Moldflow MPI for
the injection molding simulations, and
modeFRONTIER for the automation of
the multi-objective optimization, and
as data post-processor.
The Moldflow MPI model and the
process assumptions
The part has been modeled in Moldflow
Fig. 6 – Desired position for the last point to fill.
12
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Fig. 7 – modeFRONTIER optimization workflow (with under development version of the Moldflow MPI
node, updated at the present paper first release).
MPI analyses clarified that it is
extremely difficult to respect such
clamp force limits when using only
three injection points for the mold.
This is mainly due to the relatively long
flow lengths within the part when
using only 3 gates: hence the maximum
pressure, and particularly the clamp
force, are too high for the considered
machine. Therefore, the number of
injection points has been set to a
constant value of five in the
subsequent optimization, even though
it is possible to consider the number of
injection points as a variable within a
modeFRONTIER project.
The thickness of the part is
approximately constant around 2.8
mm: such a value was obtained by the
customer itself as a good compromise
between
cost,
structural
and
processing needs. For this reason,
thickness has not been included as a
free parameter to be investigated, even
though it would be possible within a
modeFRONTIER optimization.
Optimization parameters
Among all the process parameters
controlling part quality and clamp
force, 8 have been selected as the most
sensitive ones, and subsequently set up
as
“input
variables”
in
the
modeFRONTIER optimization workflow
linked to the Moldflow MPI model.
The packing profile has been
parameterized giving modeFRONTIER
the opportunity to control the packing
pressure, packing time (time during
which constant packing pressure is
applied) and decay time (time from
packing pressure to zero pressure). A
typical packing profile is shown in fig.
4.
This is important not only with respect
to the clamp force, but also in order to
control the warpage of the part.
JCI recommended to use a packing
pressure of about 25 – 35 MPa for this
material. To better study the influence
of packing pressure on design
objectives, packing pressure values
between 20 and 50 MPa have been
considered.
The total cycle time has been
determined after a few introductive
analyses, taking into account the
characteristics of the injection molding
machine: its value is around 45s,
including approximately 14s of mold
opening time. Since the order of
magnitude of the filling time is about
5s, as found out after some preliminary
analyses, about 26s are consequently
available for the packing and the
cooling of the part.
Considering also other characteristics
of the process (such as re-dosing time),
it has been decided to investigate the
influence of the total packing time on
the design objectives (in particular
with the aim to achieve warpage
reduction),
by
assigning
two
independent input variables to the
packing time and the decay time, both
can span from 0 to 20s, without
exceeding a maximum of 20s together.
This is possible in the modeFRONTIER
workflow by assigning a constraint to
the sum of the independent variables.
In this case, the positions of the
injection points (see fig. 5) could not
be changed significantly, due to
customer requests and constraints
related to the mold and part geometry.
Instead, it was possible to use hot
runners with valve gate control, and
hence search for the optimal valve
gates’ opening times. Considering that
in general, it is not convenient that a
single valve gate opens before the flow
front reaches the valve itself (to avoid
weld line forming) and that injection
starts from gate1, the delayed opening
times of valve gates number 2-5 were
controlled by modeFRONTIER as
independent input variables. This
allowed the optimizer to control the
flow pattern and the balance of fill
without changing the injection gates’
positions.
Delay time ranges for gates 2 and 3
were set to 0-2s, the ones for gates 4
and 5 to 0-1.5s.
Moreover, the melt temperature has
been considered as an input variable,
because of its influence on flow
pattern, clamp force (melt temperature
influences viscosity of material and
hence injection pressure and clamp
force during filling) and warpage of the
part. The melt temperature has been
set free to vary between 220 and
260°C.
Mold temperature has been set as a
constant of 40°C, since all the
preliminary analyses proved that any
change of mold temperature in the
material’s recommended range had only
secondary effects on the results of
interest, with respect to the other
variables.
Optimization objectives
In order to describe and control the
part
quality,
besides
warpage
minimization, another important
parameter to consider is a proper filling
pattern. Controlling flow pattern and
positioning weld lines in the least
sensitive areas are important design
objectives which allow to obtain good
quality parts. In the present case, it
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
has been agreed with the customer to
control the position of the last zone to
fill: it is important to note that this
part (where a weld line is likely to
form) is located in an hidden area of
the medallion after having been
assembled into the whole door
structure. The zone recommended by
the customer is shown in fig. 6:
shots in the most serious cases. In the
modeFRONTIER project, a constraint
has been assigned to the minimum
flow front temperature result: if more
than 10°C lower than melt
temperature, the solution is going to
be penalized within the optimization
loop.
Within modeFRONTIER it is possible to
extract from any Moldflow MPI analysis
the position of the last-filled-point,
In summary, the following 8
independent input variables have been
set:
Fig. 8 – Initial design and selected optimal solution within the two main objectives’ space.
and to assign as objective the
minimization of the distance of such
node from the wanted zone.
Another important result from the
Moldflow MPI analyses is the flow front
temperature which provides important
indications on the quality of the part.
A big difference between minimum
flow front temperature and melt
temperature can lead to bad quality
weld lines, flux hesitations and short
•
•
•
•
packing pressure;
packing time and decay time;
melt temperature;
delay times for valve gates 2-5;
while the 3 objectives to be pursued
simultaneously by the multi-objective
optimizer have been:
• minimize the clamp force in Z
direction (mold open direction);
• minimize the difference between
maximum and minimum value of
Tab. 1 – Comparison between the initial design and the selected optimal solution, as input variable
values and as objective improvements.
13
out-of-plane
(Z
direction)
deformation;
• minimize the distance of the last
filled node from the desired zone.
Additionally, a constraint has been set
to the difference between minimum
flow front temperature and melt
temperature; some small bosses with
low thickness, present in the part, were
not included in this verification.
The representation of the whole
optimization
process
is
the
modeFRONTIER workflow depicted in
fig. 7.
Integration of Moldflow MPI and
optimization strategy
After the creation of the workflow of
fig. 7, modeFRONTIER is ready to
search for the best combination of
input parameters, building and driving
automatically several Moldflow MPI
studies towards the optimum.
In particular, the link between the
Moldflow
MPI
project
and
modeFRONTIER has been managed via
Moldflow’s API, and hence without any
ASCII file creation. In this way, it is
possible to let modeFRONTIER control as input parameters - virtually any
process parameter defined in the
Moldflow study, as well as other
entities, such as gate numbers and
positions, shape and thickness of some
parts, eventually linking any external
CAD system. The multi-disciplinary
nature of modeFRONTIER allows the
user to set up mixed optimizations,
connecting to the process simulation
also other analyses, such as fiber
orientations, FEM analyses, and so on thus linking in other commercial CAE
tools or in-house codes in the same
optimization loop.
Despite of the fact that the
optimization described here, only
involves process parameters, the space
of the possible solutions combining the
8 defined parameters is wide, actually
in the range of 1016 different
responses. Therefore, due to a time
constraint of one weekend on a single
processor
machine
as
total
optimization time, a very efficient
14
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Fig. 9 – Initial design (left) and selected optimal solution (right), Z axis deflection
Fig.10 – Initial design (left) and selected optimal solution (right), clamp force
the variables to be optimized from one
player to another, dynamically during
the progress of the optimization, and
accordingly to the statistical influence
analysis of each variable.
The result is a robust stochastic
algorithm able to approach the Pareto
Frontier (the whole set of nondominated solutions of multi-objective
problems) within a few attempts which
is extremely useful for engineering
problems with a limited solution time.
In the described project, a maximum
number of Moldflow studies of about 60
was available by leaving the solver to
work automatically, driven by
modeFRONTIER’s MOGT, all over a
weekend using a single processor
workstation.
Optimization results
The results obtained by the MOGT
algorithm have been visualized by
applying the modeFRONTIER post
processing charts. With regard to the
two main objectives, the minimization
of warpage and clamp force, the scatter
chart shown in Fig. 8 has been
particularly useful. It represents each
of the Moldflow study results by means
of a marker. Each green bubble shown
Fig. 11 – Initial design (left) and selected optimal solution (right), filling time plot
optimization stochastic algorithm,
available in modeFRONTIER, has been
chosen.
This algorithm, named MOGT (MultiObjective-Game-Theory), is based on
the work of John Nash on the game
theory. In a competitive game, there
may be several conflicting objectives
to be achieved. Each player can
optimize a certain variable subset
assigned to him/her with respect to
the unique objective, using a fast
mono-objective strategy. In any case,
all the variables that are not under
his/her own control, are the result of a
previous optimization step carried out
by all the other players. Hence, they
obviously influence his/her search.
The solution is an equilibrium point
that occurs when the choices of the
two players do not change in the
following steps. This choice represents
the best compromise for the
objectives: it is a unique solution,
however, this solution depends on the
way the variables’ space has been split
among the players.
For this reason, the modeFRONTIER’s
MOGT implements an adaptive
mechanism that allows to redistribute
Fig. 12 – Correlation indexes for each input
parameter (lines) over the two main objectives
(columns), modeFRONTIER’s correlation matrix.
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
15
shows that decreasing this last factor
has not a huge but still a negative
effect on the warpage (-0.22
correlation). The reduction of the
warpage is widely controlled by the
packing time (increasing is beneficial)
and by the gates’ delay times.
The melt temperature, within the
assigned variation limits, appears not
to be a primary factor with regard to
both the objectives.
Fig. 13 – Interaction effects on the warpage of the two factors “melt temperature” and “packing
pressure”, modeFRONTIER interaction chart
is a solution respecting assigned
constraints on total packing time and
minimum flow front temperature, while
a yellow marker does not.
The green dotted line groups the most
interesting solutions. In particular,
number 44 was selected as the most
interesting compromise between the
two main objectives.
Table 1 illustrates the comparison
between the initial solution and the
optimized one. As shown right, the
improvements were considerable and
simultaneously obtained with respect
to all the three objectives. On the left,
we can see the peculiar parameters’
combination which guarantees such
results. Packing pressure has been
reduced (beneficial in reducing clamp
force) with respect to the initial
design, but not abated to the minimum
allowed in the defined range. In the
same way, the total packing time has
been increased but not up to the
maximum allowed, testifying again the
conflicting nature of the objectives. A
peculiar combination of delay times for
the controlled gates has been
detected. This is to control the flow
pattern with respect to the flow front
temperature, pressure and deflection.
Fig.9 shows the improvements
obtained with the warpage behavior of
the part, mainly due to deformation
reduction in the highlighted critical
zones. Fig.10 compares the clamp force
history of the initial and optimized
process: a reduction of the peak value
is clear.
Fig.11 shows how the last-filled zone
(grey cells) has been moved towards
the ideal orange box defined for
aesthetic reasons.
Parameter sensitivity analyses and
optimization data post processing
After an optimization process, the
visualization and exploitation of all the
collected data represents a key issue.
For example, a major topic is detecting
sensitivities, main effects and
interactions of the various parameters
on the major outputs/objectives.
modeFRONTIER offers several powerful
tools to meet these challenges.
In particular, the plot in fig. 12 shows
the result of a correlation analysis over
a reduced factorial Design of
Experiment plan performed as part of
the same study described in the
previous chapters. Correlation indexes
are normalized between 1 (perfect
positive correlation) and –1 (perfect
negative correlation). Therefore, if an
input parameter has an absolute index
value close to 0 regarding a particular
output, it means that its first-order
influence on the same is quite
negligible, as it follows from the
correlation definition:
While the clamp force is dominated by
the packing pressure value, the chart
Interactions analysis can also be
performed. In this case, the response is
a rather strong interaction between
melt temperature and packing pressure
(see fig. 12), which from fig. 11 seem
to be the least effective parameters
over the warpage itself, if varied
separately.
In fact, the interaction chart highlights
how a simultaneous increase of melt
temperature amplifies the effect of a
simultaneous increase of packing
pressure in terms of reduction of
warpage.
modeFRONTIER provides many other
modules, that allow the designer to
take decisions and find satisfactory
tradeoffs between several objectives,
but also tools to cluster and group
multi-dimensional data, to perform
robust design analyses, and to speed
up the optimization campaigns
integrating meta-modelling techniques
(Response Surfaces).
Conclusions
Moldflow MPI and modeFRONTIER have
been coupled in a multi-objective
optimization. Thanks to the efficient
MOGT algorithm, the initial design has
been improved, with only 44 attempts
(Moldflow calculations) reducing clamp
force by 30% and warpage by 29% simultaneously.
modeFRONTIER couples easily Moldflow
MPI with any CAD, FEM or other inhouse CAE software to drive the process
and/or product design towards a multicriteria optimal solution.
Luca Fuligno, Maurizio Facchinetti,
Sergio Sarti - EnginSoft S.p.A.
Andrea Piussi - Esteco srl
Alastair Tweedie, Pierluigi Colombo –
Johnson Controls Inc.
16
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Il fenomeno del Flutter per Ponti di
Grande Luce: uno studio numerico
The flatter phenomenon on longspan
suspended
bridges:
a
numerical study
The present work aims at analysing
the flutter phenomenon on long-span
guyed and suspended bridges, due to
the action of the wind. This study has
been carried out through the weak
Figura 5 - Rappresentazione a mappe di colore per la pressione totale e la norma della velocità - Angolo
di attacco pari a -16°.
Figura 1 - Configurazione di maglia per flusso
parallelo alla direzione globale X.
Figura 2 - Prima configurazione di maglia per
flusso relativo ad angoli di attacco variabili.
Figura 6 - Rappresentazione a mappe di colore per la pressione totale e la norma della velocità - Angolo
di attacco pari a -4°.
Figura 3 - Seconda configurazione di maglia per
flusso relativo ad angoli di attacco variabili.
Figura 7 - Vettori di velocità in prossimità della parete di impalcato e nella zona di spigolo con flusso
incidente.
Figura 4 - Terza configurazione di maglia per
flusso relativo ad angoli di attacco variabili.
coupling of structural and fluiddynamic behaviour. The “Great-Belt
East Bridge” (Denmark) has been used
as reference point for the construction
of the finite element model, since all
necessary information about its
dynamic and aeroelastic behaviour
can be extracted from its rich
bibliography. The main steps of this
articulated analyses are presented in
this article, based on the following
phases: the investigation of the fluiddynamic behaviour of the deck
transversal section though numerical
simulation; the determination of the
instability critical velocity due to
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
17
flatter and the frequency analysis of
the system; the creation of a three
dimensional model for a suspended
bridge (with known characteristics
and configuration) using beam
elements; the estimation of the
critical velocity due to flutter for the
suspended bridge considering also
geometrical non-linearity effects.
The use on ANSYS ICEM CFD 11.0 has
allowed to carry out several
simulations to investigate the
parameters’ effects on the final
results.
Figura 8 - Andamento del coefficiente di Drag.
Figura 9 - Andamento del coefficiente di Lift.
Figura 10 - Andamento dei coefficiente di momento Cm al variare del polo i punti notevoli della sezione
di impalcato.
Scopo del lavoro
Il presente approfondimento tratta il
fenomeno di instabilità da flutter
causato dall’azione del vento su ponti strallati e sospesi di grande luce.
L’analisi è stata svolta con l’approssimazione di accoppiamento debole tra
comportamento strutturale e fluidodinamico e si è articolata nei seguenti punti:
a. Studio del comportamento fluidodinamico della sezione trasversale
dell’impalcato per differenti angoli di attacco, mediante simulazione numerica.
b. Determinazione delle velocità critica di instabilità da flutter attraverso un modello piano di comportamento che risolve le equazioni del moto della sezione soggetta al carico da vento con logica al passo.
c. Analisi in frequenza del sistema a
2 d.o.f debolmente accoppiato al
fine di stimare la velocità critica
di flutter.
d. Creazione di un modello tridimensionale ad elementi Beam per un
ponte sospeso di configurazione e
caratteristiche note.
e. Stima della velocità critica da
flutter per il modello ad elementi
finiti del ponte sospeso con inclu-
Figura 11 - Modello a 2 g.d.l. per la sezione del
ponte “Grealt-Belt”.
18
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
accordo con l’ipotesi di incomprimibilità. Tramite la variazione parametrica della velocità indisturbata, la
variazione dell’angolo di attacco è
stata analizzata tramite la sola variazione delle condizioni al contorno,
lasciando inalterata la mesh del dominio fluido. Per ciascuna delle configurazioni di maglia precedentemente esposte, sono state condotte 20
analisi separate ad intervalli di 2°,
partendo da un valore iniziale di -20°
e finale pari a 20°.
Le figure 5 e 6 illustrano alcuni risultati in termini sia di pressioni totali
che di campo di moto.
Figura 12 - Andamento temporale della traslazione verticale - Rapporto di smorzamento 1%.
La figura 7 illustra il campo vettoriale delle velocità in prossimità della
parete di impalcato; si nota l’andamento logaritmico tipo dello strato
limite laminare. Viene inoltre visualizzato il campo di velocità in prossimità dello spigolo di incidenza della
vena fluida.
I grafici in figura 8 e 9 illustrano gli
andamenti dei coefficienti aerodinamici ottenuti in funzione dell’angolo
di attacco.
Figura 13 - Andamento temporale della rotazione - Rapporto di smorzamento 1%.
sione degli effetti di non linearità
geometrica.
L’opera strutturale scelta come riferimento per la creazione del modello
ad elementi finiti di un ponte sospeso e relativa analisi di stabilità è stato il “Great-Belt East Bridge” sito in
Danimarca ed avente una luce centrale pari a 1924 m. Per tale struttura è
a disposizione una vasta bibliografia
relativa al comportamento dinamico
ed aeroelastico.
Studio fluidodimanico delle forze
da vento sull’impalcato
Nel presente studio sono state condotte diverse simulazioni al fine di
investigare l’effetto dei differenti parametri di maglia sul valore finale
delle forze aerodinamiche agenti sulla sezione trasversale.
Il software utilizzato per la costruzione delle maglie è stato ANSYS ICEM
CFD 11.0.
Si noti come tutte le mesh utilizzate
abbiano una dimensione della mesh
di parete tale da permettere la risoluzione dello strato limite laminare, necessaria per l’utilizzo di un modello
di turbolenza di tipo k-ω.
Le figure 1, 2, 3, 4 illustrano alcune
delle configurazioni di maglia utilizzate.
La simulazione fluidodinamica viene
svolta in condizioni di regime; i numeri di Reynolds che interessano il
fenomeno oggetto di studio, sono in
La figura 10 illustra l’andamento del
coefficiente aerodinamico di momento relativo alla simulazione numerica
ed ai risultati sperimentali. Sono stati riportati gli andamenti relativi a
tutti i poli notevoli della sezione dell’impalcato.
Calcolo della velocità critica di
flutter con modello a 2 g.d.l.
L’implementazione di un programma
in Delphi ha consentito di risolvere il
sistema di equazioni differenziali del
moto di un sistema a 2 g.d.l. tramite
il metodo di Newmark. Si noti che la
non linearità della forzante è integrata esattamente e quindi alcun procedimento di linearizzazione (a parte
quella della rigidezza verticale e rotazionale costante dell’impalcato) è
stato effettuato.
La figura 11 illustra una schematizzazione grafica della trattazione del
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
19
Figura 16 - Vista complessiva del modello globale
unifilare per il "Great Belt East Bridge".
problema di instabilità da flutter tramite modello a 2 g.d.l.
Figura 14 - Andamento delle frequenze fondamentali al variare della velocità del vento incidente – Caso
non smorzato.
Le figure 12 e 13 illustrano l’andamento degli spostamenti verticale e
delle rotazioni per una velocità incidente del vento pari a 50 m/s. Si nota chiaramente l’andamento divergente del moto.
Soluzione linearizzata in frequenza
per la stima della velocità di flutter
Un approccio alternativo per il calcolo della velocità di flutter a partire
dalle caratteristiche aeroelastiche
della sezione dell’impalcato risulta
essere quello in frequenza.
All’aumentare della velocità della vena fluida incidente si nota la diminuzione della frequenza propria rotazionale fino al raggiungimento della sincronizzazione.
Figura 15 - Andamento delle frequenze fondamentali al variare della velocità del vento incidente –
Smorzamento 1%.
I grafici in figura 14 e 15 illustrano il
comportamento del sistema dinamico
allo studio in assenza di smorzamento, ovvero con uno smorzamento pari
all’1%.
Figura 17 - Andamento della velocità del vento in ingresso.
Analisi della risposta tridimensionale aeroelastica del ponte sospeso
Il presente studio si conclude con
l’approfondimento del comportamento aeroelastico di un ponte sospeso
reale caratterizzato da un modello
unifilare tridimensionale. Tale modello simula la presenza dei seguenti
componenti strutturali:
• Impalcato a cassone metallico
monocellulare a piastra ortotropa
con diaframmi interni.
• Piloni a telaio in calcestruzzo
armato.
• Funi principali di sospensione
centrali.
20
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
• Elementi verticali di appensione.
• Elementi infinitamente rigidi di
collegamento tra gli elementi
principali.
La figura 16 illustra una vista del modello globale del ponte sospeso oggetto di studio.
Uno smorzamento di circa l’1% è stato inserito con modalità alla
Rayleigh; la simulazione viene condotta nel dinamico transitorio non lineare con inclusione degli effetti della configurazione geometrica spostata.
La figura 17 illustra il profilo della
velocità in ingresso, con valore a regime pari a 90 m/s.
Figura 18 - Andamento dello spostamento laterale di impalcato nella sezione centrale del ponte.
Le figure 18, 19 e 20 illustrano gli
spostamenti laterali, verticali e rotazionali del ponte durante l’analisi
condotta.
Francisco Garcia Lorente,
Università di Siviglia
Alberto Lovison,
Università di Padova, ESTECO
Daniele Schiavazzi,
EnginSoft S.p.A.
Figura 19 - Andamento dello spostamento verticale di impalcato nella sezione centrale del ponte.
"L’articolo è tratto da un lavoro di
tesi compiuto dallo studente
Francisco Garcia Lorente della
Università di Siviglia, nell’ambito di
un progetto di tirocinio formativo
presso la sede di Padova di Enginsoft
s.p.a. Si ringraziano Alberto Lovison
di Esteco per la stima lineare in frequenza della velocità di flutter e
l’ufficio di Bergamo di Enginsoft
s.p.a. per i preziosi consigli sullo
svolgimento delle analisi fluidodinamiche".
Figura 20 - Andamento della rotazione di impalcato nella sezione centrale del ponte.
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
21
Software to Meet the Toughest
Challenges in Design of Composite
Structures
America’s Cup yachts and Formula 1 cars
represent the ultimate challenge in
computer aided engineering (CAE) of
composite structures to achieve top
performance – required stiffness and
strength with minimum weight, or even
tailored deformation of the aerodynamic
structure with varying speed. The widely
known finite element (FE) codes like
ABAQUS, ANSYS and NASTRAN play an
important role in determining the
structural response for such structures.
But when dealing with composite
materials there is extra complexity in the
modeling and analysis that requires
special tools.
Two CAE software packages that have
been successfully used in the abovementioned high-end applications are
ESAComp by Componeering Inc., Finland,
and ComPoLyX by EVEN – Evolutionary
Engineering AG, Switzerland. Lately the
two companies have decided to merge
their products to form a powerful
software suite for composite design.
ESAComp has its roots in the aerospace
field. The European Space Agency, ESA,
initiated its development in the early
1990’s. Today ESAComp is a standard tool
in the European aerospace industries and
it is increasingly used in “down to earth”
applications in the marine, automotive
and wind energy industries and in
ComPoLyX and ESAComp were used in the design
of United Internet Team Germany’s yacht for
America’s Cup 2007. (Photo © EVEN –
Evolutionary Engineering AG)
general machine building.
ESAComp focuses on material
and laminate level studies and
preliminary design that is
performed prior to FE analysis
of the complete structure. It
has also analysis capabilities
for
specific
structural
elements such as bonded and
mechanical joints and tools
for special considerations like
stochastic analysis.
ComPoLyX is a new product A front wing of a Formula 1 car is shown in the powerful
emerging
from
the ComPoLyX graphical user interface with OpenGL visualization and
model tree.
experiences that the EVEN AG
post processing of FEA results from
team has gained being involved with
ABAQUS, ANSYS and NASTRAN. ESAComp
both America’s Cup and Formula 1 racing.
supports the same FE packages with its
Post processing of FEA results for
export interface. Thus, ESAComp and
composite structures is a non-trivial job.
ComPoLyX complement each other
The standard FE tools have deficiencies
perfectly and fill in the missing pieces in
in their capabilities for handling various
the puzzle of composite simulation.
composite failure modes whereas
Currently ESAComp and ComPoLyX are
ComPoLyX applies the advanced failure
standalone software with data exchange
theories available for practical
capability, but tighter integration has
engineering work. With ComPoLyX it is
already been planned. ComPoLyX is
even possible to consider normal stresses
distributed as part of the ESAComp
in the laminate thickness direction based
software suite through the worldwide
on a standard shell model where these
distribution network for ESAComp.
components are ignored. ComPoLyX puts
also emphasis on the visualization of
results in a meaningful way and thus
For more information:
helps the engineer in the assessment of
Marco Perillo - EnginSoft
results. However, in the post processing
[email protected]
of large models the biggest advantage of
ComPoLyX may come from its
Additional information:
computational performance that is
www.esacomp.com
achieved with the unique internal data
structure. With standard tools,
post processing of composite
results on the layer level can
take much longer than solving
the
model
for
global
displacements. Considering
the need for numerous design
iterations or even automated
optimization, post processing
can
become
the
real
bottleneck in the process. The new ESAComp 4.0 version with its database browser provides
ComPoLyX can be used for an efficient environment for conducting design studies.
22
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
La sperimentazione virtuale
nell’ingegneria navale in Victory Design
Virtual Prototyping applied to naval
engineering in Victory Design
Victory Design, Italian leader in the design and production of race, pleasure
and commercial boats and nautical components, relies on virtual prototyping for
the design and optimization of its products, and in particular of hulls and propellant systems. This article refers to the
analyses and simulations carried out to
improve configurations and performances of the FLEXITAB flap and of its innovative semisubmerged propeller. The integrated use of different ANSYS modules
has allowed to achieve satisfactory results, providing also interesting indications for a further development of the
models, optimizing production time and
costs.
Victory Design nasce dalla passione per
il mare, la tecnologia e la ricerca di
Brunello Acampora nel 1989. I primi
progetti nelle competizioni rappresentano un eccellente banco di prova per
testare strumenti che vengono in seguito utilizzati nelle barche da diporto.
Oggi Victory Design è un punto di riferimento della nautica italiana. Una
struttura con un approccio multidisciplinare e differente da quello della
maggior parte degli ‘architetti nautici’:
Victory infatti progetta barche da competizione, da diporto e commerciali, sia
mono che multiscafi, in vetroresina,
composito e leghe metalliche, senza
trascurare le appendici, i timoni, le carene,i sistemi propulsivi, i componenti
e svariati accessori nautici coperti da
brevetti internazionali.
CFD IN VICTORY DESIGN
A partire dal 2006 Victory Design ha
deciso di intraprendere la strada della
simulazione virtuale applicata alla progettazione e all’ottimizzazione di appendici di carena e di sistemi propulsivi. L’obiettivo è quello di ottenere previsioni affidabili sulle prestazioni di
oggetti che lavorano in condizioni “semisommerse” e quindi sottoposti ad
una non trascurabile interazione con la
superficie libera dell’acqua.
Nasce quindi la necessità di simulare,
in maniera affidabile, campi di moto
multifase caratterizzati dalla presenza
simultanea di fluidi in fase diversa.
FLEXITAB
A valle di una serie di simulazioni, relative ad appendici di carena dalle note prestazioni e caratteristiche, destinate alla presa di coscienza delle effettive potenzialità del software e alla ricerca dei migliori settaggi e dei modelli matematici da impiegare, sono state
effettuate diverse prove sul rivoluzionario flap FLEXITAB, di cui Victory
Design detiene il brevetto, allo scopo
di incrementarne ulteriormente le prestazioni e di fornire le giuste distribuzioni dei carichi ai fini del
dimensionamento strutturale.
Il flap FLEXITAB realizzato in uno
speciale materiale composito risulta essere completamente incastrato e, quando viene azionato
da un cilindro oleodinamico, flette strutturalmente, come avviene
in aria per le pale di un elicottero e per le ali degli aerei.
Il profilo della pala risulta idrodinamicamente avviato e per que- Flexitab
sto più efficiente di un flap convenzionale (rotante intorno ad una cerniera
sul bordo d’attacco) poiché, a parità di
un aumento della spinta verticale, non
corrisponde un altrettanto aumento
della resistenza.
Nelle simulazioni numeriche effettuate
con ANSYS CFX, il flap è stato installato su una carena laboratorio “virtuale”
in assetto di crociera e sono state studiate le distribuzioni di pressione nelle
configurazioni critiche.
Una serie di prove sono state effettuate prendendo in considerazione la configurazione del flap alla massima incidenza e le simulazioni sono state impostate utilizzando e settando in maniera
accurata i modelli matematici per campi di moto multifase. La geometria, opportunamente modellata e semplifica-
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
Modello CAD
ta, e le mesh a maglie esaedriche sono
state sviluppate con il software ANSYS
ICEM.
I risultati ottenuti sono stati il frutto
di numerose simulazioni durante le
quali sono stati affinate le scelte in
termini di parametri e modelli matematici in grado di garantire la migliore
convergenza dei calcoli senza, peraltro,
condizionare la soluzione stessa.
Simultaneamente sono stati effettuati
approfonditi studi destinati al dimensionamento della mesh e del dominio di
calcolo con lo scopo di svincolare la soluzione ottenuta dall’influenza di queste ultime.
I risultati ottenuti permettono di conoscere in maniera accurata le prestazioni del flap in termini di prestazioni, e
quindi di effetti sull’assetto della carena alle varie velocità di esercizio, ma
anche in termini di distribuzione di
pressioni utili per un dimensionamento
più accurato della pala offrendo quindi
la possibilità di ridurre pesi e costi. I
risultati ottenuti numericamente, oltre
a confermare la netta superiorità del sistema Flexitab comparato con i flaps a
cerniera tradizionali, si sono allineati
perfettamente con i valori riscontrati
sperimentalmente su imbarcazioni naviganti.
ELICA SEMISOMMERSA
Applicazioni del software ancor più
spinte hanno riguardato lo studio delle
prestazioni di un modello innovativo di
elica semisommersa, progettata per
Flexitab da Renato ‘Sonny’ Levi e collaudata sperimentalmente sulle trasmissioni Flexidrive.
Distribuzione di pressione
23
Fexidrive POWER 2000
le distribuzioni di pressioni, quindi di
Scopo di queste simulazioni è stato
affrontare problematiche quali la caviquello di confrontare i risultati numeritazione, e di intervenire ancora in fase
ci con quelli sperimentali ottenuti in
progettuale direttamente sul modello
vasca navale con un modello in scala di
virtuale ottimizzando i tempi realizzaelica a 5 pale.
zione del reale sistema propulsivo.
La maggiore difficoltà di questo tipo di
simulazione è legata alla necessità di
C. Cannavacciuolo - Victory Design
modellare, insieme ad un campo di moM. Galbiati, L. Brugali, F. Damiani to multifase, un dominio rotante neEnginSoft
cessario per la simulazione del moto
dell’elica.
Parte del lavoro è stata dedicata
alla modellazione della mesh
computazionale e soprattutto al
dimensionamento del dominio di
calcolo destinato a simulare la
parte statica del volume intorno
all’oggetto rotante.
L’impostazione della simulazione
è stata il frutto di approfondite
ricerche dei settaggi più appropriati e i problemi di divergenza
di calcolo sono stati superati attraverso l’introduzione di opportune UDF (User Defined
Functions) attraverso le quali
sono state definite le leggi di
evoluzione del moto dell’elica e Simulazione elica
del moto di traslazione della
corrente fluida.
I risultati ottenuti, a valle di simulazioni che hanno richiesto
importanti risorse hardware e di
tempo, hanno fornito risultati
più che incoraggianti con scarti,
rispetto ai dati sperimentali,
piuttosto contenuti.
Malgrado siano ancora in sviluppo interventi destinati all’affinamento delle simulazioni numeriche, i risultati danno fin da
ora la possibilità di apprezzare Mesh elica
24
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Piastra Raffredata da Microfori:
Funzionamento e Tracciamento di
Particelle
Microdrilled cooling plate: Particles
operating and tracing
The constant evolution of aircraft
engines
has
achieved
better
performances through the use of gases
with higher temperature. At the same
time these improvements have implied
an increasing risk of overheating that
requires the investigation of new cooling
methods.
An efficient technique is the one
inspired by the transpiration cooling
system that can be used to cool the
turbine walls and blades.
This article presents, in particular, the
problem premises, the construction of
the model and the associated CFD
analyses and results. In this case the
principle of the transpiration cooling is
applied by means of a microdrilled
surface (instead of a porous material)
with a coolant. The main problem, apart
from the production of such surface, is
to keep it efficiently working, avoiding
the holes to be occluded by polluting
particles. The simulation of the particles
trajectories and deposits and the CFD
analyses of the microdrilled surface
functioning have provided interesting
results: different holes imply different
cooling characteristics and convergentdivergent nozzle holes offer overall
better cooling conditions.
IL PROBLEMA
La continua evoluzione dei motori in
campo aeronautico sta contribuendo
sempre più ad aumentarne le prestazioni e migliorarne l’efficienza. Molti
vantaggi si ottengono attraverso
l’utilizzo di più alte temperature dei
gas.
Le pareti e le pale della turbina investite direttamente da tali gas possono avere problemi importanti di surriscaldamento e diventa quindi necessario investigare nuovi metodi di
raffreddamento. Una tecnica che risulta molto efficiente è quella di utilizzare il raffreddamento per traspirazione (“transpiration cooling”) che
consiste nell’impiego di materiali porosi attraverso cui far passare un fluido a bassa temperatura per raffreddare una parete investita da gas caldi.
Attualmente l’impiego di materiali
porosi non è però ancora applicabile
per la realizzazione di parti della turbina ma il principio del raffreddamento per traspirazione può essere comunque applicato attraverso l’uso di
superfici microforate. Uno dei problemi base di cui soffrono tutti questi
sistemi, oltre alla fabbricazione, è
cludere i microfori o le porosità del
materiale. La simulazione delle traiettorie del particolato e dei possibili
luoghi di deposito aiuta a valutare
queste problematiche.
quello del mantenimento di una sufficiente efficienza lungo tutto l’arco
di esercizio del componente, in un
ambiente dove sono presenti vari tipi
di inquinanti, generalmente sotto
forma di particolato che tende a depositarsi sulle pareti solide e ad oc-
IL MODELLO
È stato investigato con analisi CFD il
funzionamento di una superficie microforata per determinare le caratteristiche del raffreddamento sulla parete. Il dominio (ridotto) investigato
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
è interessato da due flussi: un flusso
di aria fredda che da una regione inferiore passa attraverso i microfori ed
entra in una regione superiore dove
un flusso di aria calda investe la parete della superficie. Sono state prese in considerazione 2 diverse tipologie di microfori: cilindrici ed a forma
di ugello convergente/divergente.
I diametri caratteristici sono minori
del decimo di millimetro. L’analisi è
stata fatta considerando la transizione tra moto laminare (all’interno dei
fori) e moto turbolento (resto del do-
minio). Al modello è stato applicato
anche il tracciamento lagrangiano di
particelle nel range dei Pm10.
I RISULTATI
L’analisi termofluidodinamica ha mostrato una diversa efficacia di raffred-
25
damento della piastra utilizzando due
tipologie di fori. I risultati evidenziano che all’interno dei fori esiste sempre un flusso di tipo laminare e, soprattutto, con i fori a forma di ugello convergente/divergente c’è meno
penetrazione del fluido di raffreddamento all’interno della zona calda
con conseguente miglior raffreddamento della parete.
Altro vantaggio della forma ad ugello
è quello di avere un minor quantità di
portata in massa che passa a parità di
pressione totale imposta.
La presenza di particelle nella zona
calda determina zone di accumulo a
monte ed a valle dei microfori, mentre la presenza di particelle nella zona fredda determina possibili ostruzioni dei microfori.
Per ulteriori informazioni:
Stefano Zecchi – AVIO
[email protected]
Michele Andreoli - EnginSoft
[email protected]
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
27
Progetto STAR (Simulation Technology
Aeronautic Research)
STAR Project (Simulation Technology
Aeronautic Research)
STAR stands for a funded Research
Project that EnginSoft’s branch office
took on at the beginning of 2007,
answering a call for proposal of
Regione Puglia, to develop a new and
innovative software technology,
specifically oriented to the aerospace
and aeronautics sectors.
The main objective has been therefore
the development of an innovative
simulation tool, able to overcome the
actual design limits and to allow an
integrated design and optimization of
the associated processes and products.
The 18 months' project has led, as
foreseen, to the creation of a
This project was structured in five
design phases (management of
geometrical information, production,
heat treatments, surface treatments,
welding and use) and in four
transversal engineering processes
(casting,
carburizing,
nitriding,
welding). MAGMA tools were applied to
the casting and solidification
processes, as well as for the residual
stress computation. ANSYS Workbench
instead was used to carry out the
structural analyses. The optimization
procedure took advantage of the
modeFRONTIER
integrated
environment, using some pre-set
workflows.
The management and integration of
every application, within a single data
flow, required to solve several
Figura 1 – treni di processi implementati nella piattaforma STAR
technological platform to build and
possibly implement (in the future) a
virtual environment. The latter will
support the design of an optimization
of computation codes and processes
for aerospace and aeronautical
components.
The idea was to use virtual prototyping
tools to manage, predict and optimize
the real working performances of such
technological components.
problems, most of them different
according to the investigated process.
Interesting examples in such regard
are described in this article, presenting
specific research and ad-hoc solutions.
STAR also aimed at the strong
consolidation of the software tool in
the area (Regione Puglia) to foster
better knowledge transfer to industrial
research and product development. In
this context, the new EnginSoft Office
could contribute significantly. Its
location in the industrial area of
Mesagne, enables the team to
efficiently
support
engineering
activities with its hardware equipment,
to host training initiatives and thus to
promote the industrial exploitation of
the project.
All’inizio del 2006, la Regione Puglia
diede l’avvio nell’ambito dei POR
Puglia 2000-2006, alle procedure relative ai Programmi Integrati di
Agevolazioni (PIA) - Progetti
Integrati Territoriali, Area di Brindisi
(PIT n. 7), il cui oggetto sono programmi di investimento finalizzati alla utilizzazione, tramite l’ampliamento della base produttiva (Misura 4.1
C), dei risultati derivanti da interventi di trasferimento tecnologico e/o da
interventi nel campo della ricerca industriale e sviluppo precompetitivo
(Misura 3.13). EnginSoft S.p.A., con
la sua sede di Mesagne, ha raccolto
l’input offerto dalla regione e ha
prontamente aderito all’iniziativa,
presentando il progetto STAR
(Simulation Technology Aeronautic
Research), il cui scopo è lo sviluppo
per il settore aeronautico ed aerospaziale, di una innovativa tecnologia
software in grado sia di superare i limiti che caratterizzano alcune fasi
progettuali di questo settore, sia di
consentire una progettazione integrata e un’ottimizzazione dei relativi
processi e prodotti.
I lettori più attenti di questa newsletter sicuramente ricordano un articolo facente riferimento a questo progetto, nei termini sopra esposti, in un
numero di circa un anno fa. A distanza di dodici mesi, il progetto è stato
portato a termine e di seguito ne sono tratteggiati i punti fondamentali.
Il progetto STAR è consistito essenzialmente nella realizzazione di una
piattaforma software che tramite la
28
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Figura 2 – schema generale per il flusso logico e il flusso di dati
modellizzazione virtuale di tutta la
“design chain” (quindi anche dei processi produttivi e delle relative condizioni operative che precedono la messa in opera), fosse in grado di gestire, prevedere e quindi anche ottimizzare, le reali prestazioni in esercizio
del prodotto tecnologico oggetto di
studio. A tal scopo, la piattaforma
STAR, il cui sviluppo si è esteso da
gennaio 2007 ad agosto 2008, è stata strutturata in un ambiente unitario
di progettazione virtuale, al cui interno sono stati implementati i codici di
calcolo (sia esistenti sia creati ex novo), necessari per simulare ed ottimizzare le fasi progettuali associate
ai tipici processi tecnologici del comparto aeronautico ed aerospaziale. Le
fasi di cui sopra sono le seguenti:
1. Gestione informazioni geometriche – importazione CAD
2. Produzione
• colata;
3. Trattamento termico
• trattamenti termici massivi;
• trattamento superficiale
a. carbocementazione;
b. nitrurazione;
4. Saldatura
5. Esercizio
Trasversalmente alle fasi ora elencate,
dal punto di vista ingegneristico i
“treni” di processo che hanno significato dal punto di vista industriale sono quelli riportati in Figura 1, vale a
dire:
1. colata
2. carbocementazione
3. nitrurazione
4. saldatura
Figura 3 – metodi gestione WorkBench – MAGMA
La denominazione utilizzata non è
rappresentativa di tutti i fenomeni
studiati nel flusso di processi preso in
esame, ma serve a contraddistinguere
il passaggio che lo differenzia dagli
altri. In linea generale, essi prevedono l’import del CAD, il pre-processing
del modello, la simulazione del processo e/o trattamento termico, l’export delle condizioni finali associate
al processo e/o trattamento termico,
ed infine l’analisi in condizioni di
esercizio del sistema pre-caricato con
le condizioni finali di cui sopra.
Ogni singolo treno di processi è stato
inserito all’interno di un processo di
ottimizzazione. Il comune flusso logico e flusso di dati che sovrintende ad
ognuno di essi può essere schematizzato come in Figura 2 .
La famiglia di prodotti MAGMA è stata utilizzata allo scopo di gestire i
processi di colata, solidificazione e
Figura 4 – sequenza panels (carbocementazione)
calcolo degli stress residui, mentre
ANSYS WorkBench per le analisi strutturali. Il processo di diffusione del
carbonio e dell’azoto presenti rispettivamente nella carbocementazione e
nella nitrurazione, così come il processo di saldatura sono stati riprodotti tramite appositi modelli fenomenologici sviluppati ad hoc (per tali attività ci si è valsi anche della consulenza esterna dell’Università del Salento
– Laboratorio di Scienza delle
Costruzioni
e
Laboratorio
di
Metallurgia del Dipartimento di
Ingegneria dell’Innovazione). La loro
implementazione numerica è stata
eseguita tramite macro e Commands
di ANSYS in linguaggio APDL.
L’ottimizzazione dei processi investigati è stata effettuata tramite la costruzione in ambiente modeFRONTIER
di alcuni workflow pre-impostati che
da una parte fossero in grado di gestire le variabili progettuali cosi come i
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
Figura 5 – Modello Matematico Diffusione Carbonio (1 di 2)
Figura 6 – Modello Matematico Diffusione Carbonio (2 di 2)
diversi vincoli e/o obiettivi, dall’altra
non richiedessero un intervento
“esperto” dell’utente.
La gestione e l’integrazione di ogni
singolo applicativo all’interno di un
unico flusso di dati hanno comportato la soluzione di diverse problematiche, alcune delle quali sono:
• scambio bi-direzionale dati codice
FEM (ANSYS) - codice FEV
(MAGMA) trasferimento delle
informazioni puntuali (caratteristiche fisico-meccaniche e composizione) associate al modello 3D
FEM al corrispettivo modello FEV;
• gestione automatica (procedura
batch) dei codici FEM e FEV, nonché del codice di ottimizzazione
modeFRONTIER;
• gestione automatica del codice
FEM (ANSYS) nell’ottica di pilotare
le nuove routine per le simulazioni dei processi di carbocementazione, nitrurazione e saldatura;
• automazione fasi di pre-processing implementazione in automatico di tutte le operazioni che
sono indispensabili per la fase di
pre-processing ma che allo stesso
tempo non sono strettamente
legate al modello analizzato;
• costruzione di una interfaccia
(GUI) “easy to use”.
Le soluzioni alle problematiche descritte non sono univoche. Ad esempio, nel caso del processo di carbocementazione (che è stato uno dei casi
più complessi da affrontare), una possibile strategia era quella di implementare
in
ambiente
ANSYS
WorkBench le routine dedicate al pro-
29
cesso di diffusione del carbonio, mentre in ambiente MAGMA la tempra con
transizioni di fase e il calcolo delle
proprietà meccaniche.
Per alcuni motivi legati sia all’efficienza computazionale del modello
numerico complessivo, sia alla possibilità di eseguire in batch tutte le
operazioni necessarie, all’approccio
ora delineato ne è stato preferito uno
in cui in ambiente ANSYS WorkBench
sono stati implementati anche la
tempra con transizioni di fase e il calcolo delle proprietà meccaniche, mentre in ambiente MAGMA si è effettuato il solo calcolo delle tensioni residue indotte dal processo. La contemporanea valutazione dei risultati delle
due distinte analisi fornisce la previsione complessiva sul processo di carbocementazione.
La gestione in automatico (procedura
batch) di ANSYS WorkBench e di
MAGMA è stata effettuata con i metodi schematizzati in Figura 3.
A tal riguardo, il lancio di una simulazione MAGMA che non richiedesse
l’utilizzo della sua interfaccia grafica
ma che garantisse nel contempo la
possibilità di modificare diversi parametri di configurazione della simulazione, si è rivelato essere uno dei task
più complessi da risolvere, soprattutto perché non tutti i parametri di simulazione sono modificabili tramite
le interfacce di programmazione
(API).
Per quanto riguarda il dialogo piattaforma – utente, la soluzione tecnica
adottata è stata l’implementazione di
una wizard gestita attraverso una GUI
(Graphical User Interface). I componenti grafici costituenti tale wizard
sono un frame principale nel quale è
inserito di volta in volta il pannello di
controllo associato ad ogni specifica
fase dello scheletro della piattaforma,
il cui settaggio necessiti dell’intervento dell’utente. In Figura 4 è riportata la sequenza di panels nel caso
della carbocementazione.
Gli step implementati nei diversi panels sono:
1. selezione del processo (Colata,
Colata
+
Saldatura,
Carbocementazione, Nitrurazione,
Saldatura);
30
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
quattro fasi (in analogia alle fasi analizzate nel relativo modello matematico):
1. simulazione del processo di diffusione del Carbonio;
2. simulazione del processo di tempra;
3. calcolo delle fasi;
4. calcolo delle caratteristiche meccaniche del pezzo.
Un analogo flusso logico (chiaramente con le dovute distinzioni in virtù
dei diversi fenomeni fisici trattati) si
può ritrovare per la nitrurazione e per
la saldatura.
Il confronto numerico – sperimentale
ha fornito per i diversi processi implementati un buon accordo. In partiFigura 7 – modello per l’implementazione numerica della carbocementazione
2. selezione del file CAD da analizzare;
3. modifiche guidate al file .dsdb con
intervento dell’utente necessario
per caratterizzare l’analisi scelta
(questo specifico passo avviene
non tramite un pannello della
wizard, ma direttamente nell’ambiente di pre-processing del solutore strutturale);
4. inserimento dati di simulazione e
di ottimizzazione (valori delle
costanti e range delle variabili da
ottimizzare);
5. post-processing.
Lo sviluppo dei modelli matematici
per i processi di carbocementazione,
nitrurazione e saldatura con la successiva implementazione numerica è
stato uno degli obiettivi realizzativi a
maggior valore aggiunto dell’intero
progetto. A titolo esemplificativo di
seguito si riporta per la carbocementazione una breve descrizione. Il modello matematico per la diffusione del
carbonio è rappresentato in modo
schematico in Figura 5 e 6 (il calcolo
delle caratteristiche meccaniche si è
basato sulla media pesata delle caratteristiche delle singole fasi). La routine sviluppata in ambiente FEM per la
simulazione del processo di carbocementazione, la cui struttura è riportata in Figura 7, è stata articolata in
Figura 9 – profilo diffusione carbonio
Figura 8 – mappatura tenore carbonio
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
31
colare, i profili di diffusione del
Carbonio con le relative curve di durezza forniscono una previsione molto
accurata dei valori sperimentali. In
Figure 8-11 sono riportati alcuni risultati per un albero con diametro di
30 mm, - AISI 5115, mentre in Figure
12-13 per un ingranaggio cilindrico a
denti diritti - AISI 5115.
Figura 10 – curva numerica durezza (AISI 5115)
Figura 11 – curva sperimentale della durezza
Figura 12 – mappatura tenore carbonio
Figura 13 – profilo diffusione carbonio
Stesso discorso per il profilo di diffusione dell’Azoto, mentre il modello
dedicato alla determinazione della
curve di durezza presenta uno scostamento maggiore. Per la saldatura
l’analisi numerico – sperimentale si è
focalizzata sulla determinazione delle
tensioni residue: i test numerici sono
allineati con gli analoghi sperimentali, anche se ulteriore lavoro è necessario per riprodurre in modo più accurato le transizioni di fase.
Come accennato in precedenza, essendo il bando cui si è aderito un PIA
(Programmi
Integrati
di
Agevolazioni), il progetto STAR ha
previsto non solo un intervento in
campo di R&S (Misura 3.13), ma anche un intervento nel campo dell’ampliamento della base produttiva
(Misura 4.1 C).
In altri termini, tramite il progetto
STAR è stato possibile supportare, anche da un punto di vista economico,
la volontà di EnginSoft di acquisire
una sede di proprietà nella zona industriale di Mesagne, dotandola delle
attrezzature (sistema hardware per
calcolo massivo) che hanno consentito di svolgere in modo efficiente le
attività ingegneristiche previste nel
progetto. Inoltre, allineandosi alle altre sedi EnginSoft, le funzioni ora disponibili nel nuovo ufficio di Mesagne
(aula corsi, foresteria) consentono di
svolgere in condizioni adeguate le attività di formazione associate, e non,
alla fase di valorizzazione ed industrializzazione del progetto stesso.
Per maggiori informazioni:
Ing. Marco Perillo
[email protected]
32
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
La simulazione delle lavorazioni
meccaniche delle Superleghe
Superalloys machining simulations
The high-performance material design
focuses, in particular, on the
engineering use of metallic and nonmetallic materials and on productive
processes. The simulation methods aim
at the enhancement of the knowledge
and principles of mechanical design for
thermal and energy implications as
well as their structural HiMech-oriented
characterization.
In such perspective, the machining
simulation for metal removal considers
today two main approaches that are
clearly represented by the two modules
of the Advantage software. The first
one refers to micro-detailed analyses of
cutting edge, part and material
removal (Advantage FEM), whereas the
second one integrates workpiece
material properties and machine
dynamics (Production Module).
As far as materials are concerned,
Titanium, Nickel and Cobalt are
referred to as Superalloys and are of
particular interest because of their
high performances, also with high
temperatures,
and
excellent
weight/performance rate. On the other
hand, due to their difficult
machinability and countless correlated
problems and demands, they require
constant investigation for which
prototyping can become a privileged
tool, carrying out analyses on new
materials, tools, machining parameters
within an integrated environment, with
a dramatic cost and time reduction.
Recent studies have proved how in an
high percentage of cases, the
machining configuration in use
(setting of the tool and its
performances, working speed, …) is
not the optimum one, leaving a good
margin of improvement.
A
first
overview
of
the
ThirdWaveSystems software package as
well as possible applications for
superalloys machining simulations are
presented in this article, demonstrating
how Advantage and Production Module
can be the most suitable tools for the
implementation
of
a
new
product/process procedure and to
achieve an integrated “current
engineering”, from the concept to the
final production.
Il percorso formativo e la progettazione per materiali ad alte prestazioni
pone particolare attenzione all'impiego ingegneristico di materiali metallici e non, e sui relativi processi produttivi. I Metodi di Simulazione si
prefiggono di perfezionare le conoscenze relative ai principi di base della progettazione meccanica con risvolti termico-energetici, e con caratterizzazione strutturale-tecnologica, in
piena sintonia con le tematiche presentate nell'ambito del HiMech.
Lo stato dell’arte propone oggi due
approcci alla simulazione di lavorazioni meccaniche per asportazione di truciolo: il primo affronta il tema a livel-
Figura 1 - Simulazione di foratura su una lega di
Titanio
Figura 2 - Simulazione di fresatura su una lega
di Titanio
Figura 3 - Esempio di tornitura gravosa
lo di micro-dettaglio per analizzare il
contatto fra tagliente, pezzo e truciolo (Advantedge FEM), mentre il secondo rappresenta una diretta integrazione con la programmazione del percorso utensile (Production Module).
Le leghe di Titanio, Nichel e Cobalto,
comunemente raggruppate nella denominazione di superleghe, sono di
estremo interesse per le loro elevate
performance, anche alle alte temperature, e un ottimo rapporto peso–prestazioni meccaniche. Per contro, le
particolari durezze e proprietà termofisiche, abbinate alle apprezzate proprietà meccaniche, incidono fortemente sulla loro lavorabilità, con evidenti problemi di usura utensile, qualità superficiale e una continua ricerca
del set di parametri ottimizzato.
Nelle figure 1 e 2 si possono vedere
due esempi di simulazioni tramite il
codice AdvantEdge.
Introduzione
Il driver tecnologico della ricerca e
sviluppo nel settore delle lavorazioni
meccaniche è sicuramente un sistema
produttivo fortemente flessibile, in
grado di seguire l'evoluzione tecnologica del prodotto e variarne agilmente
i volumi produttivi, semplificando la
riconversione su nuove produzioni. Il
settore del Machining affronta oggi
discontinuità tecnologiche dovute a
diversi fattori quali l'inasprimento
delle normative antinquinamento, la
sempiterna necessità di riduzione dei
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
l'impiego di tale modalità di approccio, creando il presupposto per una
svolta nella percezione ed interpretazione dei fenomeni, accelerando la dinamica dei processi conoscitivi.
Figura 4 – Esempio di simulazione 2D di un
utensile per il taglio di una lega di Titanio
costi; le lavorazioni ad alta velocità,
produttivamente vantaggiose, ma con
problematicità di tuning del sistema
utensile-macchina e, non da ultima, la
sfida dei nuovi materiali ad elevate
prestazioni ma di difficile lavorabilità,
come si vede in figura 3.
La ricerca della prestazionalità e qualità porta a non poter più prescindere
da un approccio di progettazione integrato, in grado di valutare il contributo dei nuovi materiali. Tale approccio
è condotto in modo efficiente utilizzando gli ultimi strumenti avanzati di
engineering, sviluppati negli ambienti
di ricerca, che permettono di valutare
il comportamento della macchina
utensile in modo virtuale, riducendo
costi e tempi di sviluppo e di sperimentazione.
La simulazione numerica, ovvero la
rappresentazione numerica della realtà, e lo sviluppo dei metodi e degli
strumenti di calcolo hanno promosso
Sistemi software, macchine di
calcolo e modelli virtuali
La simulazione di processo rappresenta oggi una consuetudine, nella verifica e nella messa a punto delle attrezzature e dei processi, per la maggior
parte delle tecnologie consolidate. È
grazie alla possibilità di modellare con
accuratezza i fenomeni fisici nei vari
processi, che l'impiego della simulazione numerica permette di affrontare,
anche per tecnologie emergenti, la
scelta ottimale di configurazioni, attrezzature e parametri; consente, inoltre, di svolgere gli approfondimenti
necessari alla miglior conoscenza di
processi complessi, ma anche l'analisi
del comportamento degli utensili
stessi e delle macchine.
Macchine da calcolo sempre più potenti e veloci permettono di accelerare le fasi di progettazione, verifica e
realizzazione di prodotti con qualità
crescenti ed a costi minori. Lo sviluppo naturale della simulazione va verso
una maggior accuratezza dei calcoli,
ma soprattutto, verso l'integrazione
tra le varie fasi del processo di fabbricazione ed il testing virtuale delle
prestazioni del prodotto.
Nella progettazione, il successo dei
metodi di Analisi agli Elementi Finiti
Figura 5 - Le industrie operanti nel campo automotive, aerospaziale ed energetico traggono beneficio
dalle metodologie di ottimizzazione del machining, basate su strumenti di simulazione virtuale FEM
33
(FEA) deriva dalla possibilità di verificare il comportamento strutturale di
un componente o di un assemblato
prima della sua realizzazione, valutando eventuali modifiche di progetto
quando gli investimenti sono ancora
contenuti. Trattandosi di una simulazione agli Elementi Finiti, il calcolo
conduce ad un risultato tanto più
prossimo a quello esatto, quante più
risorse si spendono nel dettagliare input e leggi fisiche, implementate nel
codice, anche a scapito dei tempi di
calcolo. La nuova frontiera è nella ricerca della accuratezza dei modelli di
calcolo, ove il materiale non sia più
caratterizzato nominalmente, ma venga presa in considerazione la storia
della sua trasformazione, lungo ogni
passo del ciclo, e gli effetti sulle sue
proprietà reali. Si sviluppa una metodologia di integrazione fra simulazione di processo e verifica funzionale
virtuale del prodotto, per migliorare
l'accuratezza delle previsioni relative
al comportamento in esercizio del
componente consentendo, quindi, di
raggiungere obiettivi di alleggerimento, qualità e prestazione senza compromettere la robustezza del processo.
Al modello virtuale vengono applicate
le condizioni al contorno, cioè i vincoli di fissaggio e posizionamento, i
carichi di missione di lavoro ed eventuali anomalie, in modo da riprodurre
fedelmente le condizioni di reale funzionamento della macchina. I dati ottenuti sono utilizzati come input per
le fasi successive di riprogettazione
ed
ottimizzazione
strutturale.
Inizialmente si valutano le prestazioni delle singole parti per estendere
successivamente l'analisi ad assiemi
via via più complessi fino al calcolo
della macchina completa. Le forze di
taglio vengono applicate virtualmente
nel punto di lavorazione dell'utensile
sul pezzo, si ottengono quindi informazioni su quali siano i volumi di materiale che fortemente influenzano il
comportamento del componente e
quelli invece dove l'energia di deformazione risulta essere particolarmente
bassa, ottenendo utili indicazioni sulla disposizione più opportuna.
Metodologie di ottimizzazione topologica di macchine utensili consentono
34
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
che; i produttori di utensili hanno raccolto dati dimostrando che:
• in più del 50% delle volte un utensile non è impiegato in modo
appropriato;
• nel 42% delle applicazioni gli
utensili sono usati a una velocità
di taglio diversa da quella ottimale;
• nel 62% delle applicazioni non vi è
un utilizzo delle macchine utensili
al pieno delle loro possibilità.
Figura 6 - Esempio di simulazione 3D di una tornitura di una lega di Inconel
di evidenziare opportunamente il contributo delle varie parti della macchina al raggiungimento degli obiettivi
impostati, con un indice di utilità statico e dinamico del materiale, per prevedere e correggere eventuali fenomeni vibrazionali, capaci di ripercussioni
negative sulla precisione di lavorazione.
Simulazione dell’asportazione
di truciolo
Il fenomeno principale, durante il taglio dei metalli, è l'applicazione di carichi elevati su piccole zone di deformazione, complicato da transizioni di
fase e sviluppo di calore, che rendono
i fenomeni di contatto notevolmente
complessi. Lo studio e l'ottimizzazione del processo consente di ricavare
indicazioni necessarie a ridurre il consumo di energia, predire la rottura e
l’evacuazione del truciolo, la finitura
superficiale e le tensioni residue sul
pezzo.
L'ottimizzazione geometrica dell'utensileria e dei parametri di processo,
condotta mediante l'impiego di tecnologie basate sul Metodo degli
Elementi Finiti (FEM), permette la riduzione di numerose e costose prove
sperimentali. Nella figura 4 si presenta un esempio di ottimizzazione geometrica, realizzata con il codice
AdvantEdge, di un utensile per la lavorazione del Titanio, tramite simulazioni bidimensionali.
Recenti studi hanno evidenziato i difetti dei consueti metodi empirici nella gestione delle lavorazioni meccani-
Figura 7 - Simulazione tramite ThirdWave Production Module 3D della
lavorazione di una girante e visualizzazione delle forze
Nel settore automotive si è constatato che il 35% dei fermi macchina, in
produzione, può essere attribuito a
problemi connessi direttamente al
processo di taglio: in questo ambito si
sviluppano metodologie di ottimizzazione del machining basate su strumenti di simulazione virtuale FEM, opportunamente integrati con verifica
sperimentale. Tali metodologie consentono ai produttori di utensileria la
drastica riduzione dei costi di sviluppo, permettendo analisi strutturate di
nuove geometrie, rivestimenti e nuove
condizioni di taglio in condizioni di
high speed e lubrificazione minimale.
Inoltre, le industrie operanti in campo
automotive, aerospaziale ed energetico traggono beneficio da questa metodologia per ottimizzare i parametri
di processo nelle lavorazioni ad elevata efficienza dei nuovi materiali (figura 5).
AdvantEdge FEM della Third Wave
Systems è un pacchetto software basato sugli Elementi Finiti, con modello matematico Lagrangiano esplicito,
Figura 8 - Visualizzazione dell’intero percorso utensile, tramite ThirdWave
Production Module 3D, della fresatura di una girante e visualizzazione di uno dei
numerosi grafici disponibili
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
35
Figura 9 - Esempi di fresatura di componenti in Titanio
progettato per simulare processi di lavorazione meccanica per asportazione
di truciolo. Il modello comprende il
calcolo della risposta del materiale,
con stretto accoppiamento termomeccanico appropriato per le alte
temperature che si raggiungono in tali lavorazioni; il calcolo del transitorio
termico nel pezzo, nell'utensile ed attraverso l'interfaccia utensile-truciolo;
la generazione e rigenerazione della
mesh in modo automatico e adattativo.
La modellazione del materiale costituisce parte integrante di un'accurata
predizione del comportamento in condizioni di grandi deformazioni e tensioni, prevedendo accuratamente l'incrudimento, il thermal softening per
effetto delle alte temperature e la
sensibilità alla velocità di deformazione. AdvantEdge FEM ha più di 130 materiali già modellati tra acciai, acciai
inossidabili, ghise, alluminio e, soprattutto, materiali speciali, difficili
da lavorare, come leghe di nichel e di
titanio.
I modelli dei materiali usati sono validati per la previsione delle forze, la
forma del truciolo, la sua curvatura,
gli stress residui e le temperature tramite test reali sulle macchine. Ogni
simulazione con AdvantEdge darà una
rappresentazione grafica di due componenti: il pezzo in lavorazione e
l'utensile per il taglio, come si vede
nella figura 6. È possibile usare uno
standard tool o personalizzare un proprio utensile inserendone la geometria.
In entrambi i casi è possibile comunque settare i parametri di mesh in maniera personale per meglio realizzare
la fenomenologia reale del processo.
AdvantEdge FEM 3D, sebbene necessiti di tempi di calcolo maggiori, consentirà all'utente di simulare il taglio
ortogonale e obliquo in casistiche di
simulazione di deformazioni tridimensionali.
AdvantEdge FEM è in grado di predire
l'entità delle forze, delle temperature,
del flusso termico, la formazione del
truciolo, le sollecitazioni, le deformazioni, etc.
Le informazioni sul processo ricavabili con AdvantEdge FEM non si possono
ottenere con le apparecchiature di
test attualmente in uso nell'industria,
ma si acquisiscono unicamente con
lunghe e costose campagne di esperimenti.
Il processo di taglio può essere migliorato in molti modi:
• le informazioni sulle forze e le
temperature si possono utilizzare
per ridurre i tempi ciclo;
• l'analisi delle condizioni termiche
e delle temperature permette di
migliorare la vita dell'utensile e la
qualità del pezzo lavorato;
• la mappa degli stress residui è utile per analisi sulla deformazione
del pezzo e/o di resistenza a fatica.
AdvantEdge FEM permette di analizzare differenti scenari di processo al fine di trovare il miglior compromesso
fra diversi, e spesso contrastanti,
obiettivi.
Simulazione del percorso utensile
Third Wave Production Module 3D integra CAD, CAM, le dinamiche della
macchina, e la proprietà del materiale
del pezzo in un unico modello. Tale
Modulo è progettato per l'analisi delle
forze di taglio, la riduzione dei tempi
ciclo e l'ottimizzazione delle prestazioni della macchina, Off-Line.
Production Module 3D propone una
completa funzionalità CAD e G-code
con l'importazione percorso utensile e
sua visualizzazione, presenta una facilità di set-up del pezzo in lavorazione,
consente il calcolo dei tempi ciclo, dei
tempi taglio/non taglio e la previsione di forza e potenza istantanea, con
conseguente utilizzo ottimizzato della
macchina utensile a controllo numerico. Nella modellazione di processi di
tornitura, fresatura, foratura di parti
finite e/o parziali sono visualizzati risultati che possono essere esportati
per l'analisi delle successive operazioni. L'utilizzo di ThirdWave Production
Module 3D nelle più moderne realtà
industriali, unitamente al know-how
proprio, permette la riduzione di numerose e costose prove sperimentali e
migliora sensibilmente l'indotto produttivo.
ThirdWave Production Module 3D permette infatti di:
• ridurre costose prove di taglio;
• ottimizzare i feed rates per diminuire tempo di ciclo;
• eseguire analisi di stabilità;
• aumentare le percentuali di materiale asportato;
• aumentare l'utilizzo della macchina.
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- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Figura 10 - Fresatura di componenti in Titanio: a sinistra la simulazione, a destra il processo reale
Nelle figure 7, 8 si può apprezzare un
esempio di simulazione di fresatura
con ThirdWave Production Module 3D.
mento primario è dato dalla fase ordinata g BCT e presentano eccellenti
proprietà a temperature criogeniche.
zi elevati per sfruttare l’aumentata resistenza diminuiscono l’allungamento
critico a rottura.
Simulazione della lavorazione meccanica delle superleghe
La prototipazione delle lavorazioni
meccaniche e la loro sperimentazione
virtuale risulta indispensabile ogni
qualvolta siano richieste elevate finiture superficiali e strette tolleranze
dimensionali, in special modo per
componenti in metalli speciali quali le
leghe di titanio e nichel.
Uno dei problemi della lavorazione ad
utensile di leghe di titanio è la notevole infiammabilità in aria delle particelle, per cui si ricorre a potenti impianti di raffreddamento e si evitano
pericolosi accumuli di truciolo; oppure la bassa conducibilità termica, che
sfavorendo la dissipazione del calore
porta ad un notevole aumento della
temperature con i conseguenti problemi di microfusione e reattività a caldo, da cui l’utilizzo di lubrificanti a
basso tenore di cloro. Il valore numerico assegnato al parametro di lavorabilità per il titanio assume valori paragonabili a quelli di acciai legati ed
inox, risultando in genere più difficile
da lavorare nelle forme più legate. Per
quanto riguarda gli utensili è richiesta
una più severa affilatura data la suscettibilità del titanio al danneggiamento superficiale, comportando
quindi una minor vita media degli
utensili e l’aumento dei costi di lavorazione (vedi figure 9 e 10).
Le leghe Inconel 718 rappresentano
un secondo gruppo, nel quale l’induri-
La fase austenitica in molte superleghe Ni-Fe deve mostrare un opportuno
bilanciamento tra i quantitativi di nickel e ferro; questo equilibrio è molto
significativo nell’influenza del costo
della lega ed del range di applicazione
temperatura-sforzo. Tenori elevati di
nickel sono generalmente associati a
maggiori temperature di esercizio, migliore stabilità e maggior costo.
Conclusioni
Per le lavorazioni meccaniche di
asportazione di truciolo dei metalli e
leghe speciali, l’uso di simulazioni e
di sperimentazioni virtuali del processo, così come la validazione dei modelli matematici, riveste una grande
rilevanza o, quasi, una necessità effettiva nella sempiterna ricerca di abbattimento dei costi di produzione e
smaltimento, nell’ottimizzazione di
tutto il comparto produttivo, nella soluzione delle problematicità di tuning
dell’utensile; quindi in tutte le problematiche che insorgono, sia per la difficile lavorabilità dei nuovi materiali
dalle alte prestazioni, sia per le alte
velocità produttivamente vantaggiose.
L’uso dei softwares ThirdWaveSystems
Advantedge e Production Module, si è
dimostrato quindi indispensabile in
tutti i settori in cui l’innovazione tecnologica impone l’utilizzo di materiali
e leghe speciali, le cui lavorazioni non
sono ancora trattate in letteratura o
solo in via di sperimentazione di nicchia.
La quantità minima di nickel per mantenere la matrice austenitica è circa il
25% in peso, l’aggiunta di cobalto o
di altri elementi austenitizzanti può
abbassare significativamente questa
quantità. Alti tenori di ferro, in aggiunta ad un abbassamento del costo
ed ad una migliorata malleabilità,
tendono ad un innalzamento del punto di fusione; sfortunatamente, leghe
ricche in ferro hanno una peggiore resistenza all’ossidazione rispetto a leghe ricche di nickel. In molte applicazioni delle superleghe a base Ni-Fe la
sensibilità all’intaglio è di importanza
critica; la resistenza agli effetti deleteri degli intagli deve essere ottenuta
senza compromettere le altre proprietà meccaniche. Quindi molta importanza va attribuita all’appropriata
scelta della lega ed alla sua lavorazione, in particolar modo per quanto riguarda la tenacità a rottura. Il compito è difficile, in quanto generalmente
la resistenza aumenta e la tenacità diminuisce, così come operazioni a sfor-
L’implementazione di questi software
nelle aziende permette di inglobare
nel “processo sviluppo nuovo prodotto” un potente strumento per realizzare un “concurrent engineering” integrato, e consente un’analisi completa
CAE del prodotto, dal concept fino alla produzione del bene finito.
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
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Fonderie 3M System:
i vantaggi dell’innovazione
L'impresa “Fonderie 3M System s.r.l.”,
nata come azienda individuale negli
anni '60 per iniziativa della famiglia
Olivieri di Sansepolcro, è progressivamente cresciuta e dal 1973 si è insediata nello stabilimento di San Giustino
dove attualmente opera su una superficie coperta di circa 6.000 mq..
L'impresa si è successivamente sviluppata fino alle attuali dimensioni di medio-industria caratterizzandosi nel settore della pressofusione di leghe leggere, principalmente alluminio, nello studio, progettazione e produzione di
stampi destinati alla pressofusione industriale, nella costruzione di macchine
automatiche, versatili e dedicate, dotate di processori elettronici, per lavorazioni di finitura, meccaniche e di controllo di tenuta. Il mercato di riferimento è quello relativo al settore “automotive”, motoristico, elettronico,
meccanico e componentistico nelle sue
applicazioni più ampie e diversificate.
L'impresa dispone di n. 11 impianti di
pressofusione completamente automatizzati, di potenza e capacità variabili
da 250 a oltre 1300 tons, dotati di robot per le movimentazioni interne, di
n. 4 forni fusori di capacità media di
kg. 5000 e di n. 11 forni di attesa.
L'attività produttiva di fonderia è inoltre supportata dai servizi del sistema
qualità, dall'officina attrezzeria che
esegue manutenzioni delle attrezzature
e costruzione di stampi, dall'ufficio
tecnico e progettazione collegato con
il centro studi e ricerche sperimentali
aziendale, dal reparto finiture, trattamenti superficiali e lavorazioni meccaniche.
Gli occupati nei vari livelli dell'organigramma sono circa 70 unità, mentre il
volume dell'attività produttiva è quantificabile in complessivi 2500-3000
tonnellate di leghe annue potenzialmente espandibili fino a 5000 tonnellate.
Il fatturato annuo di Fonderie 3M
System si attesta sui 12 milioni di eu-
ro. Visitate il sito di Fonderie 3M
System all'indirizzo:
www.fonderie3m.com
L’utilizzo di MAGMASOFT
nelle Fonderie 3M System
MAGMASOFT viene utilizzato sin dalla
fase di preventivazione di una commessa, infatti facendo una solidificazione
veloce del pezzo, si è in grado di vedere quali saranno le eventuali criticità.
Facendo pressofusione MAGMASOFT ci
aiuta sin dalla fase di progettazione
dello stampo, infatti possiamo simulare ed esplorare idee innovative sia dei
nostri tecnici che di R&D del settore
fonderia, il tutto prima di iniziare la lavorazione dell'acciaio.
Questa procedura risolve i problemi di
modifica attrezzatura, perché la geometria che poi verrà riportata nello
stampo, sarà quella ottimale, e consentirà di ridurre al minimo gli scarti e azzerare gli sprechi dello stampaggio.
Inoltre con l'analisi a regime termico,
si può salvaguardare lo stampo (e le
parti stampanti) dato che vengono evidenziate le zone più calde, su cui noi
potremmo agire preventivamente inserendo opportuni canali di raffreddamento. MAGMASOFT, e' uno strumento
interessante, anche perché ha nel suo
database molte leghe che negli ultimi
tempi sono sempre più utilizzate dal
settore automotive, rispetto alle tradizionali leghe di alluminio, come ad
esempio: silafont-36, magsimal-59.
MAGMAfrontier infine ci permette di
ottimizzare sia le nuove alimentazioni,
che quelle già esistenti, in modo da diminuire gli sprechi e gli scarti di processo.
Perché MAGMASOFT
e MAGMAfrontier
in Fonderie 3M System
“A seguito di una serie di attente valutazioni dei software presenti sul mercato, abbiamo scelto MAGMASOFT perché
ha dato prova di essere la migliore tra
le tecnologie da noi viste, in linea con
la filosofia delle Fonderie 3M System
che da sempre è quella di investire nelle migliori soluzioni software”, ha dichiarato il Dott. Giuliano Smacchia,
Amministratore Delegato della Fonderie
3M System.
“L'utilizzo di MAGMASOFT farà fare al
nostro reparto tecnico un salto di qualità, in quanto ci consentirà di valutare velocemente numerose alternative
progettuali, scegliendo alla fine la migliore in termini di prestazioni e qualità” – ha aggiunto il Dott. Valerio
Olivieri Presidente delle Fonderie 3M
System – “tutto ciò al fine di andare
incontro ai nostri clienti ed accrescere
la loro soddisfazione che, alla fine, è il
nostro obiettivo più importante”.
“La
presenza
del
modulo
MAGMAFrontier è un qualcosa di assolutamente innovativo che nessun altro
concorrente di MAGMASOFT possiede”
– ha concluso il Dott. Daniele Fedeli –
“inoltre la EnginSoft ci ha affiancato
con professionalità e competenza consentendoci la piena operatività nel minor tempo possibile”.
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- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
FORGE 2008 - Release Notes
Nel mese di settembre 2008 è stato rilasciato da Transvalor il nuovo pacchetto
di simulazione Forge 2008®, lo strumento ideale per la simulazione dell’intero
processo di stampaggio a caldo o a freddo dei più svariati componenti (alberi,
giunti, ingranaggi, flange, raccordi, cuscinetti, bulloni, viti, fasteners, …..). È
possibile simulare la sequenza completa
di un processo di forgiatura multistadio,
con una cinematica degli stampi anche
molto complessa (stampi flottanti o precaricati), seguita da raffreddamenti,
tranciatura bave e\o trattamenti termici.
Forge 2008® è la logica evoluzione di
Forge2007® ed è un software di simulazione FEM dedicato alla simulazione di
processi assialsimmetrici (2D) e di qualsivoglia geometria (3D), che è stato sviluppato seguendo le indicazioni degli
utilizzatori.
Installazione – versioni disponibili
Nell’ottica di consentire la massima flessibilità all’utente, conservando una interfaccia comune a tutti gli ambienti,
Transvalor ha rivisto completamente le
procedure di installazione di Forge. Tre
sono i principali sistemi supportati: pc
singolo processore, pc mutiprocessore\multicore, cluster. Per i
primi sue sistemi, il sistema
operativo
supportato
è
Windows, ora anche nella versione 64bit, mentre per l’installazione della versione cluster si può scegliere tra
Windows e Linux. È ora possibile, utilizzando la stessa licenza, avere una installazione
“server” sulla macchina di calcolo e varie installazioni
“client” sulle macchine di lavoro, con un
accesso diretto alla macchina di calcolo
in tutte le fasi di gestione dei progetti.
Grazie a questo accorgimento la gestione
delle informazioni e l’accesso ai risultati
delle simulazioni ora è più immediato ed
è possibile sfruttare in modo più efficiente, mediante la parallelizzazione del
calcolo, i vari processori\core a disposizione. In quest’ottica va ricordato lo
sforzo fatto per supportare, principalmente per la versione cluster, i vari programmi in grado di gestire le code di calcolo: oggi sono supportati pbs v5, pbs
v9, lsf e sge.
I “wizard” come strumento per
rendere molto rapida l’impostazione
di una operazione
Dopo la rivoluzione introdotta con
Forge2007®, con la possibilità di gestire
completamente in automatico un processo multistep con tutte le operazioni di
“transizione” tra una operazione e la successiva (raffreddamenti, ricalde, aggiustamenti, traslazioni, rotazioni, passaggi
2d a 3d), ora Transvalor mette a disposizione uno strumento in grado di guidare
passo-passo l’utente nella creazione della singola operazione: il “wizard”. Questo
strumento, che ha ridotto drasticamente
le operazioni da effettuare, risulta utilissimo per i neofiti, che possono impostare una simulazione caricando solo le informazioni base e lasciando al software il
compito di compilare il progetto pronto
per essere risolto. Anche gli utenti più
esperti possono trarre vantaggio dalle
automazioni introdotte e preparare in
modo rapidissimo le simulazioni. Nella
versione Forge2008® è presente un primo
wizard dedicato allo stampaggio a caldo,
ma sono già in programma altri wizard
dedicati allo stampaggio a freddo, alla
fucinatura, alla laminazione di anelli, ….
Molte le migliorie introdotte nel
pre- e nel post-processing
Per Transvalor le linee di sviluppo del
software sono sempre guidate dai suggerimenti degli utenti. Nella nuova versione diverse sono le migliorie apportate,
che riassumiamo di seguito.
1. Pre-processore
Diverse migliorie minori, ma molto utili,
sono state introdotte nelle finestre di
impostazione dei progetti. In particolare
nel pre-processore l’attenzione si è concentrata sul miglioramento di alcuni
template di processo, i modelli che servono da base per l’impostazione di tipo-
logie particolari di calcolo. Il template
del “cogging”, che consente di affrontare le operazioni di fucinatura a stampi
aperti, vede ora la possibilità di impostare, attraverso un file specifico, una sequenza di colpi di pressa, con traslazioni
e rotazioni del pezzo tra colpo e colpo,
definendo per ognuno di essi l’altezza finale
obiettivo
dell’operazione.
Forge2008® risolve ora l’intera sequenza
impostata con un solo calcolo, applicando senza bisogno dell’intervento dell’operatore tutti i movimenti necessari al
pezzo ed agli stampi e fornendo dei risultati che possono essere visualizzati
molto agevolmente. Sempre in termini di
processi multi-colpo, è stato migliorato
il modello del maglio, che ora tiene conto, in modo più accurato, dell’efficienza
dei singoli colpi e per il quale è possibile ora valutare la rigidezza, fattore que-
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
sto che può influire sulla altezza di chiusura della macchina.
Molto lavoro è stato effettuato anche per
creare dei modelli in grado di simulare il
movimento di punzoni, che siano legati
in modo rigido o mobile al movimento di
altri stampi. Per le configurazioni di
stampaggio a forare, tipiche dell’ottone,
ad esempio ora è possibile impostare il
moto dei punzoni come “slave” dello
stampo su cuscino, in modo che ora si
muoveranno verso il pezzo solo quando
quest’ultimo sarà spinto verso il cuscino
inferiore dallo stampo superiore o dal
materiale. Configurazioni “a forare” anche complesse o con stampaggio “in
campana” sono ora facilmente impostabili.
Anche il modello dedicato alla laminazione di anelli “ring rolling” ha subito delle
importanti migliorie, mediante l’aggiunta
di opzioni di controllo della cinematica
del mandrino e dei coni, in funzione della crescita dell’anello, ma soprattutto
con un approccio in grado di rendere più
stabile e rapido il calcolo.
2. Solutore
Il “batch manager”, lo strumento in grado di gestire la soluzione di più simulazioni o catene di simulazioni, è stato ulteriormente migliorato ed ora è possibile
lanciare e amministrare la soluzione di
più sequenze in serie e\o in parallelo,
ottimizzando le risorse a disposizione
(core\processori\pc in cluster). Per ogni
lavoro lanciato è possibile valutare lo
stato ed il tempo di calcolo rimanente,
aspetti che rendono molto più efficiente
la gestione delle priorità dei lavori.
3. Post-processore
Lo sviluppo del post-processore ha seguito due linee ben precise: migliorare la
velocità di creazione di lunghe sequenze
complesse di risultati e aggiungere strumenti richiesti dagli utenti.
Per quanto riguarda l’efficienza, ottimi
risultati si sono ottenuti sfruttando le
piattaforme multi-core e con la versione
64bit, che consente ora un più efficiente
sfruttamento della RAM a disposizione e
la creazione di animazioni con un maggiore numero di incrementi. Per le richieste degli utenti, tra le più utili ricordiamo che è stata aggiunta la possibilità di
avere il valore numerico su un plot 2d
semplicemente passando sopra con il
mouse, la possibilità di salvare le impostazioni utente ed applicarle ad altre viste, la possibilità di esportare in formato
.iges o .dxf il profilo di una sezione del
pezzo, in modo da poterla utilizzare in
CAD esterni. Degno di nota è anche il miglioramento dell’interfaccia di esportazione .vtf, che consente di esportare una
animazione di un risultato in una forma
ove l’utente ha la possibilità di cambiare
il punto di vista e\o lo zoom. Con il nuovo visualizzatore GlView Express, scaricabile gratuitamente, è ora possibile visualizzare nello stesso file più risultati, rendendo decisamente più agevole la comunicazione delle informazioni tra colleghi
o verso l’esterno.
Trovare e seguire le ripieghe è ora più
facile e rapido
Lo sviluppo del motore di calcolo di
Forge ha riguardato principalmente l’introduzione di un più efficiente approccio
alla valutazione dei contatti con gli
stampi ed ai contatti materiale-materiale. In particolare, la funzione “self-contact”, in grado di evidenziare il contatto
tra due lembi di materiale, ora consente
di seguire la formazione di ripieghe e di
valutare posizione e movimento di tali ripieghe durante il flusso di materiale. Il
miglioramento della robustezza del solutore consente di procedere nel calcolo
anche per configurazioni con ripieghe
complesse o un numero elevato di ripieghe, come avviene sovente nello stampaggio di ottone.
Effetti indotti di questi miglioramenti al
motore di calcolo sono stati una riduzione dei tempi di calcolo stimabile mediamente dal 5% al 15% a seconda del numero di nodi utilizzato e del tipo di calcolo impostati, miglioramento riscontrato sia sulle configurazioni singolo processore, che sulle più potenti piattaforme multicore o cluster.
39
Miglioramento continuo del database
dei materiali
Il database dei materiali è stato ulteriormente arricchito di nuove referenze ed
ora riporta le curve di deformazione a
caldo ed a freddo, le caratteristiche elastiche e le proprietà termiche di oltre
800 leghe ferrose e non ferrose.
Conclusioni
Si può quindi affermare che Forge 2008®
è un programma sempre in costante miglioramento, che ha raggiunto una notevole semplicità d’uso, grazie all’esperienza accumulata con le versioni precedenti
ed i suggerimenti provenienti dagli utilizzatori. Molte delle novità introdotte
portano la versione 2008 ad un livello di
precisione ed accuratezza decisamente
superiori alla versione precedente.
Dall’altra parte, la maturità raggiunta dal
prodotto consente sempre un facile e rapido inserimento in qualsiasi ambiente
tecnico, per la progettazione di prodotti
ottenuti per stampaggio o laminazione, e
l’ottimizzazione dei relativi processi produttivi. Con Forge 2008 è quindi possibile migliorare rapidamente la qualità dei
pezzi, ridurre gli sprechi di materiale e
aumentare la durata degli stampi e delle
macchine di stampaggio. È possibile
inoltre valutare in modo anticipato senza sorprese la stampabilità di nuove forme o di materiali poco conosciuti.
EnginSoft, distributore in Italia del software Forge, offre alle aziende del settore
oltre al supporto nell’installazione, formazione del personale ed avviamento all’uso, anche attività di simulazione su
commessa, con impostazione del caso,
analisi dei risultati e consulenza sull’ottimizzazione del processo.
Per maggiori informazioni:
Ing. Marcello Gabrielli - EnginSoft
[email protected]
40
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
FRAMMENTI DI FEM:
Flessione secondaria nei recipienti in
pressione in parete sottile
L’ingegnere strutturista è spesso chiamato a progettare
recipienti che devono contenere fluidi in pressione.
Spesso la resistenza, il peso e la forma di tali recipienti
sono severamente prescritti e rigidamente controllati.
E’ questo il caso, nel settore aeronautico ad esempio, della
cabina pressurizzata di un moderno velivolo, la quale è
assimilabile ad un recipiente sigillato in pressione,
contenente aria ad una pressione vicina a quella
atmosferica al livello del mare.
Dal punto di vista strutturale, la forma più efficiente per un
recipiente in pressione è quella per la quale le azioni di
pressione sulle pareti del recipiente sono sopportate dalle
sole tensioni normali che si sviluppano nelle pareti curve
del recipiente stesso. Un esempio di tali forme è
rappresentato dai comuni palloncini gonfiati in gomma o
dalla superficie libera di una goccia d’acqua, le cui pareti
hanno rigidezza flessionale nulla, per cui presentano le
proprietà di una membrana. Le tensioni sviluppate,
giacendo interamente nel piano tangente alla superficie
curva del recipiente in ogni punto considerato, sono
chiamate tensioni membranali.
Nei gusci impiegati ingegneristicamente, le pareti
presentano naturalmente una certa rigidezza flessionale e,
di conseguenza, possono sopportare anche dei carichi
trasversali sviluppando tensioni flessionali.
In effetti, le condizioni al contorno imposte sul guscio
possono essere tali da richiedere una flessione localizzata in
certe zone, solitamente in prossimità di bordi e giunzioni.
Un efficiente progetto di un recipiente in pressione è allora
tale da rendere minime le differenze tra il sistema reale e
quello caratterizzato da tensioni membranali pure,
minimizzando cioè le tensioni flessionali locali indotte nel
guscio. Mentre l’analisi membranale consente di ottenere il
sistema di tensioni primario in recipienti in pressione in
parete sottile, l’analisi degli effetti flessionali indotti dalle
condizioni al contorno può rivelare picchi localizzati di
tensioni secondarie. Nel caso di analisi statiche di recipienti
correttamente progettati, è pratica comune trascurare
questi picchi di tensione secondaria, confidando nel fatto
che lo snervamento locale del materiale ha un effetto
livellatore benefico su tali picchi, mentre nel caso di analisi
a fatica di recipienti soggetti a carichi ripetuti tali picchi
possono rivelarsi di grande importanza.
Per meglio comprendere l’argomento, consideriamo un
recipiente assialsimmetrico a sezione circolare costante di
raggio R0 e spessore t, in lega di alluminio, dotato di una
paratia di chiusura emisferica e contenente un gas ad una
pressione p. Per evidenziare i maggiori punti deboli
dell’analisi
membranale,
è
sufficiente
calcolare
semplicemente gli spostamenti radiali che si hanno nei due
elementi (cilindro e calotta emisferica), utilizzando le
equazioni costitutive del materiale, ipotizzato lineare
elastico.
La tensioni di meridiano ım, in senso assiale (“m” sta per
meridiano), e di parallelo ıp, in senso tangenziale (“p” sta
per parallelo), sono espresse dalle seguenti formule:
p ˜ R0
2t
V m cil
V p cil
p ˜ R0
t
V m par
p ˜ R0
2t
(cilindro)
(paratia emisferica)
p ˜ R0
2t
V p par
La deformazione del cilindro in senso circonferenziale (cioè
lungo il generico “parallelo”) è data da:
Hp
cil
1
V pcil QV m cil
E
p ˜ R0 § Q ·
p ˜ R0
¨1 ¸ # 0.85
Et © 2 ¹
Et
in cui si è assunto, per il coefficiente di Poisson, il valore
tipico dell’alluminio, e cioè Ȟ = 0.3.
La deformazione İp della paratia in senso circonferenziale è
data, invece, da:
Hp
par
1
V p par QV m par
E
p ˜ R0
1 Q # 0.35 p ˜ R0
E ˜ 2t
Et
in cui si è ancora una volta assunto Ȟ = 0.3.
Si consideri, adesso, la deformazione di un anello dovuta
all’espansione radiale. Più precisamente, sia l la lunghezza
iniziale dell’anello (vale a dire la lunghezza della sua
circonferenza) e ǻl
sia la variazione in senso
circonferenziale di tale lunghezza. Per effetto della
variazione ǻl, l’anello passerà da un raggio iniziale R ad
un raggio finale R+į, rappresentando con į l’espansione
radiale dell’anello.
Si può dunque scrivere:
2S R G 2SR
Ÿ1
G
R
l 'l
R G l 'l
Ÿ
Ÿ
l
R
l
'l
G 'l
Ÿ
Hp
1
l
R l
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
Quindi, l’espansione radiale į dell’anello è legata alla sua
deformazione circonferenziale İp mediante la relazione:
G
R ˜H p
Indicando allora con įcil e įpar rispettivamente
l’espansione radiale del cilindro e della paratia, risulta:
G cil R 0 ˜H p
p ˜ R0
0.85
Et
cil
e
G par R 0 ˜H p
par
2
p ˜ R0
0.35
Et
giunzioni in cui si verifica una brusca
variazione dello spessore delle pareti del guscio
(come accade nel caso in cui venga aggiunto un
doubler) oppure in cui un guscio è collegato (con
rivetti o bulloni) a una fondazione.
In sostanza, un buon progetto di un recipiente in pressione
tende a minimizzare le tensioni di flessione secondaria,
cercando di evitare il collegamento di elementi
caratterizzati da distorsioni molto diverse tra loro.
Esercizio
2
da cui segue immediatamente che:
G cil # 2.4 ˜ G par
Conseguentemente, il cilindro tende ad espandersi in misura
maggiore rispetto alla paratia.
Nella realtà, la giunzione esistente tra cilindro e paratia
previene questo effetto, facendo sì che le deformazioni
radiali dei due elementi siano le stesse. Ne consegue,
allora, che la giunzione è soggetta ad azioni tangenziali di
taglio, che producono a loro volta momenti flettenti
secondari nelle pareti del guscio.
La cosa più sorprendente di questi momenti flettenti,
massimi in corrispondenza della giunzione, è che si
smorzano rapidamente, divenendo trascurabilmente piccoli
(minori dell’1% del massimo valore raggiunto) ad una
distanza pari a circa 4 ˜
41
Si consideri un recipiente a guscio cilindrico con estremità
emisferiche, contenente gas in pressione.
Il recipiente è in lega di alluminio (modulo elastico = 71000
MPa e modulo di Poisson = 0.3).
Il raggio del cilindro e dell’estremità emisferica è pari a 45
mm, mentre la lunghezza della sola parte cilindrica è pari a
200 mm. Lo spessore del recipiente è pari a 2.5 mm.
Il gas contenuto nel recipiente si trova ad una pressione di
200 MPa. Si va ad eseguire un’analisi statica agli elementi
finiti del recipiente con il codice di calcolo ANSYS,
avvalendosi del modulo PEM (Pressure Equipment Module) di
ANSYS Workbench.
In virtù della simmetria geometrica, viene realizzato il
modello numerico soltanto di metà recipiente.
Si veda, a tal proposito, la figura seguente (Fig.1).
R0 ˜ t , a partire dalla giunzione.
Così, a titolo d’esempio, in un guscio cilindrico di raggio R0
= 45 mm e spessore di parete t = 2.5 mm, questi momenti
flettenti secondari risultano significativamente smorzati ad
una distanza di 42.4 mm, misurata a partire dalla
giunzione.
Le tensioni ım risultano normalmente aumentate di circa il
30% in corrispondenza del punto di massimo del momento
flettente secondario, mentre le tensioni ıp risultano
aumentate solo del 3% circa.
In generale, il fenomeno della flessione secondaria è tipico
di molte giunzioni, ad esempio:
giunzioni in cui il raggio di curvatura dei
“meridiani”
cambia improvvisamente, come
nell’esempio trattato sopra, in cui tale raggio passa
bruscamente dal valore Rm=R0 al valore Rm=’
in corrispondenza della giunzione.
giunzioni in cui si ha un improvviso
cambiamento
nella
direzione
della
curva
“meridiana”. Vicino alla giunzione, si può avere
l’insorgenza di un elevato momento flettente
secondario. Per ovviare a ciò, normalmente viene
inserito un anello di rinforzo in corrispondenza della
linea di giunzione.
giunzioni in corrispondenza delle quali
vengono uniti elementi strutturali caratterizzati da
rigidezze diverse o caricati in maniera diversa.
Fig.1 Geometria del recipiente (interfaccia grafica del modulo PEM)
Le tensioni di meridiano teoriche dovrebbero essere pari a:
V
m cil
p ˜ R0
2t
200 ˜ 45
2 ˜ 2 .5
1800 MPa
(parte cilindrica)
V m par
p ˜ R0
2t
200 ˜ 45
2 ˜ 2 .5
1800 MPa
(parte emisferica)
mentre, per quanto riguarda le tensioni di parallelo
teoriche, si dovrebbe avere:
42
V p cil
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
p ˜ R0
t
200 ˜ 45
2.5
3600 MPa
(parte cilindrica)
V p par
p ˜ R0
2t
200 ˜ 45
1800 MPa
2 ˜ 2.5
(parte emisferica)
Dai risultati dell’analisi FEM (Fig.2 e Fig.3), si vede infatti:
0.7103 mm
Fig.5 Espansione radiale parte emisferica
1809.3 MPa
Per la parte emisferica, il valore dell’espansione radiale
evidenziato in figura per il polo è stato ottenuto epurando
il moto della calotta emisferica della componente di
traslazione rigida della giunzione causata dalla
deformazione della parte cilindrica.
Il modulo PEM di Ansys Workbench consente anche di
valutare rapidamente la tensione membranale equivalente
(sistema primario) e la tensione flessionale (sistema
secondario).
Si vedano a tal proposito le figure Fig.6 e Fig.7.
Fig.2 Tensioni di meridiano
3726.7 MPa
1797.7 MPa
Fig.3 Tensioni di parallelo
I valori teorici dell’espansione radiale della parte cilindrica
e della parte emisferica sono espressi dalle seguenti
relazioni:
G cil R 0 ˜H p
p ˜ R0
0.85
Et
cil
2
200 ˜ 45 2
0.85
71000 ˜ 2.5
Fig.6 Tensione membranale
1.94 mm
(parte cilindrica)
G par R 0 ˜H p
0.35
par
p ˜ R0
Et
2
0.35
200 ˜ 45 2
71000 ˜ 2.5
0.8 mm
(parte emisferica)
Dai risultati dell’analisi FEM (Fig.4 e Fig.5), risulta infatti:
1.9572 mm
Fig.7 Tensione flessionale
Fig.4 Espansione radiale parte cilindrica
Per ulteriori informazioni:
Ing. Giulia Filucchi
Project Engineer
[email protected]
[email protected]
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
43
EnginSoft e il progetto CEFEN
EnginSoft, fedele alla sua tradizione di
azienda sempre attenta alle innovazioni tecnologiche coniugate alle esigenze del mercato, ha recentemente partecipato al Workshop DOMUS 2008
(Brindisi, 27 maggio 2008), organizzato dall’ENEA nell’ambito delle attività
tese a favorire l'efficienza energetica e
la certificazione energetica degli edifici. All’evento hanno preso parte sia i
principali attori del mondo istituzionale pugliese (Regione Puglia, Provincia e
Comune di Brindisi, ARTI Puglia Agenzia Regionale per la Tecnologia e
l’Innovazione -, …), sia le Associazioni
delle
Categorie
Produttive
(Confindustria Brindisi, ANCE Puglia,
Confartigianato Brindisi, …), sia i
costruire gli edifici e gli insediamenti
abitativi e industriali, che consenta di
ottimizzarne i consumi riducendo gli
sprechi. In questo contesto, per centrare l’obiettivo del 9% di risparmio
energetico entro il 2016, come previsto
dal Piano nazionale per l’efficienza
energetica, il solo settore residenziale
italiano deve contribuire con una riduzione pari al 44%.
Per raggiungere questo target dal 1°
luglio 2009 la certificazione energetica
degli edifici sarà obbligatoria e tutte le
Regioni dovranno dotarsi di strumenti
quali normative, piani di sviluppo e
scenari, politiche energetiche, formazione di quadri professionali, ed inoltre
di un Albo per i Certificatori Energetici.
Workshop DOMUS 2008 - ENEA per l'efficienza energetica e
la certificazione degli edifici
Tabella 1
“fautori” di ricerca e innovazione tecnologica del territorio (Università del
Salento – Dipartimento di Ingegneria
dell’Innovazione, Istituti di Formazione
Superiore oltre che l’ENEA stessa).
Questo workshop DOMUS 2008, che si
inquadra in un programma di incontri
che si sta svolgendo in numerose città
italiane e, in ambito pugliese, in una
serie di iniziative progettuali con
Istituzioni e stakeholders locali, è stato l’occasione di un confronto per individuare gli strumenti più efficaci di
“governance” dell’efficienza energetica, attraverso un approccio che metta a
“sistema” il mondo della Ricerca, la
Pubblica Amministrazione e le imprese,
valorizzi le soluzioni tecnologiche più
opportune ed infine intervenga sulla
sensibilità culturale e sui comportamenti. L’obiettivo è un nuovo modo di
EnginSoft, per mezzo delle sue expertise nel settore della modellazione numerica e delle sue esperienze maturate nel
mondo dell’industria, può senz’altro dare il suo contributo al miglioramento
della efficienza energetica degli edifici.
A fronte di questa “dichiarazioni di intenti”, si pone una fondamentale domanda: come? In altri termini, quale è
lo strumento attuativo? Una risposta
concreta sta nel Progetto CEFEN.
Il progetto CEFEN, cui lo workshop DOMUS 2008 ha funto anche di supporto,
vede l’ENEA capofila ed EnginSoft key
partner, di un intervento il cui obiettivo generale è integrare e potenziare
competenze multidisciplinari e di soggetti pubblici e privati nel settore delle energie alternative, sulle relative
tecnologie e sulle metodologie per l’efficienza energetica degli edifici. La
proposta è finalizzata quindi alla costituzione di un Centro Studi e Servizi
sull'Efficienza Energetica – il CEFEN appunto – avente le finalità di:
• informare soggetti pubblici e privati sull’efficienza energetica e formare energy manager, certificatori
energetici, progettisti …;
• ricercare e sviluppare tecnologie
per l’efficienza energetica;
• offrire soluzioni tecnologiche nell’ambito delle nuove costruzioni
residenziali, industriali e di servizio
pubblico, derivanti da attività di
R&S nelle fonti rinnovabili;
• offrire consulenze in materia di
efficienza energetica alle imprese e
alle P.A. fornendo “pacchetti metodologici” per la progettazione di
eco-edifici;
44
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
zione di sistemi energetici ad architettura distribuita.
Il centro mira a diventare così un riferimento unico e permanente per l’individuazione, la valutazione, lo sviluppo
e la diffusione di nuove tecnologie.
Il progetto è caratterizzato da un unico intervento costituito da una serie di
azioni atte a consolidare la partnership
proponente. Il progetto si articola in
36 mesi ed è strutturato in 5 fasi, rappresentate nella tabella 1.
• promuovere partnership per l’industria delle fonti rinnovabili (eolico,
fotovoltaico solare termico, solar
cooling, coogenerazione, …);
• sviluppare metodologie di progetta-
EnginSoft svolge un ruolo quanto mai
strategico e trasversale alla realizzazione dell’intera iniziativa, in quanto essa
è innanzitutto responsabile (affiancata
da ENEA e Università del Salento) della
Fase A – Progettazione e sviluppo di
una piattaforma in rete per la gestione
e il monitoraggio del progetto – il cui
obiettivo è la realizzazione di un portale per l’ingegneria a distanza ed un
portale per la formazione a distanza via
web che permettano sia l’integrazione
ed il trasferimento di conoscenze all’interno del gruppo di sviluppo del progetto sia la diffusione dei servizi e delle informazioni verso i beneficiari dei
risultati, siano essi soggetti pubblici o
privati. Inoltre EnginSoft affiancherà
l’ENEA nella Fase C – Sviluppo e validazione di metodologie per la progettazione e verifica dell’efficienza energetica degli edifici.
Il progetto CEFEN cerca di anticipare e
soddisfare esigenze di efficienza energetica che diventano sempre più pressanti ed improrogabili. Rispetto a questo contesto, EnginSoft è consapevole
che dall’integrazione, dal potenziamento e dal coordinamento delle proprie
specifiche competenze può derivare
specifici vantaggi competitivi per lo
sviluppo e la qualificazione delle proprie linee di business.
Enginsoft è presente alla conferenza
annuale di ANSYS a Pittsburgh
Il 26-28 Agosto 2008 si è tenuta a
Pittsburgh, Pennsylvania, USA, la conferenza internazionale di ANSYS.
Tale conferenza, uno degli eventi più
importanti del mondo ANSYS, ha raccolto progettisti, analisti e manager attorno a temi importanti del mondo
CAE.
Si è discusso, attraverso 120 presentazioni tecniche, di come aziende innovative a livello mondiale utilizzino la
piattaforma Workbench come strumento fondamentale durante la progettazione a 360°; sono state presentate alcune delle novità che saranno presenti
all’interno della nuova release 12.0 ed
è stato un momento di scambio di idee
e di metodologie di analisi su tematiche importanti, come la fatica e la
meccanica della frattura.
La conferenza ha raccolto, da 32 diverse nazioni, circa 850 partecipanti provenienti da più di 30 diverse industrie.
Enginsoft ha voluto essere presente al-
l’evento, con una presentazione su un’
attività di ottimizzazione realizzata
con modeFRONTIER, ed inoltre proponendo, attraverso incontri con lo staff
tecnico di ANSYS, una rivisitazione delle novità di Workbench 12.0 su tematiche di interesse. A tal proposito sono
state impostate in questa occasione
due attività di simulazione che sfruttano alcune novità per risolvere i problemi contingenti di due aziende italiane.
Tali attività saranno poi
esposte nella prima giornata
dell’Enginsoft
Conference di Mestre (1617 Ottobre).
La prima vede coinvolta
Ferrari con una simulazione termo-strutturale su un
componente motore. Si è
infatti messa punto una
particolare procedura di
interpolazione che consente di applicare i risultati fluidodinamici della
camera di combustione, provenienti da
software specifici utilizzati da Ferrari,
sul modello termo-strutturale di
Workbench.
La seconda attività vuole ricreare una
procedura di analisi di post buckling
utilizzata in Saipem per controllare la
resistenza delle tubature, a seguito di
un’avvenuta instabilità, attraverso le
nuove tecniche di stabilizzazione numerica di Workbench.
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
45
Nuove offerte formative per
l’addestramento alle tecnologie
CAE nel 2009
EnginSoft Training Activities 2009 –
What’s new?
The new publication of EnginSoft
training activities presents, as usual,
interesting novelties, both in terms of
contents and organization.
The training offer covers not only the
whole spectrum of the supported
software, but includes also two new
commercial products AQWA and ASAS
(a fluid-dynamic and a structural code
respectively, oriented to the Offshore
world) and the redesign of the ANSYS
courses, due to the introduction of the
new release ANSYS Workbench 12.
ANSYS Workbench 11 users will have
the
possibility
to
find
out
improvements and potential of the new
release during special Presentation
Days. In the same perspective,
EnginSoft is planning to implement the
software training with thematic
courses, to be focused on specific
design competences. Such a wide range
of activities, that will be hosted in all
EnginSoft's branch offices, for users'
convenience, reflects the company's
commitment to meet its customers'
needs for training in state-of-the-art
technologies and developing their
knowledge and expertise towards
excellence in engineering.
Come ormai consuetudine per
EnginSoft anche nel 2009 il Libretto
Corsi si arricchisce di nuove offerte.
Alla già imponente proposta formativa
si aggiungono due nuovi corsi associati ai due nuovi prodotti commercializzati da EnginSoft: AQWA e ASAS, rispettivamente un codice fluidodinamico ed un codice strutturale orientati al
mondo Offshore.
L’altra importante novità del 2009 sarà il rilascio della nuova release 12 di
ANSYS WorkBench che comporterà, in-
variabilmente, la revisione completa
dei corsi per fornire, nello spirito che
da sempre ci contraddistingue, la migliore formazione possibile in termini
di contenuti, qualità e aggiornamento
software.
Dal Libretto Corsi 2008 ereditiamo i titoli e l’impostazione per categorie di
prodotto, una struttura che si è dimostrata logica ed efficace, in grado di
pilotare l’utente meno esperto verso
un percorso formativo ottimale. Non
ereditiamo invece i contenuti: i cambiamenti della nuova release sono
molteplici e si rifletteranno, immancabilmente, sul contenuto del corso erogato.
In particolare nella release 12 è stato
preannunciato un significativo cambiamento nell’impostazione dell’analisi: avremo a disposizione, dalle parole
della ANSYS, un nuovo strumento dedicato alla strutturazione logica delle
diverse analisi possibili e dei ‘percorsi
logici’ che le uniscono. Altre novità
importanti sono state annunciate per i
diversi pacchetti (Design Simulation,
CFX, Fluent, AutoDyn, Design Modeler,
…) che sicuramente avranno un notevole impatto sul contenuto dei diversi
corsi.
In concomitanza con l’uscita della
nuova release stiamo pensando di organizzare delle giornate di presentazione della versione 12 aperte a tutti
gli utenti ANSYS WorkBench 11 che
desiderino scoprire le novità e le potenzialità della nuova release. Ad oggi
l’organizzazione di questi ‘mini corsi’ è
sempre in fase embrionale, ma le idee
non mancano insieme alla voglia di
garantire ai nostri clienti sempre il
massimo impegno in termini di informazione e formazione, e per facilitare,
nel modo più semplice possibile, la
comprensione e l’utilizzazione delle
nuove tecnologie contenute nella release 12.
Dal punto di vista organizzativo tutte
le sedi EnginSoft saranno impegnate
nella formazione nel 2009, dando la
possibilità agli utenti di scegliere la
location a loro più conveniente in termini di vicinanza geografica alla propria ditta.
Vengono quindi confermati i corsi
presso la sede di Mesagne (Brindisi) e
di Trento, insieme alle sedi storiche
(dal punto di vista dei corsi) di
Bergamo, Firenze e Padova.
Altra novità in fase embrionale ma che
sicuramente avrà spazio nel futuro sono i corsi di un giorno a tema: stiamo
pensando di affiancare ai corsi di formazione software, dei corsi specialistici a tema, mirati all’acquisizione di
competenze progettuali specifiche.
Come si può intuire lo sforzo organizzativo richiesto è significativo, ma il
momento è maturo per offrire corsi
verticali che propongano strumenti di
progettazione e non solo di utilizzo
software. Le potenzialità e le competenze esistono, resta da vedere con
che modus operandi proporremo alle
ditte italiane questa nuova opportunità di acquisizione di competenze.
Tutto questo a riprova dell’impegno
nella formazione che, per EnginSoft, è
e rimane un punto fondamentale della
politica aziendale, un impegno costante verso l’eccellenza, un servizio per
fare crescere i nostri clienti e, se lo desiderano, crescere con loro.
M.Eng. Francesco Pietra
ANSYS Training Manager
[email protected]
Per richiedere una copia del libretto
dei corsi 2009 si prega di mandare
un’email a: [email protected]
46
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Education and Research for Excellence
in Engineering
Formazione e Ricerca per
l’eccellenza in ingegneria
La lunga e consolidata tradizione che
vede EnginSoft fortemente impegnata
in attività di formazione e ricerca si
rinnova con le iniziative di
Training&Recruiment Autunno 2008.
Lo scopo è quello di riconoscere e
sostenere il talento delle nuove
generazioni in ambito ingegneristico e
tecnologico, convinti che per
raggiungere l’eccellenza in questi
settori non si possa prescindere dalle
conoscenze specifiche che solo corsi di
alto livello ed esperienze sul campo
possono offrire.
Validi risultati e testimonianze in
questo ambito si possono far risalire
già al 1996 con il progetto IREWO
(Industrial Research Worker) che,
riconoscendo il bisogno di un profilo
professionale nuovo, si dedicò alla
creazione e promozione di una figura
in grado di combinare specializzazione
tecnica e creatività interdisciplinare,
facendo leva su una più stretta
collaborazione tra mondo accademico
e industriale.
Con la stessa sensibilità e attenzione
EnginSoft ha dato il suo competente
contributo in seminari e progetti di
ricerca finanziati a livello europeo,
come il progetto di EUA4X (20052007), collabora regolarmente con
l’associazione NAFEMS, anche a livello
locale con diverse sedi affiliate in
Europa, ed ospita giovani ingegneri
stranieri per un’esperienza “on-thejob”. Un accenno del lavoro svolto
dallo spagnolo Francisco Garcia
Lorente con il team di ingegneria
civile è presentato in questo numero
della nostra newsletter.
With the launch of the Training and
Recruitment Initiative in autumn
2008, EnginSoft continues its long
tradition of investing in Education
and Research and its commitment to
recognize and foster talent in
engineering and technology thus
helping to secure the next generation
of simulation engineers.
EnginSoft’s strong involvement in
educational and research-related
activities dates back to the year 1996
and the IREWO Project.
IREWO (Industrial Research Worker)
was a Leonardo da Vinci Project
targeted to the pilot training of
young graduates/PhD students in the
CAE sector. IREWO aimed at Europe’s
SMEs and their strong need for
research workers with particular
professional profiles, to adapt to an
increasingly competitive global
marketplace. The Industry Research
Worker that IREWO promoted,
expressed a new model of production
of knowledge and know-how,
combining extreme specialization
and cross-disciplinary creativity.
IREWO’s model was achieved through
linked training courses and in-thefield experiences in leading-edge
technologies which were usually not
available at the universities.
In the context of the project, the
principal coordinator, the Department
of Mechanical Engineering of the
University of Padova, called for closer
collaborations between educational
institutions and the industries,
emphasizing the need to accept
enterprises as full partners in
education and as the major
generators of knowledge and knowhow.
In the later 90s, EnginSoft
introduced its Seminar Program and
got involved in various educational
initiatives on a European level
including several EU-funded Research
Projects, and partnerships and
collaborations
with
various
educational
bodies,
such
as
universities and research centres.
In the years 2005-2007, EnginSoft
supported the major EUA4X Project
(European Atelier for Engineering and
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
47
phenomena of long-span suspended
bridges, one of the key competences
of the company’s Civil Engineering
Team. A summary of the work can be
found in this issue of the Newsletter.
Francisco’s
engagement
with
EnginSoft was realized under the EUfunded Marie Curie Program.
Computational Sciences). A team of
EnginSoft expert engineers and
professionals was dedicated to this
important initiative which was
financed by the European Union
Marie Curie Conferences and Training
Courses
and
established
to
disseminate
complementary
approaches for multidisciplinary
applications in the area of applied
scientific
computing
among
scientists.
EUA4X offered a European wide
training environment for the
development of young researchers
through a coherent program of
conferences, training courses, lecture
series and workshops. To spread the
EUA4X know-how to an even larger
technical community - for a time far
beyond the project period - virtual
events were hosted regularly to
present advance knowledge and
physical phenomena of social
interest.
Today, EnginSoft is a Global
Corporate Member of NAFEMS whose
Registered Analyst Scheme supports
the worldwide analysis community in
defining standards for competence,
experience
and
underpinning
knowledge that lead to the award of
a formal qualification. Under its
global membership, EnginSoft’s
partner offices in France, Germany,
the Nordic Countries, UK, Spain and
the USA are collaborating with
NAFEMS locally, also attending the
association’s regular educational
events, such as seminars and
workshops.
Throughout the year, EnginSoft hosts
engineers from different countries to
provide “on the job” education in
various engineering disciplines. For
example, Francisco Garcia Lorente, a
native Spaniard, has just completed
his thesis work after a period of 8
months with EnginSoft. Francisco’s
work was focused on the flutter
At EnginSoft, we believe that the
production of knowledge and knowhow, which is essential for achieving
excellence in engineering, requires a
varied offer for training courses and
in-the-field experiences. We are
convinced that a full understanding
of new complex technologies along
with a permanent development of
expertise can only be achieved in a
modern working environment. It is
for these reasons that EnginSoft
prepared a Call for its Training &
Recruitment Initiative that offers
both Training Courses conducted by
experts with outstanding expertise,
as well as On-the-job Training in
various engineering disciplines at
EnginSoft or its partner offices.
EnginSoft Training and
Recruitment Initiative
EnginSoft launches the Training
and Recruiment Initiative.
Find more information on:
www.enginsoft.com/school
EUCAR Materials, Processes & Manufacturing
Program Board Meeting
BRUSSELS, 24th September 2008
On the occasion of the last EUCAR Materials, Processes & Manufacturing Program
Board Meeting that took place on September 24th 2008 in Brussels, Prof. Lars
Arnberg (University of Trondheim) presented the Progress Report about the
NADIA Project, coordinated by EnginSoft.
Professor Arnberg has been involved in the NADIA project since its genesis
(being part of the Core Group which set up the original proposal), and he is one
of the key-scientists of the Project as well as the leader of the Workpackage on
Training & Education ([email protected]). Thanks to his qualified
role and experience, he could give a complete and excellent overview of the
activities which are going on in the frame of NADIA, illustrating at the same
time characteristics, topics, impacts and perspectives of our Project.
(www.nadiaproject.org)
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
49
A reliability analysis with a Monte
Carlo approach using modeFRONTIER
L’elevata qualità dei prodotti è da
sempre uno degli obiettivi ai quali il
buon progettista deve tendere.
Purtoppo però non è sempre facile
ottenere design caratterizzati da
elevate
prestazioni,
unite
ad
altrettanto elevati standard di qualità,
affidabilità ed economia, spesso a
causa della notevole complessità e
della multidisciplinarietà con le quali ci
si deve confrontare durante la
progettazione.
Negli ultimi anni, anche grazie alla
sempre crescente diffusione della
simulazione virtuale unita alla potenza
di calcolo disponibile, si sta cercando
di adottare, fin dai primi momenti della
progettazione, approcci di tipo
probabilistico, in grado di prevedere in
maniera
più
fedele
il
reale
comportamento del sistema in esame
rispetto a più tradizionali approcci
puramente deterministici.
In questo articolo si descrive una
possible strategia per affrontare
problemi di affidabilità e previsione del
livello di qualità garantito da un
sistema. Si prende in esame il caso di
una guarnizione di tenuta di un
elettrodomestico; l’obiettivo è, in
questo caso, quello di capire se il
design proposto è in grado di garantire
gli standard richiesti per un buon
funzionamento.
Introduction
The following article shows how to use
in a profitable way the Design Of
Experiments tools available in
modeFRONTIER to perform a reliability
analysis.
It is clear that, knowing the quality
level of a product or a process in
advance, allows the designer to
eventually modify the actual design,
looking for an optimized configuration
to warrant the desired quality level.
Obviously, it is mandatory to have a
reliable and accurate virtual model in
order to predict the response of the
system and check the quality level that
it can reach.
The exposed methodology can be used,
for example, when dealing with a DFSS
project (Design For Six Sigma) to
design high quality products, or, more
generally, whenever a new design has
to be performed using a probabilistic
approach.
Let us imagine that the design of a new
washing machine requires checking the
reliability of a sealing gasket. The
designer suspects that the actual
design is not able to reach a six sigma
quality
standard
because
the
probability that the water drops out or
the gasket brakes is too high.
The possible reasons of this undesired
situation have been found in bad
material properties and in a too high
water pressure. In order to check if this
statement is true or not and explore in
detail the problem, it is necessary to
simulate the gasket in operating
conditions, measure the deformed
shape and the stress state and verify if
they satisfy a Six Sigma quality level.
Obviously, this could be done with an
experimental campaign, but it is faster
and cheaper to reproduce this
investigation virtually, by means of
some numerical simulations.
For sake of simplicity, the gasket has
been modeled as an infinite circular
holed cylinder made of a linear and
elastic material, subjected to a uniform
internal pressure. For this problem
there is the analytical solution, which
can be easily computed in terms of
geometrical
quantities,
material
properties and loads.
The gasket has been supposed to brake
when the maximum von Mises stress
reaches an ultimate value, which
simply is a material characteristic.
The following equations report the
maximum radial displacement (ur) and
the
maximum
non-zero
stress
components (σr and σt) and the
corresponding von Mises stress (σvM)
inside the cylinder. The internal ad
external radius are a and b respectively,
E and n are the elastic engineering
material properties while p is the
internal pressure.
An excel file collects all these
equations and it is used to simulate the
gasket response.
It is clear that this simple model could
be substituted, without any variation
in the approach to the problem, with a
more realistic one, where the actual
geometry of the gasket and the loads
are modeled.
The gasket material properties (Young
modulus, Poisson coefficient and
ultimate stress) have been supposed to
be normally distributed, with the
following means and standard
deviations.
These values could be known thanks to
an experimental investigation or
simply given, for example, by the
material supplier.
Also the internal pressure is normal
distributed, with mean of 5 [MPa] and
Table 1: The Gaussian probabilistic characterization of the material properties.
50
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
standard deviation 1.1E-1. On the
contrary, the internal and external
radius have been supposed to have a
deterministic dimensions of 30 [mm]
and 40 [mm] respectively.
In order to work properly (that is, to
avoid water drops and premature
failures) the gasket has to exhibit a
radial deformation less than 1.5 [mm]
and, obviously, a von Mises stress less
than the material ultimate stress. In a
Six Sigma context, these values could
be seen as the Upper Specification
Limits (USL) for the deformed shape
and for the stress state.
The simulation should clarify if the
gasket is able to satisfy a Six Sigma
quality level, with reference to the
above mentioned USLs, taking into
account the material and load
variations.
In this example there are not any lower
specification limits, but of course this
does not yield to any loss of generality.
Obviously, more complex systems can
be considered, taking advantage of a
wide variety of direct connection nodes
to third-parties simulation software
available in modeFRONTIER.
Reliability analysis
The workflow depicted in the following
figure collects all the ingredients
needed to simulate the gasket
response. On the left the input
variables (Young, Poisson, stress and
Pressure), while on the right the
output variables (Deformation, Stress
and Result) have been placed. They
have been connected to the Excel file
which computes the response of the
gasket and, finally, the workflow has
been completed with the DOE and
scheduler nodes.
The output variable Result assumes the
0 value if at least one of the two
checks (deformation and stress) are not
satisfied and it allows us to monitor
the number of failures out of the total
number of designs.
Using the DOE node it is possible to
generate a certain number of designs
using the Latin Hypercube or Monte
Carlo technique and run the
simulation.
Once the run has finished, it is
interesting to plot a histogram of the
understand that the desired reliability
is not guaranteed. The upper limit for
the stress distribution (23.554) is
larger than the lower limit of the
ultimate stress (21.066); therefore the
probability to have a failure of the
gasket is higher than 3.4 DPMO,
corresponding to a Six Sigma quality
level.
Some statistical analyses
With a scatter matrix plot we can find
out if there is any linear relation
between variables. It is clear that, in
this case, the Pressure, the
Deformation and the Stress have very
strong positive relations. This was
expected, in view of the nature of the
Table 2: The limits that the gasket has to satisfy to meet a Six Sigma quality level.
Deformation and Stress output
variables starting from the design
table. The aim is to understand how
these two quantities are distributed
and check the reliability of the gasket.
If we analyze the Deformation
distribution in a Six Sigma context, it
is possible to compute the upper
acceptable limit (as mean value plus
six times the standard deviation) to
obtain 1.485 [mm].
It is clear that this value is less than
the specified limit of 1.5 [mm].
On the contrary, if the stress on the
gasket and ultimate stress distributions
are compared, it is possible to
equations describing the system
behavior. As it can be seen, only linear
(positive or negative) relations can be
detected with the scatter matrix, but
this does not exclude that other nonlinear relations are present between
variables. To understand this aspect,
note that there is a clear hyperbolic
relation
between
the
radial
displacement and the material Young
modulus, which could be never
identified only by means of a scatter
matrix.
The correlation coefficient is, as
expected, closed to zero, when couples
of input variables are considered; this
means that the DOE generation
algorithm has worked properly,
generating independent designs (from
a linear point of view, at least).
As shown before, the gasket does not
satisfy the Six Sigma quality level
because the maximum stress is too
high. It is necessary to identify the
variables which influence the response
of the system in terms of stress and try
to
control
their
values
(or
distributions), in order to improve the
gasket quality.
As the t-Student analyses suggest,
together with the Scatter matrix, the
Figure 1: The modeFRONTIER workflow ready to run and a detail of the DOE panel.
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
51
This could lead the designer to the
wrong conclusion that a high quality
level is assured by the gasket;
obviously, this is not true, as shown
before. When dealing with Six Sigma, a
very low number of discards is
tolerated (3.4 over a million) and,
therefore, a very large number of
simulations should be run to really
check if the above mentioned quality
level is actually really reached by the
system.
Figure 2: Comparison between the distributions of the stress inside the gasket and the material ultimate
stress.
Figure 3: The correlation matrix highlights the linear relations between the variables.
input variable which seems to more
influence the stress (the largest size
effect) is the pressure. The significance
of the test is extremely small
(practically zero) and this means that
the size effect can be statistically
accepted as a real effect (and not due
to random causes) with a high level of
confidence.
For this reason, the designer should try
to understand if the operating pressure
can be reduced or better controlled
(with a reduction of the standard
deviation) without any loss of
performance; obviously, one other
possible solution is also to improve the
material ultimate stress, increasing its
mean value or reducing the dispersion
in the attempt to satisfy the Six Sigma
requisites.
It is interesting to note that the result
output variable could always assume
the value 1 (both checks are satisfied)
if a low number of runs is performed.
Conclusions
This article shows how to plan a virtual
campaign of experiments to check if a
system is able to provide sufficient
reliability and quality warranties, in a
Six Sigma context.
A very simple example has been
proposed, to describe the procedure
which should be used in these cases.
Obviously, more complex and closer-toreality problems could be solved using
the same technique.
The statistical tools available in
modeFRONTIER can be employed to
improve the knowledge of the system
under exam, achieving a better design.
For further information on this article
please email to:
Massimiliano Margonari
EnginSoft
[email protected]
Silvia Poles
ESTECO
[email protected]
Figure 4: The t-Student analysis allows identifying the input variables which most influence the outputs.
52
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
The failure behavior of glass mat reinforced thermoplastics (GMT) - optimization of the parameters slim and erods
Fiber reinforced plastics (FRP) show a
totally different behavior than most
metals as shown in figure 1. Whereas
most metals constrict after reaching
their elastic limit and strengthen
during plastic deformation, fiber
reinforced plastics soften when their
ultimate strength is exceeded because
the material gets more and more
damaged.
This
causes
strain
localization at the weakest or the most
loaded point of a component.
For example we can look at the Finite
Element Model of a tension bar like
shown in figure 2. When element A
exceeds its ultimate strength the strain
which implies a high financial effort.
Another possibility is to use very small
elements that are placed and
dimensioned by an adaptive meshing
algorithm during calculation. This
leads to very high numerical effort.
A much simpler concept has been used
within this work. This approach uses
different parameters like slim and erods
that modify the element behavior in a
way that the total strain energy is
equal to the fracture energy of the
emerging crack. After an element has
exceeded the strain and stress values
controlled by the parameters slim and
erods it will be deleted.
1 Different behavior of metals and FRP
2 Strain localization in a tension bar
The adoption of engineering composites for structural
components in the transport industry has strongly
increased in the last few years. For this reason the
developers must be able to simulate the crash and impact
behavior and therefore the growth of cracks of these
inhomogeneous materials.
in this element increases and a crack
starts to grow whereas all the other
elements get elastically relieved. The
strain has been localized in element A.
Since most energy absorbed by a part
during a crash is dissipated by the
development of cracks, the simulation
of localization and crack development
is very important. The energy
absorption capacity of an element
depends heavily on its volume so the
results of a crash simulation depend on
the element size (small elements can
absorb much less energy than big
ones). As shown in figure 3 the results
of the simulation do not converge to
reality with reducing element size.
To overcome this problem a
regularization technique has to be
applied.
One possibility is the use of specific
interface elements in the areas where
the cracks occur. The drawback of this
method is that the position of the first
failure and the path of the cracks must
be known. For this reason, crash tests
on real components must be made
For the simulation of crack
development the FE software LS-Dyna
was used. Its explicit algorithms in
combination with a well suited
material
model
for
composite
structures allow high nonlinear
evaluations with erasure of elements in
a comparatively short time. Figure 5
shows the model we used. The hole in
the middle of the plate is necessary to
get a well defined start of the crack.
Because the parameters slim and erods
can not be measured, they have to be
fitted to the element dimensions by
comparing the results of simulation
and measurement. Up to now this
approximation was made manually by
running several simulations with
different parameters. Since there are
thousands of possible combinations of
the parameters this proceeding is very
time-consuming and not very effective.
Therefore the use of optimization
software makes sense.
modeFRONTIER™, a software that
provides a lot of different algorithms
was able to overcome several problems
3 Not converging simulation results
very quickly. To automatise the
optimizing procedure a python script
that reads in the measured and the
simulated data sets was implemented.
It compares the different sets and
calculates few values that have to be
minimized. On the basis of these values
the optimization software reevaluates
new parameters and reruns the
simulation. After a predefined number
of steps the optimization gets aborted.
The results are only few good
parameters that are checked for the
best compromise.
First optimizations with evolutionary
algorithms showed the big capability of
this approach. In less than 100 steps
the software found parameter sets
which reflected the measured behavior
better than most manually adjusted
parameter sets before. Figure 6 shows a
comparison between measured curves,
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
4 Effects of the parameters slim and erods
5 Simulation model and experiment sample
simulations with not optimized and
with optimized parameters. The green
curve reflects the good accordance
between the measured curves and
those of the simulation with optimized
parameters.
To consider all possibilities of failure
and loads we have identified 11
parameters to be adjusted and
optimized for every element size. Each
of these parameters gets adjusted by
comparing
different
simple
experiments with the appropriate
simulations. These parameters were
adjusted manually and the simulation
of a complex part showed good
accordance to the experiment. The next
step should be to adjust these
parameters by optimization and to
check for the quality of the simulation
results. The described work was done
during a Diploma thesis at the Institute
of Polymer Engineering at the
University of Applied Sciences
Northwestern Switzerland.
The Institute of Polymer Engineering at
the University of Applied Sciences
Northwestern Switzerland focuses its
research on new engineering processes
and technologies for the structures of
advanced composite materials. The
development of impact resistant
structures is the area of main research.
53
6 Optimized simulations vs. meassured values
For more information:
www.fhnw.ch/technik/ikt
Further reading:
P. Fritzsche, M. Weder, I. Wyss, M.
Hörmann, J. Müller, Procedure for the
Simulation of Failure in Thermoplastic
Composites. NAFEMS 06 P. Fritzsche, J.
Müller, M Weder, CRASHWORTHINESS OF
COMPOSITES FOR THE TRANSPORT
INDUSTRY;
SIMULATION
AND
EXPERIMENT, SAMPE 07
modeFRONTIER at TUBITAK-SAGE in
Turkey
Since July 2007, the Defense Industries
Research and Development Institute –
SAGE in Turkey has been applying
modeFRONTIER for its research work,
specifically for the integration of their
wide application area covering UAV
preliminary design, ballistics and
turbine blade shape optimization.
Established in 1972, TUBITAK Defence
Industries Research and Development
Institute - SAGE, operates in three
locations - METU Guidance Control
Laboratory, Ankara Subsonic Wind
Tunnel and Lalahan Site which is 30 km
out of the city centre of Ankara. The
Institute is part of TUBITAK - The
Scientific and Technological Research
Council of Turkey.
The main function of SAGE is to perform
research and development activities for
defence systems including engineering
as well as prototype production, both
starting with fundamental research and
conceptual design. Most of the projects
are performed in coordination with
linked defence institutions.
At SAGE, Management and staff believe
that global collaborations are as
important as national partnerships and
hence aim to exchange knowledge with
various partners from allied countries.
The organization’s range of activities
encompasses guided and un-guided
ammunition systems / subsystems, the
production of strategic systems and
subsystems,
specific
software
development work, for example for fire
command
and
control,
flight
simulations etc. The company also
offers inspection and measurement
services along with consultancy
services.
TUBITAK – SAGE’s vision and mission is
to become a pioneer in the
development and use of information
technologies in Turkey and thus to
achieve historical successes in the
defence industry in collaboration with
its partners around the world and
national resources.
TUBITAK – SAGE and modeFRONTIER in
Turkey are supported by FIGES A.S. EnginSoft's Partner in Turkey.
FIGES and EnginSoft are Founding
Members of the TechNet Alliance, the
Global Network of CAE Experts
TUBITAK-SAGE’s decision to use modeFRONTIER has been based on the
Program’s capabilities for turbine blade optimization, internal ballistic
optimization, aerodynamic optimization, flight dynamics optimization,
structural dynamic optimization, material technology optimization, bung and
warhead optimization, electronic design optimization, mechatronic design
optimization, material technology optimization, engine dynamics
optimization, which are important for the work of engineers and designers at
Turkey’s leading defence research organisation.
54
- Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3
Why students join the modeFRONTIER
University Program
The modeFRONTIER University Program
started one year ago with some specific
initiatives dedicated to the academic
community. So far, 13 modeFRONTIER
training courses took place all over
Europe. Almost 300 researchers and
students have been trained and are
currently testing modeFRONTIER.
University students who attend
modeFRONTIER courses benefit from
the opportunity to learn how to use a
state-of-the-art tool, and in this way,
become more competitive in the job
market, as candidates for innovative
companies.
In
May
2008
a
modeFRONTIER training took place at
University of Pisa, in cooperation with
Professor Giovanni Lombardi of the
Aerospace Department. So far many of
his students have started a thesis
project with modeFRONTIER. "I found
out that a modeFRONTIER course was
scheduled in my School and I thought
I have to go for it" says Marco Troisi,
an engineering student currently doing
his thesis on vehicle aerodynamic
optimization.
“modeFRONTIER is a multidisciplinary
optimization platform of great
capabilities and I am sure that training
and thesis will help me be successful in
school and beyond”. Furthermore,
about his job expectation he adds: "I'm
sure that more and more industrial
companies will consider and implement
optimization techniques to improve
their product design and perfomances".
PhD students and research fellows
mainly
explore
modeFRONTIER
functionalities in numerous leadingedge applications. We can meet them
at International Conferences where
they showcase achievements related to
their research projects.
Dr Adriano Sciacovelli, Politecnico of
Turin, attended a modeFRONTIER
training in November 2007 and
subsequently started a project
concerning optimization of solid oxid
fuel cells coupling modeFRONTIER with
a commercial CFD code. In October
2008 he presented his paper entitled
“ENTROPY GENERATION MINIMIZATION
IN A TUBULAR SOLID OXIDE FUEL CELL”
at the ASME Conference in Boston USA.
Students and Professors of the
modeFRONTIER University Program also
took the exciting opportunity of
attending the TCN CAE Conference
2008, Venice 16-17 October.
Lars-Erik Gaertner, author of the paper
"Coupling of modeFRONTIER v4 with
Aspen Plus 2006 process simulation
software to perform a sensitivity
analysis of a catalytic autothermal
diesel reformer system", approached
modeFRONTIER while still doing his
thesis at Freiberg, Germany.
“The training in Trieste in terms of
academic excellence was very
professional” says Lars-Erik about the
modeFRONTIER academic course he
attended in June 2008.
"I was impressed by the ESTECO
professionals and the high quality of
their mathematical and logical
presentations. At any point, they were
able to answer specific questions
comprehensible for beginners and more
complex for advanced users”. He also
adds: "I came with a couple of
questions to Trieste and: “I came with
a couple of questions to Trieste and left
with all problems solved”.
Lars- Erik was granted a 3-month demo
license and completed his degree
making a stage at a chemical company
in Rome, where he managed to couple
modeFRONTIER
and
a
process
simulation software. During the project
he benefited from Enginsoft Technical
support, that he recommends: “The
technical support was the best I ever
encountered since I work with CAE
software solutions. I know it was due
to the fact that I worked for a
company at the time and EnginSoft
aimed at presenting their product to
the industry. But still it was of great
help for me and my specific tasks”.
Currently a PhD Candidate at Technical
University Bergakademie Freiberg,
Lars-Erik Gaertner concludes: “I think
that the modeFRONTIER University
Program is a smart marketing move of
EnginSoft
to
approach
future
professionals in an early stage of their
career”.
For more information please contact:
Cristina Ancona
[email protected]
modeFRONTIER Seminar at Polestar Racing AB
“Finding the best” and “Win tickets to the STCC finals at Mantorp!”
were the mottos of the modeFRONTIER Seminar that
ESTECO Nordic, EnginSoft's partner in Scandinavia,
hosted on 18th September at the state-of-the-art
facilities of Polestar Racing AB.
More than 30 participants from mixed backgrounds, from
academia to automotive, from pharmaceutics to
electronics, took the opportunity to hear about modeFRONTIER and the diverse
and broad range of the technology's possible applications in various industries.
The 1-day free Seminar also put special emphasis on the application of general
Optimization Methodologies into engineering projects.
For more information about modeFRONTIER in the Nordic Countries, please
contact: Mr Håkan Strandberg
ESTECO Nordic AB - [email protected]
Newsletter EnginSoft Anno 5 n°3 -
55
modeFRONTIER Event Calendar
GERMANY
30 September – 1 October 2008 – 7th LS-DYNA Forum,
Bamberg. Visit the EnginSoft booth!
EnginSoft, Marco Perillo, presenting on “Structural dynamic
response of a track chain complete undercarriage system
using a virtual proving ground approach”
www.dynamore.de
22-24 October – ANSYS Conference & 26th CADFEM Users’
Meeting 2008
darmstadtium wissenschaft kongresse Darmstadt
Come and speak to us at the EnginSoft booth!
EnginSoft, Fabiano Maggio, presenting on “Multi-body
simulation and multi-objective optimization applied to
Vehicle Dynamics - In-plane analysis of a motorcycle front
suspension”
www.usersmeeting.com
FRANCE
EnginSoft France 2008 Journées porte ouverte
Dans nos locaux à Paris et dans d’autres villes de France et
de Belgique, en collaboration avec nos partenaires, TASS TNO
Automotive France et CETIM.
Veuillez contacter Jocelyn Lanusse, [email protected],
pour plus d'information,
http://www.modefrontier.fr/
BELGIUM
21-22 October - modeFRONTIER Academic Training
Von Karman Institute
Please note: These Courses are for Academic users only. The
Courses provide Academic Specialists with the fastest route
to being fully proficient and productive in the use of
modeFRONTIER for their research activities. The courses
combine modeFRONTIER Fundamentals and Advanced
Optimization Techniques.
For more information, please contact Dr. Cristina Ancona,
[email protected]
ITALY
14-15 October - modeFRONTIER International Users' Meeting
2008. Stazione Marittima, Trieste
The bi-annual meeting and platform that brings together
modeFRONTIER users from around the world and the ESTECO
development team!
www.esteco.com
16-17 October - TCN CAE 2008 International Conference on
Simulation Based Engineering
Hotel Laguna Palace di Mestre, Venice
TCN CAE 2008 represents an international forum for
researchers, scientists, engineers, managers dedicated to the
fields of applied computational science and engineering.
http://tcncae08.consorziotcn.it
On the same days, and at the same venue:
EnginSoft Conference 2008
The largest CAE event in Italy hosting as well the Italian
modeFRONTIER Users’ Meeting with large accompanying
exhibition featuring latest software and hardware products
and vendors from around the world.
http://meeting2008.enginsoft.it/
ANSYS Italian Users’ Meeting 2008
www.ansys.com
SWEDEN
October 6-7 - ANSYS 2008 Nordic User Meeting
Meet ESTECO Nordic in Göteborg!
www.ansys.com
TURKEY
06-07 November - 13th Conference for Computer Aided
Engineering and System Modeling with Exhibition
13th ANSYS Users’ Meeting
5th MATLAB & Simulink Users’ Meeting
Swissotel, Ankara
modeFRONTIER product presentations as well as many studies
and applications from around the world presenting different
software in finite element and system modeling
technologies!
http://www.figes.com.tr/conference/2008/index.php
CZECH REPUBLIC
18 November - Ricardo 2008 European User Conference
Hotel Diplomat, Prague
EnginSoft presenting on “Unifying the Piaggio 125 and 150cc
engine intake systems by means of multi-objective
optimization, coupling WAVE and modeFRONTIER”
Please visit our booth in the accompanying exhibition!
http://www.ricardo.com/softwareEUC/
For more information:
[email protected]
modeFRONTIER University Program,
Training courses for academic specialists:
November 24-25th, 2008, ESTECO, Trieste, ITALY
November 27-28th, ENSTA, Paris, FRANCE
February 4-5th, Università di Genova, ITALY
To register please contact: [email protected]