Buongiorno a tutti e benvenuti a questo seminario dedicato all’ottimizzazione strutturale.

Anche se si tratta di un argomento molto particolare e di nicchia, vi informo che vi siete iscritti numerosissimi e voglio ringraziarvi per la partecipazione. Questo webinar è il primo episodio della serie dedicata ad OptiAssist per Simcenter 3D, che ci accompagnerà nei prossimi mesi.

Cominciamo oggi introducendo una delle principali novità della nuova versione di OptiAssist, ovvero la tecnologia RDM. Il Reinforcement Derivation Method permette di individuare facilmente la posizione migliore dove introdurre i rinforzi per irrobustire una struttura esistente.

La serie continuerà poi il 23 settembre con un evento dedicato all’ottimizzazione delle strutture in piccolo spessore modellate con elementi shell, possono essere parti a spessore costante come le lamiere o geometrie a spessore rastremato come le parti in stampato in plastica. Vedremo dei casi applicativi per queste due situazioni.

Nell’ultimo evento, il 4 novembre, parleremo di una peculiarità di OptiAssist, ovvero l’ottimizzazione delle strutture in, nel rispetto dei vincoli tecnologici. Questa è una caratteristica unica di OptiAssist, che lo ha reso molto popolare tra i team di Formula 1 e di Coppa America. Vi informa anche che l’iscrizione è unificata per tutti e tre gli eventi, quindi non avrete bisogno di iscrivervi agli altri due, riceverete qualche giorno prima del webinar il promemoria con il link per partecipare.

Per variare la programmazione questi eventi saranno intervallati fa altri seminari dedicati a altre tecnologie CAE, di cui riceverete comunicazione tramite la newsletter e i nostri canali social.

Questa è l’agenda dell’incontro: prima una brevissima introduzione per parlarvi di OptiAssist per Simcenter 3D, dopodiché vedremo dei cenni su questa nuova funzione che si chiama Reinforcement Derivation Method. Questa è una tecnologia già disponibile da tempo, in altre versioni di OptiAssist, ma che con la versione 3 è adesso disponibile anche per gli utilizzatori di Simcenter 3D. Successivamente vedremo un paio di esempi pratici nei quali scopriremo passo dopo passo la procedura guidata RDM, che come vedrete è molto immediata e semplice da utilizzare. Infine tireremo le conclusioni di questo evento e, per chi vorrà intrattenersi un po’ più a lungo, è prevista una sessione di domande e risposte nella quale potrete sottopormi i vostri quesiti. Per le domande dovete usare il pannello corrispondente nella finestra di GoToWebinar, potete sottoporre le domande in qualsiasi momento, anche mentre ci sono le dimostrazioni, io risponderò però soltanto al termine della presentazione. Una comunicazione di servizio: stiamo registrando questo seminario, per cui se avrete dei problemi di audio o video non preoccupatevi, perché tra qualche giorno la registrazione del seminario sarà disponibile sul nostro portale dei webinar.

Andiamo adesso alla prima parte; che cos’è OptiAssist per Simcenter 3D.

OptiAssist è uno strumento sviluppato da GRM Consulting, una società inglese specializzata nella progettazione e ottimizzazione delle strutture in composito. GRM è fornitore di servizi e di tecnologie di ottimizzazione per i principali team di Formula 1 e Coppa America, giusto per citare due ambienti in cui c’è una continua ricerca delle prestazioni del prodotto e dei componenti. Questa esperienza ha portato allo sviluppo di OptiAssist, una serie di strumenti che semplificano a monte tutto il processo di definizione degli studi di ottimizzazione strutturale e a valle l’interpretazione dei risultati dell’ottimizzazione. Di fatto OptiAssist si propone con un’interfaccia grafica molto semplice è un pannello nel quale si possono selezionare le entità del modello FEM del quale voglio migliorare le prestazioni meccaniche e impostare facilmente studi di ottimizzazione molto complessi. Per questo motivo OptiAssist non può funzionare da solo, ma ha bisogno di appoggiarsi a un software FEM strutturale dotato di funzioni di ottimizzazione. In particolare esistono varie versioni di OptiAssit, OptiAssist per Genesis che si integra con quello che è senza dubbio il software di ottimizzazione strutturale più evoluto presente sul mercato. Questa è storicamente la prima versione che è stata rilasciata e ad oggi è quella più completa. Dopodiché abbiamo OptiAssist per Simcenter 3D che si integra con l’ambiente di simulazione multidisciplinare di Siemens, questa versione è il protagonista della serie di webinar che stiamo proponendo. Una curiosità, questa versione è stata sviluppata in collaborazione con il team INEOS UK nel corso della precedente campagna di Coppa America. L’ultima arrivata, quest’anno, l’integrazione di OptiAssist con l’ambiente Abaqus.

Per quanto riguarda OptiAssist per Simcenter 3D, GRM Consulting aveva l’obiettivo di sviluppare un ambiente unificato che permettesse agli utilizzatori di Simcenter di massimizzare il potenziale espresso dal modulo di ottimizzazione strutturale di Nastran, la famosa SOL 200. Per raggiungere questo obiettivo GRM ha lavorato in due ambiti, il primo è stato quello di semplificare l’interfaccia per pilotare la SOL 200 rendendo meno complicata e quindi accessibile anche al progettista. In questo modo l’ottimizzazione strutturale può essere efficacemente utilizzata anche nelle fasi preliminari del progetto. Il secondo obiettivo su cui ha lavorato GRM è stato quello di portare sulla piattaforma di Simcenter Nastran l’esperienza e le tecnologie maturate con il solutore Genesis, ad esempio tutta la suite per l’ottimizzazione dei compositi che vedremo nel terzo episodio di questa serie, e molte altre funzioni. OptiAssist per Simcenter 3D è arrivato adesso alla terza versione ed è pertanto un prodotto robusto e maturo che si integra molto bene con Simcenter 3D. tra gli strumenti messi a disposizione da OptiAssist per Simcenter 3D ci sono: l’ottimizzazione topografica, che è uno strumento che permette di sviluppare bugne di rinforzo su strutture modellate a shell. È molto utile per poter avere indicazioni su come massimizzare la rigidezza e le frequenze di risonanza del sistema e per minimizzare gli stress. Altra tipologia di ottimizzazione, quella dell’ottimizzazione degli spessori, che permette di individuare la migliore configurazione di spessori per, anche in questo caso in sistemi modellati con gli shell e anche in questo caso gli obietti possono essere di rigidezza, frequenza di risonanza e riduzione degli stress. Poi c’è l’ottimizzazione Free Size che è un ibrido tra le due tecniche precedenti, si utilizza anche questa sempre sugli shell, ed è particolarmente utile per parti che hanno spessori rastremati. Poi la shape optimization che permette di modificare la posizione dei nodi sulle facce esterne della mesh, in maniera tale da aggiungere e togliere materiale sulla superficie. L’ottimizzazione dei compositi, ovvero sviluppare forme delle pelli e sequenze di laminazione ottimali, dando degli obiettivi di tipo strutturale e rispettando i criteri di progettazione e di realizzazione ai vincoli tecnologici tipici del composito. Oltre a queste funzioni la versione 3 di OptiAssist introduce un nuovo strumento il Reinforcement Derivation Method o RDM, di cui parliamo specificamente oggi. Una cosa importante di OptiAssist per Simcenter 3D è che tutti questi strumenti sono abilitati e accessibili all’interno di un modellatore FEM, di un modellatore CAE, che è basato su un motore CAD geometrico, per cui tutte le modifiche geometriche suggerite dall’ottimizzazione diventano poi di facile implementazione all’interno di Simcenter 3D, o perlomeno è più facile implementarle rispetto ad altri ambienti.

Andiamo a vedere il Reinforcement Derivation Method. Per introdurre questa tecnologia, la prendo un po’ larga e introduco il concetto di ottimizzazione topologica che è uno degli ingredienti dell’RDM. L’ottimizzazione topologica è una tecnologia consolidata, l’ottimizzatore topologico, come quello di Simcenter o Genesis permette di sintetizzare la forma di una struttura rimuovendo dal volume dello spazio di progetto il materiale che collabora meno alla deformazione del sistema. Di fatto è qualcosa di applicabile a livello concettuale e nelle primissime fasi del progetto, in questa animazione vediamo un esempio su una staffa con 4 punti di ancoraggio. Una volta ottenuta questa forma concettuale, tipicamente la geometria viene poi passata all’ambiente di modellazione CAD, in questo caso sempre dentro Simcenter 3D ho a disposizione tutti i comandi di modellazione geometrica, per cui posso alla fine realizzare il costruttivo del componente ottimizzato, rientrare nell’ambiente FEM ed eseguire l’analisi strutturale di verifica e delibera finale del progetto. La topologica viene tipicamente utilizzata quando sono “all’inizio” e ho la massima libertà creativa all’interno dello spazio di progetto, ma cosa succede quando lo spazio di progetto è già definito? E quante volte capita di dover eseguire uno studio, fare delle modifiche e dei miglioramenti quando il progetto è già in uno stato molto avanzato? Questo succede più spesso di quanto non ci si possa immaginare. Per prima cosa l’analisi agli elementi finiti anche su la prima verifica che faccio su un componente, riesco a farla quando ho la geometria delle parti e dell’assieme, questo vuol dire che alcuni componenti vengono necessariamente dimensionati sulla base dell’esperienza a causa delle interfacce di montaggio, degli spessori e dei vincoli tecnologici. Questo vuol dire mettere dei paletti al progetto e limito l’eventuale spazio di ottimizzazione che ho a disposizione. Un altro caso tipico è quando si tratta di parti o sottoassiemi che per questioni tecniche, economiche, di opportunità sono banalmente un carry-over da un progetto precedente, ma sono dei componenti che non sono stati pensati specificamente per quella nuova applicazione, quindi non è detto che funzionino bene come nel prodotto precedente. Un altro caso che ci capita molto di frequente, in qualità di consulenti, è quello di andare a mettere una pezza su un prodotto esistente e questo può succedere per tanti motivi, perché ci si è accorti di problemi strutturali sul prodotto che devono essere risolti su una macchina già esistente, già realizzata, il prototipo, addirittura il prodotto che deve essere consegnato al cliente o anche perché il cliente inizialmente era stato progettato bene, ma in corso d’opera sono cambiate le specifiche, i carichi sono più alti oppure cambiano dei componenti di commercio che pesano di più e quindi cambiano le frequenze di risonanza. In altre parole da un momento all’altro ci ritroviamo con il progetto congelato, ma siamo fuori target e dobbiamo trovare la strada per rientrare in obiettivo con le prestazioni. Infine, diciamo il percorso più virtuoso, è quando stiamo progettando una macchina nuova, come adattamento, come una macchina derivata da un’architettura precedente e vogliamo al contempo migliorare le prestazioni meccaniche senza stravolgere l’architettura, intervenire solo dove serve e magari anche al contempo trovare la maniera di ridurre gli spessori per contenere i costi. Una soluzione che permette di intervenire rapidamente ed efficacemente in tutti questi contesti è appunto il Reinforcement Derivation Method di OptiAssit. (15 min)

Ecco il primo esempio della tecnologia RDM di OptiAssist per Simcenter 3D. In questa dimostrazione vedremo come usare il Reinforcement Derivation Method per irrobustire una staffa.

Il punto di partenza di questo studio è un modello ad elementi finiti di un componente solido, questa staffa, già impostato per l’analisi strutturale. Prima di eseguire lo studio di ottimizzazione occorre identificare lo stato iniziale del progetto e per farlo si esegue una semplice analisi statica lineare.

Una volta eseguita l’analisi, chiudiamo le finestre di dialogo di Simcenter 3D che non servono e diamo un’occhiata ai risultati. Per farlo, si entra nell’ambiente di post-processing facendo doppio click sull’icona

Structural. Ad esempio guardiamo gli spostamenti. Una volta soddisfatti del post-processing, facciamo clic su Return to Home e iniziamo l’ottimizzazione. All’interno di Simcenter 3D troviamo la barra multifunzione OptiAssist in cui si trovano le impostazioni per l’Ottimizzazione RDM.

Nella prima scheda selezionamo i subcase da utilizzare nello studio, nel nostro caso Static Load. Facciamo click su Next e definiamo le regole di progettazione. Facendo clic su New si apre la finestra RDM Set Definition. Cambiamo la voce RDM Creation method in modalità Projection e la voce Selection Method in Selcted. Selezioniamo poi le facce degli elementi che delimitano lo spazio di progetto per l’ottimizzazione topologica, nel nostro caso prendiamo tutte le parti all’interno di questo vano.

Una volta selezionate le facce, possiamo impostare la direzione di proiezione lungo Y. Assegniamo una dimensione target di 1.5 mm e per quanto riguarda il sistema di coordinate impostiamo Dynamic, che prenderà automaticamente il sistema del modello.

La material selection è stata impostata su Local Material, e prendiamo l’alluminio 6061.

Una volta completata l’impostazione, facciamo clic su Create Mesh, e otteniamo così la mesh dello spazio di progetto pronta per l’ottimizzazione.

Facciamo clic su Finish e poi passiamo alla scheda Manufacturing Constraints, dove cambiamo il primo vincolo impostando un piano di simmetria. Con la finestra di dialogo dei punti già selezionata dal sistema di coordinate, e vogliamo che il vettore ortogonale sia appunto ortogonale all’asse Y globale. In maniera analoga impostiamo un secondo vincolo come estrusione lungo la direzione Z.

Possiamo anche impostare lo spessore minimo del rinforzo, attraverso il Min Size Control, impostiamo in questo caso la dimensione minima pari a 3 mm.

Quindi facciamo clic su Next e nella scheda degli obiettivi modificheremo il Goal Type selezionando Maximize Stiffness richiedendo una mass fraction del 20% o, nel nostro caso, 0,2. Ricordiamoci poi anche di selezionare il subcase e fare clic su Next. Volendo possiamo assegnare altri vincoli ,ma nel nostro caso non sono necessari, quindi di nuovo clic su Next.

Nei settaggi del solutore cambiamo il numero di iterazioni di progetto da 15 a 50. Facciamo clic su OK e il modello è ora pronto per l’ottimizzazione.

Nella barra multifunzione OptiAssist facciamo clic su Solve e l’ottimizzazione inizierà ad essere eseguita. Una volta terminata l’esecuzione, possiamo chiudere la finestra e controllare la cronologia del progetto.

Qui possiamo vedere la curva della funzione obiettivo. In questo caso la massa è aumentata con l’aggiunta del rinforzo per poi diminuire e stabilizzarsi su un valore asintotico, questo vuol dire che l’ottimizzazione ha funzionato. Possiamo anche verificare la violazione dei vincoli, che avviene solo nelle prime iterazioni. Passiamo poi a vedere graficamente come sono questi rinforzi generati attraverso RDM Plot, carichiamo i risultati dell’ultima iterazione e possiamo vedere il la forma del rinforzo RDM che è stato creato per questo modello.

Possiamo anche dare un’occhiata alla geometria STL del rinforzo, con il comando Export Smooth STL. Il comando permette di salvare il file per poterlo poi reimportare nel CAD.

A questo punto si può chiudere il modello FEM. Possiamo aprire la parte originale della staffa e importarci sopra il file STL per vedere l’aspetto della parte ottimizzata. A questo punto si possono usare i comandi di modellazione geometrica convergente di Simcenter 3D per ridisegnare la parte.

Una volta soddisfatti, possiamo tornare nel modello FEM e aggiornare la mesh dello spazio di progetto lasciando soltanto il rinforzo. Basta andare alla scheda OptiAssist, Update Model From Results, e selezionare l’ultima iterazione test cycle.

Adesso vediamo il nuovo RDM che è stato creato per il modello.

Questo conclude questa esercitazione.

In questa esercitazione di OptiAssist per Simcenter 3D vediamo come utilizzare la Reinforcement Derivation Method per introdurre degli irrigidimenti locali sulla struttura di un elicottero modellato con elementi shell.

Come si può vedere il modello è già caricato. Per prima cosa andiamo ad aprire il file FEM attraverso il menu a tendina.

Per prima cosa facciamo un po’ di ordine nascondendo alcuni gruppi di elementi 2D. Nascondiamo i finestrini a sinistra davanti, a sinistra dietro, dietro a destra, davanti a destra, le porte anteriori e posteriori.

Una volta fatto ciò, nascondiamo la geometria e i vincoli.

Questo rende il modello più facile da capire e da visualizzare.

A questo punto siamo pronti per impostare lo studio di ottimizzazione RDM su questo modello.

Si apre la finestra Optimization Setup che contenente le sei schede per definire lo studio. Nella prima scheda, quella dei Subcases, selezioniamo entrambi i casi di carico e quindi facciamo clic su Next.

Sotto le Design Rules facciamo clic su New.

Per creare la regola di costruzione dello spazio di progetto cambiamo RDM Creation Method, impostandolo come Block search, lasiamo il Selection Method come Displayed.

Impostiamo la block search distance a 150 e la target match size a 100.

Per quanto riguarda il sistema di coordinate lo cambiamo in Inferred e poi selezioniamo il sistema di coordinate sul naso del modello. Impostiamo il materiale scegliendolo tra quelli locali del modello: nel nostro caso prendiamo Alluminio 6061. Per quanto riguarda il Property Factor, modifichiamolo impostandolo a 0.1, quindi creiamo la mesh.

Una volta creata la mesh, selezioniamo Finish e poi next. Nella scheda Manufacturing Constraints creeremo il primo tipo di vincolo per riprodurre la nostra simmetria, che impostiamo prendendo un punto dal modello e selezionando poi l’asse X globale.

Facciamo di nuovo clic su Next e arriviamo alla scheda Goal, dove impostiamo il Goal Type come Maximized Stiffness. Dopo di che chiediamo che la mass fraction sia del 40% e quindi selezioniamo entrambi i casi di carico, facendo poi clic su Next. In questa scheda non necessari altri vincoli, quindi andiamo avanti.

Arriviamo alla scheda Settings, in questo caso aumentiamo il numero di design cycles da 15 a 35. Una volta fatto tutto ciò, facciamo clic su OK. Adesso il modello è pronto per l’ottimizzazione.

Facciamo clic su Solve e partirà l’analisi con il solutore Nastran di Simcenter 3D. Questa simulazione richiede circa 20 minuti di analisi, per questo motivo abbiamo tagliato il video.

Una volta terminata l’esecuzione, è possibile dare un’occhiata alla cronologia del progetto. Chiudiamo tutte le finestre di dialogo del solutore e nella la barra multifunzione OptiAssist facciamo clic su Design History.

Qui possiamo vedere l’evoluzione della funzione obiettivo. In questo caso, la cedevolezza diminuisce man mano che i cicli di progettazione proseguono per l’ottimizzazione. Poiché l’obiettivo dell’ottimizzazione è l’inverso della rigidezza, sappiamo che ha funzionato. Osserviamo anche in questo caso la violazione dei vincoli. Dopo poche iterazioni la violazione si riduce a zero.

Chiudiamo questa finestra, adesso diamo un’occhiata ai risultati dell’ottimizzazione in forma grafica. Entriamo nuovamente in OptiAssist e facciamo clic su RDM plot e impostiamo la densità all’80% per l’ultimo ciclo, premiamo plot, possiamo usare l’RDM generato dall’ottimizzazione per creare il file STL, facciamo clic su Export STL e salviamo.

Apriamo file con la geometria. Importiamoci sopra l’STL. Per visualizzarlo meglio, metto in trasparenza la superficie dell’elicottero. In questo modo riusciamo a vedere meglio il rinforzo che è stato realizzato e applicato al modello in base all’ottimizzazione.

Una volta visualizzata la geometria, facciamo clic su cancel per chiudere il file.

Ora possiamo aggiornare il modello FEM sulla base ai risultati dell’ottimizzazione. Quindi, sempre sotto la scheda Optimization, facciamo clic su Update Model From Results, carichiamo l’ultimo ciclo, impostiamo la densità all’80% e accettiamo. A questo punto l’RDM è stato applicato al modello.

Con questo si conclude l’esercitazione.

Perfetto siamo quindi giunti alla fase finale di questo webinar. Tiriamo un po’ le conclusioni di quello che abbiamo visto oggi. Quali sono i benefici dell’RDM?

Per prima cosa il Reinforcement Derivation Method è un processo automatico, standardizzabile, ripetibile che può essere realmente inserito nella progettazione allo scopo di guidarne le scelte. Il fatto poi di poter utilizzare l’ottimizzazione topologica anche nelle fasi avanzate dello sviluppo del prodotto, sia per risolvere problemi strutturali che soprattutto per migliorare le prestazioni quando il progetto è già definito a livello di forme, permette di ottenere il massimo risultato con il minimo sforzo, perché si riesce ad andare a mettere la pezza nel posto giusto nel caso in cui ce ne fosse bisogno. Infine l’ottimizzazione strutturale tramite l’RDM consente un concreto accorciamento dei tempi di sviluppo del prodotto, sia in fase preliminare usandolo per ottimizzare la struttura, come diciamo un veicolo per semplificare la costruzione dei modelli di ottimizzazione topologica che per l’evoluzione del progetto. Grazie all’uso dell’RDM quindi è possibile individuare soluzioni intelligenti per migliorare e innovare il prodotto. Dal punto di vista dell’azienda questi benefici si traducono in una riduzione dei costi di sviluppo o una mitigazione dei rischi e in sostanza un aumento dei margini di profitto. Di fatto è un tipo di tecnologia che può essere applicata a livello progettuale e che garantisce un vantaggio competitivo alle aziende.

Con questo abbiamo concluso il seminario e siamo arrivati alla sessione di domande e risposte.

Alcune domande sono già arrivate, potete utilizzare la chat di GoToWebinar per sottoporre i vostri quesiti.

La prima arriva da un nostro cliente che è un’utilizzatore di Simcenter 3D, che mi chiede: quali sono i prerequisiti di OptiAssit per Simcenter 3D?

Dipende dal tipo di studio che si vuole svolgere, nel caso dell’RDM è necessario avere attivo il modulo di ottimizzazione topologica. Questo può essere attivato sia come modulo a se stante, con una licenza a se, che è accessibile attraverso i token dei solutori di Simcenter 3D. pertanto se si hanno abbastanza token per attivare l’ottimizzazione topologica si possono eseguire analisi RDM con OptiAssist. Per altri tipi di ottimizzazione, quelli che vedremo nel prossimo seminario, quella dei compositi o quella degli shell, sono necessari altri prerequisiti.

Altra domanda: si può usare OptiAssist anche se non si possiede un ottimizzatore? La risposta è no, perché OptiAssit per funzionare si appoggia ad un ottimizzatore, ad un solutore supportato, che può essere, nel nostro caso, Simcenter 3D o anche lo stesso Genesis. In base a quelle che sono le vostre esigenze possiamo formulare una proposta per abbinare OptiAssit a uno di questi due solutori. Nello specifico la ricontatterò nel corso della prossima settimana per un approfondimento.

L’ultima domanda, che è arrivata per ora: che tipo di vincolo tecnologico è supportato da RDM e dall’ottimizzatore topologico. I vincoli supportati sono diversi, già nei video precedenti ne abbiamo visti un paio, abbiamo visto il vincolo di simmetria e anche il vincolo di estrusione lungo una direzione, a questi si aggiungono la simmetria ciclica, che permette di ottenere la solita forma alle due estremità dello spazio di progetto, il vincolo di fusione casting, che tende ad addensare il materiale nel cuore e definendo una direzione di sformo permette di evitare i sottosquadri, per ultimo l’additive manufaturing, in cui usa delle regole di costruzione geometrica che sono tipiche delle tecnologie additive.

Non ci sono altre domande, pertanto possiamo a questo punto concludere il seminario. Vi ricordo che questa serie dedicata all’ottimizzazione strutturale e in particolare l’episodio dedicato all’ottimizzazione delle strutture modellate con elementi guscio, con gli elementi shell, ci sarà a fine settembre. Tutti voi che avete partecipato a questo seminario riceverete in automatico il link per accedere al nuovo evento.

Con questo è tutto, vi ringrazio nuovamente per la partecipazione e vi auguro fin da oggi un buon fine settimana.