Allora quando si parla di materiali compositi il concetto di ottimizzazione di fatto è un must, un requisito standard.
Di per sé il materiale composito offre sia delle opportunità che delle sfide per la progettazione. Prima di tutto l’ottimizzazione è legata al fatto che il materiale possiede delle caratteristiche ortotrope, ha un costo importante, non solo legato al materiale in sé e per sé, ma anche legato alle tecnologie di produzione.
 
La tecnica del handlayup è una tecnologia per certi versi quasi artigianale, per cui ci sono molte variabili che devono essere prese in considerazione durante l’ottimizzazione di un componente.
Le prestazioni meccaniche, di solito quando ci si sposta sul composito, la fibra di carbonio, perché si vuole cercare il massimo delle prestazioni in termini di rigidezza e di resistenza. Ecco riuscire a sviluppare un disegno o una sequenza di laminazione che sia in grado di sfruttare al meglio queste caratteristiche del materiale, rispetti i limiti e i vincoli delle tecnologie di produzione e ottenere il massimo delle prestazioni meccaniche, come dicevo, rappresenta una sfida, ma anche un’opportunità.
 
Infatti il composito mette il progettista di fronte a numerose scelte. Gestire la fibra di carbonio vuol dire selezionare determinati tipi di materiali, ma non solo, determinare anche il livello di fornitura se tessuto o unidirezionale, ci sono l’orientamento delle fibre è un’altra variabile che entra in gioco, gli spessori dei materiali. Inoltre, tipicamente un componente ad alte prestazioni fatto in composito ha dei requisiti di progetto diversificati, i carichi di missione possono essere molto diversi e l’ottimizzazione per un determinato scenario di carico magari è in conflitto con l’ottimizzazione per un altro scenario di carico, quindi è necessario riuscire a trovare delle soluzioni di miglior compromesso nello sviluppo del disegno. Inoltre, già ribadito, vincoli di producibilità, bisogna che il disegno che noi andiamo a concepire, la sequenza di laminazione che pensiamo, sia poi alla fine realmente tagliabile, sviluppabile in piano e posizionabile sullo stampo.

Giusto per in quadrare i criteri di progettazione attuali, l’ottimizzazione può essere fatta attraverso un approccio di tipo manuale, quindi l’analista FEM prende, si verifica i risultati partendo da una laminazione di primo tentativo, interpreta i risultati, verifica le prestazioni e se raggiunge il target il ciclo è finito. Tipicamente, non è così e si entra quindi in un loop nel quale usando l’esperienza occorre ridefinire la sequenza di laminazione per raggiungere i vari requisiti di performance desiderati. Viene aggiornato il modello e quindi le laminazioni, tipicamente si entra quindi in un ciclo dove iterazione dopo iterazione ci si avvicina al disegno ottimizzato. Una volta che il disegno è stato ottimizzato devo andare a verificare se effettivamente è poi anche producibile. Se non è producibile, si innesca un altro loop legato appunto al rispetto delle variabili di manufacturing finché alla fine non vado a deliberare il progetto. Questo vi potete immaginare richiede molto tempo e soprattutto è un approccio di tipo manuale, richiede per ogni iterazione l’intervento umano.

L’ottimizzazione automatica dei laminati ha un workflow molto simile, perché si definisce a priori una sequenza di laminazione su quelle che sono le pelli, la laminazione candidata dei vincoli, dei criteri di progettazione e i criteri di carico, le condizioni al contorno del modello. Se già ho raggiunto gli obiettivi di prestazione meccanica rispettando i vincoli legati agli spessori, agli orientamenti delle fibre posso deliberare il progetto.
Tipicamente non è così e anche in questo caso si entra in un loop che viene gestito in maniera automatizzata dal software, il quale ha la libertà di modificare i parametri della laminazione, spessori, materiali, orientamento, in base ai criteri che gli ho assegnato.
Questa cosa mi permette di considerare contemporaneamente più casi di carico, quindi permette di trovare quasi automaticamente quel miglior compromesso tra criteri di progettazione concorrenti. Dopodiché una volta aggiornato il modello e anche qui il software permette di non eseguire manualmente l’aggiornamento della laminazione, ma permette poi di aggiornare il modello FEM per la verifica e idealmente tutto questo flusso si lavoro, se il problema è stato impostato bene, rappresenta un singolo ciclo di ottimizzazione.
Una volta raggiunta la convergenza bisogna comunque anche in questo caso verificare se il disegno sia producibile, quindi rientrando eventualmente nel loop di ottimizzazione o deliberando il progetto.

Qui ho riportato a confronto i due flussi di lavoro, entrambi sia quello manuale che quello automatico, hanno un limite, un tallone d’Achille, proprio sulla verifica della realizzazione, della producibilità del componente. Questa è proprio l’area che differenzia OptiAssist rispetto agli altri approcci di ottimizzazione.

Ottimizzazione parametrica
L’operatore definisce a priori quelle che sono le varie zone, le varie laminazioni della struttura e l’ottimizzatore va a modificare soltanto quelli che sono i parametri come spessore e orientamento delle fibre. Per cui la forma della pelle è bloccata, è definita a priori.
 
Topologica Freesize
L’ottimizzatore si prende la libertà idealmente di modificare elemento per elemento la sequenza di laminazione. Vi potete immaginare come una variazione così continua e dettagliata della laminazione sul componente risulti difficilmente realizzabile.
 
Topologica Size
Vengono definiti dei criteri di raggruppamento degli elementi per cercare di realizzare dei laminati fattibili, però questo tipo di tecnologia presenta ancora dei grossi limiti proprio sugli aspetti di producibilità del componente.
 
Quello che differenzia OptiAssist è l’ottimizzazione Ply-Based
Permette di assegnare in varia maniera all’ottimizzatore dei criteri per partizionare la geometria del componente per fare in maniera tale che le pelli rispettino dei profili e delle geometrie e delle forme che siano comunque realizzabili e facilmente raggruppabili.

Il flusso di lavoro tipico è essenzialmente costituito da tre fasi principali, ci sono poi anche tante altre declinazioni, però queste sono le tre cose principali che si fanno durante l’ottimizzazione del laminato.
 
Il punto di partenza è definire il laminato candidato. Quindi, partendo da un modello agli elementi finiti esistente creato con un qualsiasi modellatore FEM, io posso importare quindi un laminato esterno, oppure posso crearlo da 0 all’interno dell’ambiente di OptiAssist che ha il suo ambiente grafico e il suo modellatore.
Una volta definito quello che è il laminato candidato, si passa alla parte di ottimizzazione e quindi si definiscono tutti i criteri di prestazioni da raggiungere, i vincoli di spessori e quantità di pelli da introdurre nel laminato e i criteri per la gestione della forma delle pelli.
Una volta eseguito il loop di ottimizzazione e avendo definito, avendo ottenuto un laminato ottimizzato è possibile poi esportare il dato prodotto verso i colleghi che si occupano della produzione in varia maniera.
 
Punti di forza di questa soluzione
Il fatto di poter essere integrato all’interno del workflow di progettazione dei compositi e del workflow FEM, per cui posso importare modelli FEM in vari formati, posso importare le laminazioni in vari formati e partire da quel punto per impostare lo studio di ottimizzazione. Lo studio di ottimizzazione di OptiAssist è diverso rispetto agli altri strumenti perché è in grado di tener conto durante tutti il ciclo di ottimizzazione degli aspetti di producibilità del laminato, infine il prodotto di OptiAssist può essere utilizzato e condiviso “as is” per andare in produzione.

Ottimizzare il laminato potendo definire più criteri di verifica per rigidezza piuttosto che per resistenza e in scenari di analisi quindi anche complessi e riuscire a garantire il massimo delle prestazioni dalla sequenza di laminazione.
 
Idee innovative, concetti di laminazione che io magari non ho neanche pensato, ma che effettivamente possono aiutarmi a superare dei problemi strutturali gestendo in maniera diversa, in maniera differente il partizionamento delle superfici.
 
Producibilità del laminato. Il concetto stesso di forma della pelle entra all’interno del ciclo di ottimizzazione, quindi alla fine del loop otterrò una geometria che rispetterà i criteri che io ho assegnato e quindi producibile secondo quelli che sono i miei standard.
 
Accorciamento dei tempi di sviluppo, ma anche dei costi di realizzazione del componente in composito, perché riesco a gestire meglio il materiale e a arrivare prima a un progetto ottimizzato.

OptiAssist è un parente, come funzionamento, della SOL 200 di Nastran?
OptiAssist ha la possibilità di condurre ottimizzazioni secondo tecniche diverse. Quella che abbiamo fatto vedere oggi è la tecnica più sofisticata, quella che prevede la definizione della forma delle pelli e che è una possibilità preclusa a un approccio parametrico come quello della SOL 200.
Posso utilizzare OptiAssist anche per fare ottimizzazione parametrica. In realtà in un ottimizzazione realistica di una struttura in composito ci sono anche degli aspetti di ottimizzazione parametrica come ad esempio posso mettere tra i parametri di ottimizzazione l’angolo delle fibre e quindi posso con OptiAssist sviluppare un’ottimizzazione tipo la SOL 200 di Nastran con in più la possibilità anche di definire le forme delle plies.
 
OptiAssist funziona soltanto con Genesis o se supporta altri solutori?
OptiAssit supporta due possibili scenari di utilizzo. Uno è con l’ottimizzatore Genesis, con cui sostanzialmente costituisce un pacchetto unico e autosufficiente. Quindi si possono effettuare sia le analisi FEM che le ottimizzazioni, ma anche addirittura la modellazione, la meshatura, ecc.
Altrimenti esiste una versione di OptiAssist che viaggia come plugin di Simcenter 3D.
 
In che modo viene gestito l’accrescimento dello spessore del laminato?
Per quanto riguarda l’accrescimento dello spessore il riferimento è la direzione normale dell’elemento. Quindi ogni elemento ha una direzione normale che viene gestita dall’utente e la sequenza di laminazione va dal bottom dell’elemento fino al top dell’elemento, quindi secondo la direzione normale e secondo la sequenza di laminazione.
 
Abbiamo visto soltanto casi di stress e rigidezza, ma se è possibile nell’ottimizzazione con OptiAssist dare anche target differenti tipo il buchling?
Si, dentro OptiAssist posso definire una ottimizzazione con un mix di differenti tipologie di analisi e ad esempio posso in una singola ottimizzazione gestire la frequenza di risonanza maggiore di un certo valore minimo piuttosto che uno stress o un safety factor o un failure index minore di un certo valore massimo da una o più condizione di carico o fattore di buchling ecc. Quindi posso mischiare tipologie di analisi e tipologie di ottimizzazione diverse.
 
OptiAssist può eseguire anche ottimizzazioni topologiche su elementi 3D?
Si, le possibilità di ottimizzazione sono molto ampie, inclusa quella topologica, quindi è un ottimizzatore multi-purpose e permette di fare ottimizzazione, ad esempio parametrica, topografica, topologica e quella che abbiamo visto sui compositi è un po’ l’aspetto più innovativo e oggi abbiamo voluto puntare su quello perché a nostra conoscenza non esiste un altro software sul mercato che permette di gestire l’ottimizzazione di un laminato composito con il controllo della forma delle pelli.
 
Come si posiziona OptiAssist rispetto alla concorrenza? Non solo in termini di time to market o dati di produzione, ma se c’è anche un vantaggio dal punto di vista di prestazioni quindi riduzione della massa a parità di obiettivo.
Allora il vantaggio strategico di OptiAssist con Genesis non è quello di ottenere a parità di condizioni al contorno un valore di prestazione migliore o peggiore, nel senso che se io imposto una certa ottimizzazione, con certi vincoli e certe variabili di design, con OptiAssist, e la imposto con un altro solutore, il risultato finale sarà tendenzialmente lo stesso.
Il vantaggio fenomenale di OptiAssist con i compositi è che posso ottenere dal programma qualcosa che io a priori non conosco, ossia come sono fatte le pelli. Questa cosa la posso fare non in un modo estremamente teorico e aggressivo come ad esempio in un’ottimizzazione freesize dove si le pelli vengono formalmente individuate, ma non sono pelli, nel senso che sono delle forme estremamente capricciose e complesse che sono totalmente infattibili. Nel caso di OptiAssist io riesco a dare al software un limite a le forme possibili che lui si può inventare e è chiaro che devo essere io bravo a dargli un limite che non sia ne troppo restrittivo ne viceversa troppo libero, quindi c’è un valore aggiunto, intellettuale da parte di chi gestisce l’ottimizzazione che aumenta o diminuisce il livello di performance finale che riesco ad ottenere, però il vantaggio rimane di tipo tecnologico, quindi gli algoritmi, il funzionamento del software stesso, nella definizione appunto di forme fattibili delle plies.