Questo è il terzo episodio della serie dedicata a OptiAssist per Simcenter 3D, il tema che affronteremo è quello dell’ottimizzazione strutturale dei compositi laminati.
 

Sul nostro sito sono disponibili le registrazioni dei primi due seminari, quello dedicato alla tecnologia RDM, acronimo di Reinforcement Derivation Method, e quello dedicato all’ottimizzazione delle strutture in piccolo spessore.
 

• Per prima cosa introduciamo il tema dell’ottimizzazione dei compositi laminati, quali sfide offre ai progettisti e agli analisti FEM e quali sono le limitazioni dei principali strumenti di ottimizzazione nella gestione dei vincoli tecnologici di queste strutture.
• Dopodiché vedremo come OptiAssist e il suo approccio plybased per l’ottimizzazione dei laminati permetta di introdurre nel modello regole che rispettino i vincoli tecnologici sulla forma delle pelli e sulla sequenza di laminazione.
• Successivamente vedremo tre esempi pratici nei quali scopriremo passo dopo passo la procedura di ottimizzazione dei laminati che come vedrete è molto immediata e semplice da utilizzare.

Quali sono le principali sfide della progettazione e dell’ottimizzazione dei compositi laminati?
 

Per i compositi laminati il concetto di ottimizzazione è un requisito standard, per numerosi motivi.

• Per prima cosa i materiali usati sono molto costosi e riuscire a minimizzarne l’utilizzo permette di contenere il costo del manufatto.
• La tecnologia di produzione attuale, basata sulla tecnica dell’hand layup e la cura in autoclave è un processo manuale che richiede particolari attenzioni per la deposizione delle pelli sullo stampo.
• Per quanto riguarda le prestazioni meccaniche il composito viene utilizzato in applicazioni dove si vuole spingere al massimo la leggerezza del componente, rispettando i requisiti di resistenza e rigidezza.

 
Per questi motivi, l’utilizzo del composito, in particolare della fibra di carbonio, si è affermato in settori ad alte prestazioni come il motorsport e l’aerospazio. La progettazione di una parte in composito offre numerose sfide oppure opportunità a seconda del punto di vista con cui si guarda la situazione.
 
Se da una parte il composito offre un’ampia libertà di progettazione, la scelta del materiale, lo spessore delle pelli, l’orientamento delle fibre, la sequenza di laminazione, rappresentano una ricca opportunità per ottenere le prestazioni meccaniche desiderate. Dall’altra non è banale gestire tutte queste variabili per massimizzare le prestazioni e al contempo minimizzare il peso e il costo del prodotto.
 
Spesso il componente deve soddisfare molteplici requisiti di progetto in termini di carichi, resistenza, rigidezza, che molto spesso sono in conflitto tra di loro. La sfida risiede nel concepire una laminazione che risulti il miglior compromesso possibile tra questi requisiti che sono in competizione tra loro. Non dimentichiamoci poi che la tecnologia del composito richiede il rispetto di numerosi vincoli di producibilità, i più stringenti dei quali sono legati alla forma delle pelli. Il progetto ottimizzato pertanto deve ter conto anche di questi vincoli tecnologici per essere poi realizzabile sia da un punto di vista pratico che economico.

Quali sono i principali strumenti di ottimizzazione disponibili sui modelli agli elementi finiti?

• Il primo è quello dell’ottimizzazione parametrica, ad esempio è il metodo disponibile nella SOL 200 di Nastran. La forma delle pelli è fissata a priori attraverso le schede Pcomp del solutore Nastran, i parametri utilizzabili sono gli spessori, la direzione delle fibre e i moduli di elasticità dei materiali.
• Altra tecnica di ottimizzazione, la topologica Freesize, che è simile alla parametrica, ma con l’individuazione della distribuzione continua di spessore locale. Il punto di partenza di questa tecnica è l’ottimizzazione topologica.
• Altra tecnica di ottimizzazione è la topologica Size, tipicamente parte da una freesize dalla quale si deriva poi la forma delle pelli candidate e permette di definire alcuni criteri per vincolare gli spessori dei ply del laminato.

 
Queste tre tecniche sono disponibili in vari software di ottimizzazione commerciale tra cui appunto Nastran con la SOL 200, ma hanno una grande limitazione, non sono in grado di definire correttamente tutti i vincoli tecnologici caratteristici di una struttura in composito, o perlomeno definire questi vincoli richiede un lavoro manuale di setup molto complesso e soggetto a errori che rende un’ottimizzazione del genere poco utilizzabile con questi strumenti. Inoltre i risultati che vengono prodotti da queste tecniche di ottimizzazione devono comunque essere sempre reinterpretati e riadattati vanificando il lavoro stesso dell’ottimizzazione.
 
Per superare questi limiti GRM Consulting ha messo a punto OptiAssist con un approccio di tipo Ply-Based. Questo approccio permette di combinare gli aspetti delle tecnologie precedenti dando la possibilità sia di avere il controllo manuale sulla forma delle pelli che criteri intelligenti per definire forme delle pelli in maniera più o meno vincolato dall’utente.
 
Questo viene fatto definendo in fase di setup dell’ottimizzazione delle regole, basate sulla geometria, che mettono in relazione le variabili di progetto nelle varie zone del laminato. Queste relazioni vengono poi utilizzate dall’ottimizzatore per guidare lo studio verso forme e laminazioni realmente realizzabili.

Il punto di forza di OptiAssist, che è un pacchetto integrato all’interno dell’ambiente di analisi di Simcenter 3D, è la sua semplicità di utilizzo.
 
Il programma è integrato all’interno dell’interfaccia utente di Simcenter 3D attraverso un ribbon dedicato, che contiene in maniera organizzata tutte le funzioni di ottimizzazione sia per il pre-processing che per il post-processing dei risultati. All’interno del ribbon, in particolare, troviamo il comando composites optimization che apre un pannello che guida l’utente attraverso i sei step della definizione dello studio di ottimizzazione.

1. Si selezionano i casi di carico
2. Vengono definite le regole di ottimizzazione del laminato
3. Possibilità di definire criteri di raggruppamento degli elementi in zone individuate automaticamente dal software o definite dall’utente
4. Definizione della funzione obiettivo
5. Definizione di ulteriori vincoli di ottimizzazione da rispettare
6. Setup da un punto di vista matematico e numerico del solutore

Questo processo guidato semplifica molto il lavoro dell’analista e risulta rapidamente utilizzabile praticamente su qualsiasi modello agli elementi finiti laminato.

Ciò che caratterizza, distingue, OptiAssist rispetto agli altri software di ottimizzazione, sono appunto le regole di progettazione, che tengono conto dei parametri tecnologici del composito.
 
Per prima cosa è possibile assegnare la forma delle pelli dicendo al software di rispettare le zone del laminato definite dall’utente, oppure attraverso strumenti automatici, partizionare la mesh in base a criteri geometrici. Inoltre è possibile definire criteri con cui gestire la sequenza di laminazione, definendo il numero minimo e massimo di ciascuna pelle, il rispetto dei piani di simmetria, limiti nello spessore complessivo del laminato e altre caratteristiche.
 
Tutto questo permette ad OptiAssist di ottenere laminazioni con pelli dalla forma realizzabile e allo stesso tempo molto performanti.
 
OptiAssist per Simcenter 3D è stato utilizzato da INEOS Team UK per ottimizzare le laminazioni della barca da regata che ha partecipato all’ultima edizione della Coppa America. In particolare la tecnologia di OptiAssist si è rivelata estremamente utile per ottimizzare la laminazione di vari componenti strutturali: lo scafo, la paratia del piede d’albero e numerosi dettagli locali come l’attacco di winch e trasmissioni.

Quali sono i benefici principali di OptiAssist per l’ottimizzazione delle parti in composito?

OptiAssist possiede una tecnologia unica per gestire gli aspetti di ottimizzazione strutturale in termini di configurazione di carico, obiettivi di massa e rigidezza. Quindi questo mi permette di ottenere sempre il massimo delle prestazioni strutturali da un componente in composito.
 
Il secondo aspetto fondamentale è quello dell’innovazione. Lasciando la massima libertà all’ottimizzatore, OptiAssist può fornire delle idee concettuali molto interessanti che possono aiutare il progettista a individuare rapidamente le zone da rinforzare e a definire una strategia di laminazione migliore. Queste idee concettuali poi, grazie all’utilizzo degli strumenti interni ad OptiAssist per partizionare il modello, possono essere tradotte agevolmente in sequenze di laminazioni realizzabili davvero, minimizzando il numero di pelli e razionalizzando l’uso del materiale.
Questo vuol dire non solo ottenere il massimo delle prestazioni da un punto di vista meccanico, ma essere anche sicuri che la sequenza di laminazione che è stata concepita dall’ottimizzatore riuscirà a passare il vaglio della produzione.
 
Ultimo, ma non ultimo, se ragioniamo in termini di tempi di sviluppo, il confronto tra l’approccio tradizionale manuale, dove l’ingegnere varia localmente le laminazioni andando a definire le varie patch, e uno strumento semiautomatico basato sull’approccio Ply-Based come quello di OptiAssist, i tempi di sviluppo per risolvere i problemi e migliorare le prestazioni del componente sono nettamente a favore di OptiAssit.
 
Con OptiAssist e l’ottimizzazione Ply-Based è possibile concepire sequenze di laminazione più performanti, sicuramente realizzabili e utilizzando meno materiale, in molto meno tempo rispetto a quello che si potrebbe ottenere rispetto all’approccio di modellazione FEM tradizionale.

OptiAssist è in grado di considerare condizioni al contorno differenti per obiettivi differenti?
La risposta è sì, in particolare andando a vedere il caso del sedile con OptiAssist si è visto che è possibile impostare uno studio di ottimizzazione con condizioni di carico diverse, ciascuna con i propri obiettivi.
 
È possibile fare un’ottimizzazione anche su modelli FEM non lineari dei compositi.

La risposta è no. OptiAssist utilizza la SOL 200 di Nastran per eseguire l’ottimizzazione e questo modulo utilizza sostanzialmente il metodo del gradiente. Di fatto non è una limitazione, il fatto di dover gestire modelli lineari, perché è un po’ l’approccio che viene utilizzato dalla maggior parte dei software di ottimizzazione strutturale. Quindi bene o male è allineato agli altri strumenti, nel caso in cui fosse necessario eseguire un’ottimizzazione di un’analisi non lineare, all’interno della piattaforma di Simcenter 3D è presente il modulo Design Exploration che è un ottimizzatore multi-obiettivo basato sul solutore HEEDS , che permette appunto di eseguire ottimizzazioni di tipo multi-obiettivo in maniera indipendente dal tipo di analisi che viene utilizzata, per cui è possibile utilizzare anche calcoli di tipo non lineare.
 
Esiste un’anteprima grafica e schematica del processo di laminazione?

La risposta è sì, perché attraverso i moduli di OptiAssist e di Simcenter 3D, soprattutto di Simcenter 3D, che sono necessari per impostare le pelli globali, queste informazioni poi possono essere esportate verso strumenti come Fibersim o lo stesso Laminate Tools, che permette poi di utilizzare questi dati per modellare il drappeggio delle pelli, simulare il drappeggio delle pelli, generare il PlyBook della laminazione e effettuare lo sviluppo in piano delle pelli per poi andare al taglio e al nesting.