Diamo una definizione di apparato elettronico, per dispositivo elettronico intendiamo in senso generale tutti quegli apparati che possiedono un circuito stampato completo con tutti i componenti elettrici ed elettronici e che per tanto elaborano una potenza o un segnale elettrico al fine di ottenere come risultato in uscita un segnale modificato o una trasformazione dell’energia elettrica. Detto così questa famiglia di dispositivi è molto ampia e infatti può comprendere sia beni di consumo che utilizziamo come ad esempio il PC che state utilizzando per partecipare a questo webinar, lo smartphone, il lettore DVD, ma comprende anche altri tipi di dispositivi, dispositivi industriali come gli inverter o apparati che vengono utilizzati su mezzi in movimento automobili, treni, velivoli o razzi o addirittura sensori o detector scientifici installati sui satelliti.
 
È chiaro che un prodotto elettronico debba soddisfare in primis dei requisiti specifici di tipo elettrico ed elettronico, quindi deve svolgere un compito per il quale è stato progettato. Oltre agli aspetti elettronici, il prodotto offre anche delle altre sfide alla progettazione per poter funzionare correttamente, deve soddisfare dei requisiti di tipo termico per la gestione delle temperature, infatti i componenti elettronici utilizzati nel prodotto hanno una temperatura massima di esercizio che deve essere rispettata per garantire il corretto funzionamento.
 
Il prodotto deve anche resistere alle sollecitazioni che possono nascere durante la sua vita. A seconda del tipo di applicazione deve soddisfare requisiti di resistenza, durata, che vengono verificati attraverso test meccanici. In alcuni casi, questi aspetti, quello termico e quello strutturale, possono essere anche accoppiati, non basta vederli a compartimenti stagni, quindi ci sono problematiche di tipo termo-strutturali, infatti un gradiente di temperatura può portare ad una dilatazione termica differenziale all’interno del componente e questo potrebbe portare a delle implicazioni sulla resistenza strutturale.
 
Questi sono tutti aspetti complementari appunto del prodotto elettronico che devono essere presi appunto in considerazione per la delibera del progetto. Delibera che quasi sempre avviene attraverso dei test sperimentali che sono codificati da normative ben precise. Oltre a questo si aggiungono altri requisiti, meno tecnici, ma che hanno comunque un impatto importante sulle scelte progettuali, la riduzione del costo del prodotto che può avvenire scegliendo materiali, componenti e tecnologie più povere al fine di contenere la spesa, l’esigenza di contenere il peso del prodotto, questo è un tema molto sentito per tutti quei dispositivi che vengono trasportati su veicoli o su velivoli. Altro aspetto importante è la riduzione del time-to-market, riuscire ad arrivare sul mercato il prima possibile.
 
Come in ogni tipo di progettazione devono essere poi previste vari livelli di interazione e di palleggi, tra le varie aree di competenza, quella elettronica, quella termica, quella strutturale e prima di arrivare a la delibera finale del prodotto sono necessarie varie interazioni tra le varie aree di competenza. Di fatto una modifica fatta sulla parte elettronica, mi va a modificare il comportamento termico e potrebbe avere delle implicazioni anche sulla parte strutturale ecco tutti questi aspetti, possono essere modellati efficacemente attraverso i software di simulazione e per riuscire a focalizzarsi su quelli che sono i test, quindi replicare a calcolo i test di qualifica ed essere diciamo più confidenti di riuscire a passare il test finale al primo colpo.

Simcenter 3D è una piattaforma che permette di simulare tutti i fenomeni fisici legati al funzionamento del prodotto, è basato su un cuore, l’Engineering Desktop, che è un modellatore sul quale vengono innestate tutta una serie di discipline e di impianti matematici che permettono di simulare le varie fisiche del prodotto.
 
Rispetto ai software di analisi tradizionali il vantaggio è quello di offrire uno strumento di modellazione geometrica integrato nell’ambiente di analisi. Questo permette da una parte di accorciare il tempo di transito tra il modello geometrico e il modello FEM, ma soprattutto di gestire in maniera più efficace le modifiche al progetto, in quanto ho il modello analitico strutturale, termico, dinamico e fluidodinamico associato con la geometria.
 
Un altro è l’integrazione multidisciplinare. Attraverso Simcenter 3D si possono prevedere effettivamente tutte le prestazioni fisiche del prodotto. Ho gli strumenti che mi permettono sia di gestire l’analisi termica e fluidodinamica in maniera indipendente da quella strutturale, ma ho anche dei workflow che mi permettono di eseguire simulazioni di tipo accoppiato. Quindi il trasferimento di dati dall’analisi termica all’analisi strutturale viene gestito automaticamente da Simcenter 3D.
 
Il terzo vantaggio del prodotto è la sua apertura e scalabilità, in questo caso Simcenter è un ambiente monolitico che mi permette di entrare e di gestire tutte queste discipline, se però per questioni di compatibilità con il cliente e con il progetto devo gestire altri strumenti non è un problema in quanto Simcenter può importare la geometria da qualsiasi CAD, Solidedge, Catia, Proengineer, Solidworks, ma mi permette anche di pilotare solutori commerciali come Nastran, Ansys e Abaqus.

Il modello FEM per l’analisi termica e per quella strutturale è lo stesso?
Le caratteristiche del modello FEM per un’analisi strutturale e le caratteristiche per un’analisi CFD sono diverse, quindi le mesh sono diverse, il modello sulla stessa geometria viene fatto con criteri differenti, questo però non è un problema, nel senso che è una necessità che ci porta ad avere i risultati migliori con la qualità migliore per ciascuna delle discipline prese separatamente, ma siccome Simcenter è una cabina di regia che gestisce entrambe le analisi nello stesso ambiente ha degli automatismi, dei workflow preconfezionati e trasparenti per l’utente finale che permettono di mappare con una interpolazione spaziale i risultati ottenuti su una griglia id calcolo, ad esempio la mappa di temperatura su una griglia CFD o termoCFD in una griglia diversa che è quella per l’analisi meccanica. Quindi di fatto il procedimento di sincronizzazione dei due risultati è molto semplice.
 
Per fare tutte queste analisi servono licenze aggiuntive del software?
Questa è un’ottima domanda perché mi permette di introdurre un concetto che è tipico di Simcenter 3D. È un software che può essere fornito sia a livello modulare, quindi posso prendere soltanto le discipline e le fisiche che mi servono per effettuare la simulazione e questo tipicamente è economicamente vantaggioso quando devo gestire poche fisiche nel mio prodotto. Quando invece devo gestire in generale uno scenario multifisico abbastanza variegato, possono entrare in gioco le licenze a gettoni, i token, vale a dire l’utente installa tutta la suite di Simcenter 3D, quindi ha accesso a tutte le discipline e di volta in volta può utilizzare la disciplina che serve, in base al pacchetto di gettoni che ha a disposizione.
 
Se si ha un modello di dettaglio elettrico del layout della PCB come faccio a semplificarlo? Le PCB sono normalmente dei multistrato come le modella Simcenter?
Il modo più semplice, più automatizzato, per fare questa operazione è utilizzare il modulo di Elctronic System Cooling che sostanzialmente importando il CAD elettrico, dettagliatissimo quanto si vuole per la PCB trasforma l’analisi, il modello originale in un modello semplificato a piacere nella simulazione termica, quindi posso scegliere io il grado di accorpamento delle entità ad esempio se mantenere i singoli strati di conduttore, ad esempio piste di rame, distinte dalla resina in composito in cui sono immerse, oppure costruire dei solidi con proprietà equivalente. Quindi questo è l’approccio più automatizzato se si parte da un CAD elettrico. Diversamente invece l’approccio più semplificato, più manuale è quello di andare a rappresentare sulla PCB i componenti discreti che sono più rilevanti da un punto di vista delle potenze dissipate e/o delle temperature diciamo critiche e la PCB rappresentarla come un solido con proprietà equivalenti di tipo magari ortotropo quindi creando delle conducibilità termiche differenziate nella direzione del piano della PCB e nella direzione ortogonale al piano, calcolate separatamente con un foglio di Excel se non si ha voglia di utilizzare il sistema automatizzato Electronic System Cooling.
 
Per simulare il raffreddamento per convezione si deve per forza simulare anche il volume del fluido?
Diciamo che se ho quella scatola elettronica che avevamo visto all’inizio, ha aria sia all’interno che all’esterno. Per quanto riguarda l’aria interna della scatola in quel caso particolare era strettamente necessario simulare un fluido perché c’era un raffreddamento con delle ventole e quindi lo scambio termico all’interno della scatola era dettato da dei fenomeni di tipo fluidodinamico che è necessario simulare per trasformare in coefficiente di scambio. Per quanto riguarda invece la parte esterna alla scatola, quindi il volume di fluido ambientale abbiamo due possibilità, una è per l’appunto quella di simulare il fluido esterno e quindi avere una simulazione fluidodinamica sia per quanto riguarda gli scambi per convezione forzata interni che quelli per convezione libera esterni, oppure si possono utilizzare delle leggi di parete, quindi Simcenter permette di definire su delle pareti in contatto con aria o con fluidi fermi a temperatura all’infinito nota, delle leggi di scambio termico basate su delle equazioni di letteratura e questo semplifica diciamo il modello di calcolo e tipicamente può essere utilizzato specialmente nelle fasi iniziali di messa a punto del modello di dimensionamento preliminare perché appunto riduce lo sforzo computazionale. Dal punto di vista poi di un’analisi predittiva conviene poi passare alla modellazione esplicita del fluido esterno.
 
Qual è lo strumento Siemens utilizzato per l’analisi di durability?
All’interno di Simcenter 3D ci sono varie anime per quanto riguarda la parte di durability. Sicuramente quello più importante quello che diciamo il modulo advanced durability è basato sulla tecnologia di LMS, quello che un tempo si chiamava LMS Phalanx che adesso col tempo integrato all’interno della piattaforma Siemens.
 
È possibile simulare un ciclo temporale di temperature? Vedere la dilatazione termica del materiale in rapporto ad un incremento graduale della temperatura?
Si questo è possibile ed è possibile sia legando una simulazione termica transitoria a una simulazione meccanica transitoria, quindi dalla simulazione termica transitoria derivo delle storie di temperatura che uso come carichi variabili nel tempo per un modello strutturale da cui poi derivo una simulazione termoelastica transitoria, sia anche in modo accoppiato.
 
È possibile simulare il drop test di un componente in plastica con una cover in gomma, quindi due materiali diversi?
Si è possibile e per quanto riguarda la caratterizzazione delle gomme Simcenter 3D offre dei modelli molto sofisticati di leggi che deviano dalla legge di Hook, quindi modelli specifici per gli elastomeri.