Cos’è il software CAE?


CAE è un’altra categoria di strumenti assistiti da computer che ha rivoluzionato il modo in cui creiamo i progetti. Continua a leggere per saperne di più sul software CAE.


Analisi ingegneristica
La simulazione al computer prevede se le parti dovrebbero funzionare come previsto senza la prototipazione

CAE sta per ingegneria assistita da computer, una sottocategoria di strumenti assistita da computer, che include CAD per la progettazione e CAM per la produzione.

Secondo Siemens , uno dei principali attori del software di ingegneria a livello mondiale, CAE fa riferimento all ‘”utilizzo di software per computer per simulare le prestazioni al fine di migliorare i progetti di prodotto o assistere nella risoluzione di problemi di ingegneria”, compresa la convalida e l’ottimizzazione del prodotto.

In breve, il software CAE simula le prestazioni di parti e prodotti nelle circostanze per le quali sono stati progettati. A sua volta, questo aiuta i progettisti e gli ingegneri a prevedere le prestazioni e quindi consente loro di fare scelte progettuali informate durante tutto il processo di sviluppo.

Tutto sommato, CAE può essere inteso come un processo di prototipazione digitale . Sebbene molti colleghino la simulazione all’analisi strutturale, CAE va ben oltre la simulazione dell’analisi delle sollecitazioni. Si estende su una vasta gamma di aspetti ingegneristici, come processi termici, acustici, fluidi e persino di produzione come lo stampaggio.

In questo articolo, esamineremo gli aspetti più critici di CAE ed esploreremo alcune delle sue applicazioni nella vita reale, iniziando con alcune contestualizzazioni e come si relazionano ad altri strumenti assistiti da computer.


L’era assistita dal computer
Gli strumenti assistiti dal computer sono qui per restare

Lo sviluppo assistito da computer è diventato da tempo la pratica standard in molti settori industriali. Progettare una nuova auto o un velivolo senza tali strumenti è davvero impossibile visti i requisiti di prestazioni elevate di oggi e il mercato frenetico.

La rivoluzione è iniziata con l’arrivo degli strumenti CAD (Computer Aided Design) negli anni ’80. Le aziende possono ora creare e sviluppare qualsiasi cosa, dalle case ai piccoli prodotti direttamente sullo schermo del computer, riducendo drasticamente costi e tempi. CAE alla fine ha fornito i mezzi per migliorare tali prodotti mentre CAM ha iniziato a supportare la produzione vera e propria.

Oggi, la maggior parte degli strumenti assistiti da computer sono integrati in soluzioni software all-in-one prontamente disponibili sul mercato. Forse per questo motivo, poche persone sanno che gli strumenti CAE sono stati effettivamente sviluppati prima che il CAD fosse ampiamente disponibile.


Un po ‘di storia
La maggior parte degli strumenti CAE utilizza un approccio matematico numerico chiamato FEM

L’analisi CAE si basa principalmente su una tecnica numerica di risoluzione dei problemi nota come metodo degli elementi finiti (FEM). Sebbene sia quasi impossibile datare la sua invenzione, l’uso iniziale è riportato negli anni ’40 con calcoli balistici per scopi bellici.

Andando avanti fino agli anni ’60, l’analisi agli elementi finiti (FEA) si stava diffondendo rapidamente, ma a quei tempi gli ingegneri eseguivano a mano tutti i suoi calcoli complessi. Era solo questione di tempo prima che questo processo diventasse automatizzato, cosa che accadde nel 1970 con John Swanson che fondò quella che sarebbe diventata Ansys, una gigantesca azienda di software CAE.

L’aumento delle prestazioni di calcolo ha consentito agli strumenti CAE di espandersi ulteriormente in termini di capacità e scopo. La ciliegina sulla torta è stata sicuramente l’integrazione con gli strumenti CAD 3D, che hanno semplificato e migliorato i processi di progettazione e simulazione.

Oggi, gli strumenti CAE sono relativamente accessibili e, sebbene sia ancora necessaria una formazione ingegneristica per impostare l’analisi, l’intero processo è incomparabilmente più fluido rispetto ai laboriosi calcoli manuali eseguiti in passato.


Vantaggi svantaggi
L’uso di CAE fornisce dati preziosi per gli ingegneri nelle prime fasi di sviluppo

Ci sono molti vantaggi nell’usare CAE in un contesto di sviluppo prodotto:

Riduzione dei costi e dei tempi di sviluppo: gli strumenti CAE consentono agli ingegneri di eliminare qualsiasi potenziale problema in una fase iniziale dello sviluppo, quando le modifiche al progetto sono meno costose. Inoltre, a valle del processo di sviluppo sono necessari meno prototipi fisici, riducendo ulteriormente i costi e i tempi.
Aiuta a creare prodotti migliori: le simulazioni al computer forniscono dati sufficienti per un’adeguata ottimizzazione e perfezionamento del prodotto, consentendo agli ingegneri di migliorare le prestazioni e la qualità del prodotto senza necessariamente aumentare il prezzo finale di scaffale.
Effettuare scelte di progettazione in base alle prestazioni: gli effetti anche delle più piccole modifiche al progetto possono essere valutati tramite CAE, consentendo di eseguire modifiche più convenienti insieme alle informazioni fornite da altri strumenti CAD e CAM.
Alcune carenze
Sebbene incredibilmente utile nello sviluppo del prodotto, CAE non è per tutti. Per prima cosa, il software CAE professionale è molto costoso, di solito richiede potenti workstation per essere in grado di funzionare correttamente.

Inoltre, per ottenere i risultati più accurati è necessaria una forza lavoro specializzata con una profonda conoscenza ingegneristica. La maggior parte dei pacchetti software ha anche una curva di apprendimento molto ripida, aggiungendo tempo di formazione aggiuntivo ai costi complessivi di implementazione.


Applicazioni principali
CFD fatto per un progetto di grattacielo da AS + GG

Sebbene l’implementazione di CAE richieda una quantità significativa di investimenti, per diversi settori non ci vuole molto per valere i costi iniziali.

Ingegnere meccanico
Data la maggiore complessità degli odierni assemblaggi meccanici per automobili, beni industriali, macchinari e altri, CAE è molto utile per analizzare interazioni complesse. Questo non è affatto limitato all’analisi della sollecitazione, come vedremo nell’esempio seguente.

ESEMPIO DEL MONDO REALE
Le prestazioni di raffreddamento interno del motore di un veicolo sono fondamentali sia per la funzionalità che per la durata. Mentre l’efficacia del raffreddamento dell’olio viene solitamente valutata mediante prototipazione fisica che coinvolge una vasta gamma di sensori, la divisione Drivetrain di Toyota ha utilizzato simulazioni CAE per stimare queste prestazioni in una fase molto precedente. I modelli di flusso dell’olio e il trasferimento di calore comportano interazioni tridimensionali incredibilmente complesse, ma il team è stato in grado di modellare adeguatamente il problema e alla fine è stato in grado di ridurre il peso dei componenti migliorando allo stesso tempo la capacità di raffreddamento .

Architettura e ingegneria civile
Anche l’attività di costruzione ha beneficiato ampiamente dell’analisi di simulazione predittiva. A causa della natura su larga scala dei suoi progetti, la prototipazione fisica deve essere eccessivamente semplificata poiché la creazione di modelli a dimensioni reali non è pratica.

ESEMPIO DEL MONDO REALE
Lo studio di architettura AS + GG ha applicato un software di fluidodinamica computazionale per testare e convalidare i primi progetti di un grattacielo in relazione alle influenze ambientali. Per tali edifici, gli effetti dei venti sono estremamente importanti in quanto sono fortemente correlati alla forma e all’orientamento dell’edificio. Con i dati forniti dal software CAE, gli architetti hanno elaborato un progetto che ha ridotto le forze del vento del 35% rispetto ai propri progetti iniziali.

Aerospaziale
Le parti degli aeromobili devono essere il più affidabili e leggere possibile e tali attributi sono un classico compromesso ingegneristico. L’analisi CAE aiuta gli ingegneri a massimizzare le riduzioni di massa dei componenti aerospaziali garantendo al contempo il loro corretto funzionamento durante il funzionamento.

ESEMPIO DEL MONDO REALE
Carbon Freight ha sviluppato un pannello per pallet flessibile per aeromobili cargo che è del 18% più leggero dei pallet tradizionali. La startup americana ha utilizzato l’analisi strutturale per testare e convalidare nuovi materiali, poiché il design dei suoi pallet è prodotto con materiali compositi anziché in alluminio. Secondo l’azienda , l’utilizzo di CAE ha dimezzato i tempi di sviluppo e ha risparmiato centinaia di migliaia di dollari in test fisici.


Leader del settore e opzioni software
Ansys è una delle primissime soluzioni CAE, con HyperWorks come prodotto principale

Sebbene non sia diffuso come il software CAD o CAM, ci sono molti pacchetti CAE sul mercato. Alcuni degli sviluppatori CAE più noti includono Ansys, Altair e SimScale, mentre alcune altre società di software come Autodesk e Dassault Systèmes vantano anche molti programmi di simulazione nei loro vasti portafogli.

Seguendo la recente tendenza delle applicazioni basate su cloud, gli sviluppatori CAE (compresi i suddetti) hanno seguito l’esempio. L’elaborazione basata su cloud è particolarmente utile per la simulazione poiché spesso è richiesto hardware speciale (e costoso) per eseguire più analisi in locale.

Se non vedi l’ora di iniziare, diamo una breve occhiata ad alcune delle tue opzioni:

Fusion 360: fino a un paio di mesi fa, Fusion 360 forniva l’accesso al proprio ambiente di simulazione sui suoi account personali gratuiti. Sebbene ora limitato alle licenze didattiche, di avvio e a pagamento , Fusion 360 rimane una piattaforma accessibile per CAE, inclusa l’ ottimizzazione della topologia e la progettazione generativa , che utilizzano essenzialmente l’analisi FEM nei processi principali.
HyperWorks: dal lato più professionale, HyperWorks di Altair è uno dei leader di mercato in CAE. Insieme al solutore Optistruct , questa suite software copre l’intero flusso di lavoro dalla creazione, esplorazione e ottimizzazione dei progetti.
Abaqus: Dassault Systèmes’ Abaqus è anche un bel pacchetto di popolare CAE in quanto le loro soluzioni CAD (come SolidWorks e CATIA ) sono così diffusi in applicazioni industriali. Offre una piattaforma unificata per diversi tipi di analisi FEM e si afferma che sia adatto sia a utenti nuovi che esperti.

di Lucas Carolo all3dp.com

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