Ottimizzazione Strutturale nel Processo di Progettazione Industriale

Attualmente la gran parte delle aziende meccaniche si dedica a sviluppare prodotti migliori, affidabili ed efficienti entro tempi di sviluppo ridotti. Focalizzandosi sulla progettazione di parti strutturali, l’innovazione è solitamente perseguita attraverso flussi di lavoro comprovati e guidati dall’esperienza del progettista coadiuvata da analisi agli elementi finiti. Questi flussi di lavoro solitamente richiedono alcune iterazioni che coinvolgono analisi agli elementi finiti e revisione del componente al fine di ottenere un certo livello di affidabilità; se l’obiettivo è ottenere una soluzione ottimale, il numero di tali iterazioni cresce. Si stanno diffondendo sempre di più nel mondo industriale tecniche complementari identificabili nei metodi di ottimizzazione strutturale. Il loro ruolo è di supportare i progettisti e gli analisti nel trovare e scegliere la struttura migliore per il componente studiato. Uno dei principali campi di ricerca aperti nell’ottimizzazione strutturale, sia in ambito industriale sia accademico, è l’introduzione di questi metodi nei flussi di progettazione tradizionali. In un preciso contesto industriale, il principale contributo di questa tesi è la definizione e lo sviluppo di metodi per applicare efficacemente tecniche di ottimizzazione strutturale nei flussi di progettazione. Tecniche di ottimizzazione topologica e di forma sono state studiate concentrandosi su analisi tensionali e a fatica poiché i flussi di lavoro originali si basano su esse. Nonostante la tesi sia strutturata in due parti distinte per ottimizzazione topologica e di forma, tali tecniche sono da considerarsi complementari. Dall’esistente interno all’azienda, si sono evidenziati i limiti e le potenzialità dei software disponibili attraverso casi studio e applicazioni industriali sia per ottimizzazione topologica sia di forma. Diverse tecniche per ricavare una geometria dal risultato dell’ottimizzazione topologica sono state sfruttate e valutate. I metodi disponibili nei software per considerare la tensione nell’ottimizzazione topologica sono stati valutati rispetto alla letteratura e applicati a casi industriali: i limiti del loro utilizzo sono dovuti all’insorgere di problemi di singolarità. Sono state eseguite diverse ottimizzazioni di forma governate da analisi a fatica enfatizzando gli aspetti positivi e negativi della parametrizzazione geometrica e del mesh morphing. I limiti attuali della parametrizzazione della geometria sono legati al dover mantenerne la coerenza mentre le tecniche di morphing richiedono solitamente dei flussi di lavoro dedicati. I maggiori contributi alla ricerca riguardano lo sviluppo di strumenti computazionali e di metodologie per superare alcune delle principali limitazioni incontrate nell’introdurre l’ottimizzazione strutturale nel flusso di progettazione. Nel campo dell’ottimizzazione topologica si è perseguita l’introduzione di curve di fatica personalizzate e alcuni approcci alternativi per adattare le potenzialità degli strumenti di calcolo alle necessità specifiche degli utilizzatori. Anche se alcuni risultati sono stati ottenuti, i margini sono limitati a fronte del processo di calcolo: solo implementando da zero un algoritmo di ottimizzazione topologica si potrebbe introdurre in esso un’analisi a fatica dedicata. Alcuni passi avanti più efficaci sono stati mossi nell’ambito dell’ottimizzazione di forma, tra gli altri: una nuova procedura che coinvolga software e analisi differenti, un metodo per considerare le proprietà locali del materiale durante l’ottimizzazione, un approccio misto morphing-geometrico. A margine dell’ottimizzazione strutturale, diversi strumenti e procedure sono stati definiti e implementati per semplificare alcuni aspetti del flusso di progettazione.