Comsol Multiphysics è sinonimo di simulazione. Sviluppato alla fine degli anni Novanta dall’omonima azienda svedese, il software è usato in tutti i settori dell’ingegneria, della produzione e della ricerca scientifica per la modellazione di sistemi multifisici. Serve a comprendere, prevedere, innovare e ottimizzare progetti e processi di sviluppo dei prodotti. Fatturato globale oltre i 100 milioni di dollari, in Italia Comsol vanta più di mille licenze per un totale di oltre 20 mila utenti. Tra i clienti del mondo industriale: Centro Ricerche Fiat, Enel, Prysmian, Volkswagen , Bosch, Stmicroelectronics, Nestlè. «L’ambiente di sviluppo permette la creazione di modelli matematici multifisici in grado di replicare le condizioni di funzionamento del prodotto nell’ambiente reale, afferma Daniele Panfiglio, managing director di Comsol Italia. Ingegneri e progettisti possono simulare dispositivi e processi per comprendere in anticipo limiti e potenzialità, prevedendo e ottimizzando le prestazioni».
Meccanica strutturale, elettromagnetismo, fluidodinamica, vibrazioni, acustica, scambio termico. Con Comsol si realizza una simulazione integrata di tutte le variabili fisiche. A partire dalla forma tridimensionale si realizzano modelli matematici che costituiscono la base per la creazione di digital twin, la rappresentazione virtuale del prodotto abilitante lo sviluppo di applicazioni Industrial Iot. «A differenza di altre soluzioni disponibili sul mercato il nostro è un prodotto nativamente multifisico. Tutto l’impianto matematico si basa su un’unica piattaforma che risolve le equazioni di un qualsiasi dominio fisico, dice Panfiglio. Permette di trasferire le informazioni da una fisica all’altra in modo naturale all’interno di una matrice di risoluzioni matematiche. In questo modo si riesce a compiere una simulazione che replica con il più alto grado di approssimazione tutte le variabili che influenzano il funzionamento ottimale del prodotto, riducendo tempo di sviluppo e numero di prototipi».
L’obiettivo di Comsol è rendere la tecnologia di simulazione uno strumento primario per ingegneri e ricercatori nello sviluppo di prodotti high-tech. In questa fase di transizione energetica la simulazione Comsol è sempre più utilizzata per progettare in logica green prodotti di nuova generazione a basso impatto ambientale. Il Centro Ricerche Fiat lo ha utilizzato nella progettazione delle batterie che vengono installate a bordo di veicoli elettrici e ibridi, riducendo del 70% i tempi di sviluppo. Prysmian ne ha sfruttato le potenzialità per realizzare nuovi prototipi di cavi di potenza sottomarini e terrestri, risolvendo molti dei problemi termici, elettromagnetici e strutturali. Whirlpool per aumentare l’efficienza energetica degli elettrodomestici, riducendone il consumo.
Calcolo parallelo su workstation, in cluster o in cloud. Comsol come ambiente di sviluppo integrato per la simulazione multifisica
Con Comsol Multiphysics si possono creare sistemi per modellare i circuiti che includono sorgenti di tensione e corrente, resistenze, condensatori, induttori e dispositivi a semiconduttore. La stragrande maggioranza delle attività può essere fatta su computer che vengono utilizzati in ambito Cad, tipicamente workstation dedicate con a bordo una decina di giga di ram e processori multipli. La logica di funzionamento è basata sul calcolo parallelo.
Si possono anche utilizzare risorse di calcolo in cluster, che vuol dire utilizzare sistemi di high performance computing, o piattaforme che risiedono in cloud, su Azure, per esempio. Con Comsol è possibile fare simulazioni elettrotermiche associando variabili termiche a variabili magnetiche, gestire le proprietà elettromagnetiche dei materiali affinché non si evidenzino temperature critiche. Le informazioni di meccanica strutturale, di fluidodinamica e termica vengono risolte insieme. Comsol, quindi, come ambiente integrato con un’interfaccia omogenea per qualunque dominio fisico. «L’unica cosa che cambia, spiega Panfiglio, è il linguaggio che viene utilizzato poiché le equazioni che risolvono le diverse fisiche sono tutte diverse le une dalle altre».
Collaborative engineering per una progettazione condivisa e una simulazione che viene estesa al digital twin
A differenza di altri prodotti Comsol è un ambiente di simulazione nativamente multifisico. «Molte altre soluzioni disponibili sul mercato hanno ancora difficoltà nel trasferimento delle informazioni, racconta Panfiglio. Ci sono tool che magari sono più performanti dal punto di vista della singola fisica, ma la cosa più importante è riuscire a condividere simultaneamente tutte le fisiche. Nella progettazione di un alettone di un veicolo si fa per esempio una simulazione fluido-strutturale, dove associare test fluidodinamici e meccanici. E’ il collaborative engineering, tutte le persone coinvolte nella progettazione con competenze distinte, condividono uno stesso progetto lavorando su uno stesso programma che mette a fattor comune tutti i profili ingegneristici».
La simulazione funge poi da incubatore al digital twin di prodotto. «Negli ultimi anni abbiamo dato la possibilità ai nostri utenti di creare una simulazione che possa essere utilizzata in altre fasi, dice Panfiglio. Non solo in progettazione. L’analista Comsol può per esempio creare un’app di simulazione da utilizzare in ambito consulenziale per i propri clienti. Si crea una sorta di interfaccia semplificata del programma che permette di cambiare le condizioni al contorno con una logica che appartiene al paradigma del digital twin».
Comsol come soluzione per lo sviluppo di nuove soluzioni nell’ambito delle rinnovabili
Nel fotovoltaico si va dalla progettazione del semiconduttore, quindi della cella, fino alla progettazione del pacchetto completo, del pannello e dell’intera struttura. Con la simulazione si riescono a comprendere gli effetti secondari, collaterali, che possono determinarsi in funzione di carichi di vento, oppure stabilire quali le condizioni che si possono evidenziare in termini di riscaldamento del terreno. Capire quindi le criticità in una logica di sostenibilità ambientale.
O ancora, come dice Panfiglio, «valutare gli effetti che possono evidenziarsi con la creazione di un parco eolico. Quale l’impatto sul territorio? Lo stesso nell’idroelettrico o nel geotermico. E’ possibile progettare una diga mettendo a fattor comune tutti i parametri antisismici o capire gli effetti del riscaldamento del terreno generati dalla trasmissione termica. Nell’ambito del futuribile, Comsol viene poi utilizzato per la progettazione delle singole celle a combustibile dei sistemi alimentati ad idrogeno. La simulazione fluidodinamica, afferma Panfiglio, serve per capire le condizioni ottimali di raffreddamento». Tecnica che è ormai estesa a tutte le novità che emergono dalla transizione energetica, in particolare a quella dell’automotive e, quindi, alla progettazione delle batterie per l’e-mobility.
Virtualizzare il reale attraverso equazioni matematiche. E crearne di nuove per risolvere fenomeni ancora sconosciuti
La simulazione ingegneristica consente di testare virtualmente le prestazioni di un progetto in un’ampia gamma di scenari, alcuni dei quali potrebbero essere difficili da replicare sperimentalmente. Comsol consente a un ingegnere progettista di comprendere esattamente come e perché un progetto funziona in un determinato scenario. L’analisi funziona meglio se utilizzata durante tutto il processo di sviluppo del prodotto, specialmente nelle fasi iniziali, quando può avere il maggiore impatto. Utilizzando la simulazione, le aziende immettono sul mercato i prodotti con largo anticipo e con costi di sviluppo inferiori rispetto all’approccio tradizionale. «Si riescono a soddisfare le condizioni di funzionamento reale attraverso delle equazioni matematiche, afferma Panfiglio. Nel caso non siano già implementate, lo stesso utente può crearne di nuove. E’ quello che è successo in un’università cinese, dove esisteva la necessità di simulare una fisica di micro-magnetismo ancora poco studiata». Insomma, se si è alle prese con un fenomeno che non è ancora universalmente riconosciuto si possono scrivere nuove equazioni oppure procedere alla modifica di un set di equazioni già preimpostato, una procedura molto utile in ambito di ricerca.
Il percorso di simulazione. Dall’acquisizione della geometria 3D alla scelta dei materiali
«Quali che siano le potenzialità del software di simulazione non dimentichiamo che è sempre l’analista che ne determina il successo», sottolinea Panfiglio. Si parte quindi dalla raccolta di tutte le informazioni utili alla simulazione. Una volta acquisita la forma geometrica tridimensionale, si decide il materiale da utilizzare e le condizioni al contorno che devono essere prese in considerazione, ovvero le variabili ambientali da applicare, per poi procedere alla mesh ovvero alla discretizzazione del dominio geometrico atto alla sua risoluzione in un modello matematico. La geometria presenta dei dettagli che non sono necessari alla simulazione?
Come spiega Panfiglio, «Si potrà procedere a opportune semplificazioni direttamente nel software per avere l’oggetto coerente con gli obiettivi della simulazione. In rari casi, l’interazione con il progettista Cad potrebbe risultare necessaria per modifiche massive». In questo processo vengono quindi messe in gioco tutte le interfacce fisiche, di scambio termico, di meccanica strutturale, di campo elettromagnetico, di fluidodinamica. Per ciascuna si determinano delle condizioni che vengono poi esemplificate da un’equazione matematica. Da qui si capisce se il progetto è ok, quali aspetti di progettazione devono essere rivisti, modificando in modo parametrico le diverse condizioni fisiche. Una simulazione che può essere associata anche alla stampa 3D con l’obiettivo di ottimizzare il processo additivo.
Centro Ricerche Fiat, progettazione batterie a ioni di litio per veicoli ibridi ed elettrici
Al centro ricerche Fiat di Orbassano il software Comsol Multiphisics è stato utilizzato nella progettazione di batterie a ioni di litio per veicoli elettrici e ibridi. Obiettivo della simulazione era ricercare la miglior soluzione possibile in termini di fattore forma, individuando la distribuzione superficiale dell’aria per garantire un raffreddamento ottimale di pacchi batterie che generano 350V.
Il modello creato utilizzando Comsol Multiphysics ha permesso di ridurre i tempi di progettazione del 70%, passando da 1.000 e 300 ore, ed è stato possibile individuare una soluzione di raffreddamento a ventola meno potente e, quindi, meno costosa. Con la conoscenza acquisitadal modello, si sono ridotti e semplificati i canali fisici tra le celle: batterie più piccole possono essere contenute in un telaio di dimensioni più contenute, consentendone l’utilizzo in una più ampia varietà di veicoli. Un progetto successivo riguardava la simulazione del funzionamento delle batterie in condizioni estreme, con temperature sottozero. In queste situazioni, può essere difficile caricare questi tipi di batterie, ma grazie a tecnologie innovative come l’effetto Joule e alla simulazione si pensa di essere in grado di risolvere questo problema. (qui la documentazione completa)
Prysmian, simulazione per valutare le prestazioni termiche dei cavi terrestri e sottomarini
La progettazione e il collaudo di cavi ad alta tensione per applicazioni terrestri e sottomarine è fondamentale per il business di Prysmian. In questo caso Comsol è stato utilizzato nella progettazione dei sistemi di trasmissione di potenza con l’obiettivo di ottimizzare i cavi in modo che potessero fornire in modo affidabile la corrente richiesta senza superare la soglia della temperatura operativa massima consentita. L’integrazione della simulazione multifisica ha consentito agli ingegneri di progettare e testare cavi prima di costruire prototipi, prendendo in considerazione anche ambienti termici sfavorevoli che potessero essere difficili da controllare negli esperimenti reali. I modelli multifisici hanno consentito di valutare le prestazioni termiche delle geometrie dei cavi, incorporando fattori come le variazioni giornaliere dell’irraggiamento solare e le possibili variazioni del carico di corrente. In sintesi, Comsol ha permesso di analizzare e risolvere molti dei problemi termici, elettromagnetici e strutturali. Test fisici di prototipi reali vengono ancora eseguiti, ma con la simulazione si raggiunge più velocemente il modello di progettazione definitivo, riducendo tempi e costi. (Qui la documentazione completa)
Whirlpool, simulazione per ridurre il consumo energetico dei forni domestici. Il progetto Greenkitchen
Solo il 10-12 percento dell’energia totale spesa da un forno viene effettivamente utilizzata per riscaldare il cibo. Il progetto Whirlpool, sviluppato nell’ambito dell’iniziativa europea Greenkitchen, ha usato la simulazione per migliorare l’efficienza energetica dei forni domestici. La ricerca era volta alla creazione di soluzioni innovative in termini di materiali, produzione e design dell’elemento termico. Utilizzando Comsol Multiphysics e l’Heat Transfer Module, si è creato un modello di forno per studiare i processi di trasferimento del calore di convezione, conduzione e radiazione. Il modello risultante, che simulava il test standard per il consumo di energia nell’Unione Europea (noto come “brick test”), analizzava l’energia, il profilo di temperatura e la concentrazione di umidità su diversi cicli di riscaldamento. Obiettivo era ridurre il consumo di energia del 20%. (Qui la documentazione completa).
[Ripubblicazione dell’articolo del 20 gennaio 2023]
