Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - Carlingswitch


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La Carlingswitch è stata tra i precursori di una nuova metodologia di prova, nota con il nome di "prototipazione virtuale," applicata ad un prodotto di larga serie come gli interruttori elettrici.
Il Working Model bidimensionale consente infatti di provare un meccanismo, semplice o complicato, su di un comune personal computer (e non necessariamente su di una grossa workstation) e di verificare con un alto grado di affidabilità il suo funzionamento e le prestazioni realmente ottenibili, ovvero se effettivamente realizzerà quello per cui è stato ideato.
La Carlingswitch ha iniziato ad usare il Working Model su piattaforme Macintosh ma questo non preclude affatto l'utilizzo anche delle piattaforme Windows: è il caso, ad esempio, della Bassani BTicino che in Italia utilizza il Working Model per Windows per lo sviluppo di nuovi interruttori.
Parimenti, la nuova versione tridimensionale del Working Model consente la completa realizzazione nello spazio del prototipo virtuale sia in modalitą autonoma che integrata in CAD come Solid Edge, SolidWorks, Mechanical Desktop e Pro/ENGINEER.

Velocità e potenza

Gli interruttori della Carlingswitch vengono normalmente analizzati per due tipi di risposte: velocità e potenza. In parole povere, nel primo caso si misura la velocità di apertura dei contatti, cioè il tempo necessario ad interrompere un flusso pericoloso di corrente. Questo intervallo di tempo deve essere misurato sia attraverso sofisticati strumenti elettrici sia con riprese fotografiche ad alta velocità.

Nel secondo caso si misura la corrente elettrica che un interruttore riesce a gestire senza fulminarsi. In caso contrario, si assisterebbe ad uno scintillio e alla rottura o fusione dei contatti. Solo attraverso queste prove si riesce praticamente a giudicare il comportamento elettrico di un interruttore.

I problemi insiti in queste metodologie di prova consistono nel fatto che l'arco può accecare la ripresa fotografica rendendo difficile vedere l'effettiva posizione dei contatti; inoltre i componenti dei vari prototipi di interruttori sono praticamente distrutti dalle prove stesse, rendendo impossibile capire quale molla o contatto abbia ceduto e in quale istante.

A rendere ulteriormente complicata l'analisi sono inoltre le ridotte dimensioni di questi interruttori: i più piccoli misurano approssimativamente 38x38x13mm; i più grandi circa 76x130x25mm. Monitorare con gli apparecchi di misura e riprendere fotograficamente i movimenti dei contatti in questi piccoli prototipi non è certo cosa facile.

Stanti questi problemi, Sergei Fedorjaczenko, ingegnere responsabile della progettazione, decise di provare se il Working Model era in grado, tramite la prototipazione virtuale, di far risparmiare risorse economiche alla Carlingswitch e migliorare il tempo necessario alla messa in produzione di un nuovo modello di interruttore.

"Ho iniziato simulando alcuni modelli di interruttori di attuale produzione, di cui conosciamo bene le prestazioni, mettendo alla prova il Working Model," ha affermato l'ing. Fedorjaczenko. "Il confronto tra i risultati noti delle prove condotte negli anni precedenti e quelli proposti dal Working Model mi ha rassicurato sulla bontà di simulazione ottenibile. Ho sviluppato in questo modo quella confidenza indispensabile per rifinire ed ottimizzare la simulazione per poter rappresentare con la massima precisione la tipologia di problemi che volevamo indagare. A questo punto sono passato ad esaminare nuove soluzioni progettuali, iniziando a cambiare le geometrie e proprietà fisiche quali masse e coefficienti di attrito, provando diverse tarature di molle e chiedendo al Working Model come cambiavano le prestazioni."

"Un'interfaccia utente eccellente"

Lo sviluppo di una simulazione nel Working Model è un processo di una facilità disarmante. Fedorjaczenko ha importato il disegno dei vari componenti di un nuovo interruttore dal proprio CAD Ashlar Vellum tramite il formato universale DXF. Ha poi riassemblato i vari componenti dell'interruttore nella loro corretta posizione. Il menù del Working Model ha a questo punto proposto a Fedorjaczenko l'inserimento di perni, fermi e molle nei punti necessari.

"Avevo usato altri simulatori in passato," ha spiegato Fedorjaczenko, "ma non avevo mai visto un'interfaccia utente di tipo grafico così semplice ed intelligente. È altrettanto facile sia importare un disegno DXF od un modello solido SAT esterno sia ricostruire velocemente le geometrie all'interno del Working Model. E non ci sono file esterni di pre-processing da preparare ne' simulazioni da lanciare alla cieca, tutto è sempre istantaneamente sotto il controllo dell'operatore."

"Generalmente tendo a semplificare le geometrie, al fine di non modellare cose che risultano inutili per i fini della simulazione. Non debbo cioè mostrare dettagli particolareggiati che non hanno peso sul funzionamento, essendo sufficiente che le parti abbiano il profilo corretto e soprattutto le reali proprietà di massa, inerzia e attrito.

"Il lavoro svolto dal Working Model consiste nel dividere la simulazione in una serie finita di piccoli passi, eseguendo una serie di calcoli a ciascun passo o intervallo di tempo. Questo giustifica la scelta di non inserire dettagli inutili; si caricherebbe il programma di calcoli privi di senso per l'oggetto della simulazione."

Una volta che si è costruito il modello, è facile aggiornare o cambiare variabili quali la massa di un contatto o la forza applicata da una molla o da un attuatore. Il Working Model assegnerà automaticamente i valori di massa e attrito a tutti gli oggetti se non altrimenti specificato dall'utente. La modifica di questi valori è comunque sempre a portata di mouse. Per esempio, Fedorjaczenko ha inserito nell'apposito campo previsto nella finestra del Working Model una equazione da lui stesso sviluppata per simulare la forza di attrazione o repulsione magnetica esercitata da un solenoide sull'armatura di un interruttore magnetotermico.

"Ho interpretato i dati sperimentali di un test da noi condotto in precedenza, dal momento che conoscevo la velocità con cui quel tipo di armatura rispondeva al tiro del solenoide. Ne ho ricavato per interpolazione una equazione via via più accurata. Con questa equazione sono poi stato in grado di eseguire varie simulazioni e determinare la risposta dell'interruttore al variare del flusso di corrente."

Il potente motore di simulazione del Working Model ha consentito a Fedorjaczenko di riscontrare che i suoi sospetti sulla risposta di quel particolare tipo di interruttore erano corretti. "Purtoppo stavamo ottenendo delle chiusure di contatto troppo violente. Qualcosa che sospettavamo ma di cui non avevamo mai potuto ottenere risposta certa per via strumentale o fotografica."

Controllando i dati

Fedorjaczenko ama spesso paragonare l'esame di un interruttore distrutto da un ciclo di prove ad una autopsia. "In caso di un cedimento di un interruttore, cerchiamo sempre di vedere cosa si sia rotto per primo e soprattutto per quale motivo. Questi cedimenti si verificano spesso con una interruzione di corrente, ovvero con un evento dalla durata non maggiore di 10 o 20 millisecondi. Ne consegue che le conclusioni di questa autopsia sono piuttosto speculative e non molto precise. Si ha un'idea di cosa possa essere successo, ma non se ne è proprio sicuri."




Cliccare qui per scaricare il filmato Windows AVI
da cui è tratto il fotogramma riprodotto sopra
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di un interruttore elettrico
Leggere prima le istruzioni.
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Fedorjaczenko ha fatto continuo ricorso alla interfaccia grafica del Working Model per rendersi conto istante per istante di come i vari elementi dell'interruttore si comportavano. Le tavole dati e le finestre di misura istantanee della simulazione nel Working Model gli consentivano infatti un continuo controllo della dinamica del meccanismo come pure il collegamento ad altri programmi esterni, ad esempio ad un foglio Microsoft Excel.

"Gran parte dell'analisi di un nuovo prototipo viene da noi condotta a tavolino dopo la simulazione, quando ci si siede insieme ad esaminare una curva di velocità o qualche altro dato e si decide dove si debba intervenire. Il Working Model ci è stato di valido aiuto anche in questo, in quanto generava lui stesso tutti i grafici che ci servivano nelle discussioni," ha riferito Fedorjaczenko.

"Per cambiare un particolare od una caratteristica e rilanciare una nuova simulazione impiegavamo solo dai cinque ai dieci minuti, pertanto siamo stati in grado di esaminare una grande varietą di ipotesi 'cosa succede se...'. Io stesso ho preso in considerazione dozzine di ipotesi diverse nell'arco di poche ore."

Ora che ha provato a lungo il Working Model, Fedorjaczenko crede fermamente in questo prodotto e nelle possibilità di accorciare significativamente il periodo di prova di un nuovo articolo. Grazie alla drastica riduzione del numero di prove distruttive necessarie per lo sviluppo di un nuovo interruttore, la Carlingswitch risparmierà ore preziose di test e creazione di prototipi fisici, con un ritorno economico considerevole nell'arco delle attivitą di ogni mese. L'analisi del moto consentita dal Working Model è molto accurata, e Fedorjaczenko sarà in grado di sfruttare al meglio questi risultati anche per i prodotti futuri.

"Ritengo che il Working Model sia uno strumento molto potente. In appena tre mesi ho verificato personalmente e per la mia azienda che noi tutti dovremmo servirci regolarmente di questo strumento come prassi per la progettazione di ogni nuovo articolo."

 



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