Migliorare il design del prodotto con il metodo XVoxel

Negli ultimi anni, progettare e ottimizzare i prodotti è diventato sempre più importante in vari settori come quello automobilistico, aerospaziale e della manifattura. Un metodo chiave usato nel design dei prodotti è conosciuto come Ottimizzazione Parametrica, che mira a migliorare il design in base a determinati criteri di prestazione. Tuttavia, collegare la fase di design con il test e l'analisi si è rivelato una sfida. Ed è qui che entra in gioco il concetto di integrazione tra software di design (CAD) e software di simulazione (CAE).

#La Sfida dell'Integrazione CAD e CAE

Il software di design viene solitamente usato per creare modelli dettagliati dei prodotti, mentre il software di simulazione serve per testare come questi modelli si comportano in condizioni reali. La sfida nasce dal fatto che questi due tipi di software spesso usano rappresentazioni diverse dello stesso oggetto. Questa discrepanza può portare a inefficienze, poiché il processo di solito comporta la conversione di un modello da CAD a CAE, che può richiedere tempo e essere soggetta a errori.

Di solito, questo processo di conversione include diversi passaggi come semplificare il modello, generare una mesh e definire vari parametri necessari per la simulazione. Ognuno di questi passaggi richiede spesso input manuali, rallentando l'intero processo. Gli studi hanno dimostrato che fino all'80% del tempo di design nei metodi tradizionali è occupato da interventi manuali.

#L'Approccio XVoxel

Per superare queste sfide, è stato sviluppato un nuovo metodo chiamato Extended Voxel (XVoxel). Questo metodo mira a combinare i punti di forza di CAD e CAE in un unico approccio unificato. L'idea centrale dietro XVoxel è quella di creare un modello che integri funzionalità (come le diverse parti di un design) con modelli voxel (che sono unità cubiche che compongono oggetti tridimensionali). Mescolando questi due concetti, XVoxel crea una nuova rappresentazione conosciuta come voxel semantici.

#Cosa Sono i Voxel Semantici?

I voxel semantici sono progettati per memorizzare informazioni importanti sia per il design che per la simulazione. In un modello voxel tradizionale, ogni voxel rappresenta semplicemente una parte della geometria dell'oggetto. Invece, un voxel semantico contiene informazioni aggiuntive significative relative all'intento di design e ai requisiti di simulazione. Ciò significa che i voxel semantici possono aiutare ad automatizzare il processo di aggiornamento delle simulazioni ogni volta che vengono apportate modifiche al design.

#Vantaggi di XVoxel

Il metodo XVoxel offre diversi vantaggi rispetto agli approcci tradizionali:

1. Riduzione dello Sforzo Manuale: Il metodo automatizza gran parte del lavoro manuale che è solitamente richiesto durante il processo di conversione del modello, rendendolo più veloce ed efficiente.

2. Aggiornamenti Diretti: Le modifiche apportate ai parametri di design aggiornano automaticamente i risultati della simulazione senza richiedere i noiosi passaggi di conversione.

3. Maggiore Accuratezza: Combinando funzionalità e modelli voxel, XVoxel può raggiungere elevati livelli di accuratezza nelle simulazioni mentre evita alcuni dei problemi di robustezza visti nei metodi di conversione tradizionali.

4. Generazione della Mesh Semplificata: XVoxel consente una generazione più semplice delle geometrie di analisi e delle mesh volumetriche. Questo può essere fatto virtualmente, riducendo il lavoro necessario per semplificare i modelli per la simulazione.

5. Modifiche Locali: Le modifiche al design possono essere effettuate localmente, il che significa che solo le parti rilevanti del modello devono essere aggiornate, risparmiando tempo e risorse computazionali.

#Il Framework XVoxel

Il framework XVoxel è composto da vari componenti chiave:

#1. Rappresentazione delle Funzionalità

Le funzionalità in un modello CAD sono elementi geometrici specifici che hanno un significato ingegneristico. Ad esempio, fori, scanalature o sporgenze su una parte possono essere considerati funzionalità. Il metodo XVoxel consente di collegare direttamente queste funzionalità alla rappresentazione voxel.

#2. Rappresentazione Voxel

Un voxel rappresenta un'unità tridimensionale di spazio, simile a un piccolo cubo. Usando i voxel, l'intero design può essere modellato in modo da concentrarsi sul volume dell'oggetto piuttosto che sulla sua superficie. Questo può migliorare l'accuratezza delle simulazioni, in particolare quando si analizza la distribuzione e la resistenza dei materiali.

#3. Struttura Dati

Il modello XVoxel utilizza un approccio strutturato che tiene traccia delle funzionalità e delle loro relazioni con i voxel. Ogni voxel contiene informazioni sulle funzionalità che contiene, inclusa la loro natura (se aggiungono o rimuovono materiale) e la loro occupazione (se sono completamente o parzialmente riempiti da una funzionalità).

#4. Operazioni sui Modelli XVoxel

Il metodo consente diverse operazioni, come aggiungere o eliminare funzionalità e modificare parametri. Ciò significa che un designer può modificare interattivamente il design e vedere come quelle modifiche influenzeranno i risultati della simulazione in tempo reale.

#Simulazione e Analisi

Una volta che un design è stato finalizzato utilizzando l'approccio XVoxel, può essere simulato per prevedere come si comporterà in varie condizioni. La simulazione utilizza un Metodo delle Celle Finite (FCM), che utilizza la rappresentazione basata su voxel per eseguire calcoli direttamente sul modello.

#Metodo delle Celle Finite (FCM)

FCM fornisce un modo per approssimare il comportamento fisico del modello. Evita la tradizionale generazione di mesh, che può essere un processo complesso e soggetto a errori. Invece, FCM lavora su una griglia strutturata incorporando la geometria reale del design attraverso la rappresentazione voxel.

#Studi di Caso e Applicazioni

L'efficacia del metodo XVoxel è stata dimostrata attraverso vari studi di caso, che mostrano miglioramenti sia in termini di efficienza che di accuratezza rispetto ai metodi tradizionali.

#Esempio 1: Modello a Forma di L

In un test iniziale, è stato utilizzato un modello a forma di L per valutare l'accuratezza della simulazione. I risultati hanno indicato che il margine di errore era minimale tra i metodi di simulazione tradizionali e quelli basati sull'approccio XVoxel.

#Esempio 2: Modello di Connettore

È stato testato un modello di connettore per valutare l'efficienza del metodo XVoxel nella gestione di geometrie complesse. Il metodo XVoxel ha richiesto significativamente meno tempo computazionale rispetto agli approcci tradizionali perché aggiornava solo le aree interessate del design.

#Esempio 3: Modello di Pompa

Un altro caso di studio ha coinvolto un modello di pompa che subiva drastiche modifiche topologiche e carichi variabili. Il metodo XVoxel ha dimostrato un alto livello di accuratezza nella simulazione di come queste modifiche influenzassero le prestazioni, mantenendo al contempo un processo computazionale molto efficiente.

#Conclusione

Il metodo basato su XVoxel per l'ottimizzazione del design parametrico offre un'alternativa promettente ai processi di design tradizionali nell'ingegneria. Integrando gli aspetti di design e simulazione in un framework coerente, riduce le inefficienze, diminuisce il lavoro manuale e migliora l'accuratezza dei modelli. Man mano che le industrie continuano a spingere per metodi di design e testing più veloci ed efficienti, approcci come XVoxel possono giocare un ruolo cruciale nel plasmare il futuro dello sviluppo dei prodotti.

Con l'evoluzione di questo campo, sarà necessario ulteriore ricerca per affrontare le limitazioni esistenti e migliorare le capacità del metodo XVoxel. Ci potrebbero essere opportunità per integrare l'apprendimento automatico e tecniche computazionali avanzate per semplificare ulteriormente il processo di design in varie applicazioni industriali.