Progetto STAR
(Simulation Technology Aeronautic Research)

STAR Project (Simulation Technology Aeronautic Research) STAR stands for a funded Research Project that EnginSoft’s branch office took on at the beginning of 2007, answering a call for proposal of Regione Puglia, to develop a new and innovative software technology, specifically oriented to the aerospace and aeronautics sectors. The main objective has been therefore the development of an innovative simulation tool, able to overcome the actual design limits and to allow an integrated design and optimization of the associated processes and products. The 18 months' project has led, as foreseen, to the creation of a technological platform to build and possibly implement (in the future) a virtual environment. The latter will support the design of an optimization of computation codes and processes for aerospace and aeronautical components. The idea was to use virtual prototyping tools to manage, predict and optimize the real working performances of such technological components. This project was structured in five design phases (management of geometrical information, production, heat treatments, surface treatments, welding and use) and in four transversal engineering processes (casting, carburizing, nitriding, welding). MAGMA tools were applied to the casting and solidification processes, as well as for the residual stress computation. ANSYS Workbench instead was used to carry out the structural analyses. The optimization procedure took advantage of the modeFRONTIER integrated environment, using some pre-set workflows. The management and integration of every application, within a single data flow, required to solve several problems, most of them different according to the investigated process. Interesting examples in such regard are described in this article, presenting specific research and ad-hoc solutions. STAR also aimed at the strong consolidation of the software tool in the area (Regione Puglia) to foster better knowledge transfer to industrial research and product development. In this context, the new EnginSoft Office could contribute significantly. Its location in the industrial area of Mesagne, enables the team to efficiently support engineering activities with its hardware equipment, to host training initiatives and thus to promote the industrial exploitation of the project.

All’inizio del 2006, la Regione Puglia diede l’avvio nell’ambito dei POR Puglia 2000-2006, alle procedure relative ai Programmi Integrati di Agevolazioni (PIA) - Progetti Integrati Territoriali, Area di Brindisi (PIT n. 7), il cui oggetto sono programmi di investimento finalizzati alla utilizzazione, tramite l’ampliamento della base produttiva (Misura 4.1 C), dei risultati derivanti da interventi di trasferimento tecnologico e/o da interventi nel campo della ricerca industriale e sviluppo precompetitivo (Misura 3.13).
EnginSoft S.p.A., con la sua sede di Mesagne, ha raccolto l’input offerto dalla regione e ha prontamente aderito all’iniziativa, presentando il progetto STAR (Simulation Technology Aeronautic Research), il cui scopo è lo sviluppo per il settore aeronautico ed aerospaziale, di una innovativa tecnologia software in grado sia di superare i limiti che caratterizzano alcune fasi progettuali di questo settore, sia di consentire una progettazione integrata e un’ottimizzazione dei relativi processi e prodotti.
I lettori più attenti di questa newsletter sicuramente ricordano un articolo facente riferimento a questo progetto, nei termini sopra esposti, in un numero di circa un anno fa. A distanza di dodici mesi, il progetto è stato portato a termine e di seguito ne sono tratteggiati i punti fondamentali.

Il progetto STAR è consistito essenzialmente nella realizzazione di una piattaforma software che tramite la modellizzazione virtuale di tutta la “design chain” (quindi anche dei processi produttivi e delle relative condizioni operative che precedono la messa in opera), fosse in grado di gestire, prevedere e quindi anche ottimizzare, le reali prestazioni in esercizio del prodotto tecnologico oggetto di studio. A tal scopo, la piattaforma STAR, il cui sviluppo si è esteso da gennaio 2007 ad agosto 2008, è stata strutturata in un ambiente unitario di progettazione virtuale, al cui interno sono stati implementati i codici di calcolo (sia esistenti sia creati ex novo), necessari per simulare ed ottimizzare le fasi progettuali associate ai tipici processi tecnologici del comparto aeronautico ed aerospaziale. Le fasi di cui sopra sono le seguenti:

1. Gestione informazioni geometriche – importazione CAD
2. Produzione
   • colata;
     
3. Trattamento termico
   • trattamenti termici massivi;
     
   • trattamento superficiale
     • carbocementazione;
       
     • nitrurazione;
       
4. Saldatura
   
5. Esercizio
   
   

Figura 1 – treni di processi implementati nella piattaforma STAR

Trasversalmente alle fasi ora elencate, dal punto di vista ingegneristico i “treni” di processo che hanno significato dal punto di vista industriale sono quelli riportati in Figura 1, vale a dire:

1. colata
   
2. carbocementazione
   
3. nitrurazione
   
4. saldatura
   
   

Figura 2 – schema generale per il flusso logico e il flusso di dati

La denominazione utilizzata non è rappresentativa di tutti i fenomeni studiati nel flusso di processi preso in esame, ma serve a contraddistinguere il passaggio che lo differenzia dagli altri. In linea generale, essi prevedono l’import del CAD, il pre-processing del modello, la simulazione del processo e/o trattamento termico, l’export delle condizioni finali associate al processo e/o trattamento termico, ed infine l’analisi in condizioni di esercizio del sistema pre-caricato con le condizioni finali di cui sopra.
Ogni singolo treno di processi è stato inserito all’interno di un processo di ottimizzazione. Il comune flusso logico e flusso di dati che sovrintende ad ognuno di essi può essere schematizzato come in Figura 2 .

La famiglia di prodotti MAGMA è stata utilizzata allo scopo di gestire i processi di colata, solidificazione e calcolo degli stress residui, mentre ANSYS WorkBench per le analisi strutturali. Il processo di diffusione del carbonio e dell’azoto presenti rispettivamente nella carbocementazione e nella nitrurazione, così come il processo di saldatura sono stati riprodotti tramite appositi modelli fenomenologici sviluppati ad hoc (per tali attività ci si è valsi anche della consulenza esterna dell’Università del Salento – Laboratorio di Scienza delle Costruzioni e Laboratorio di Metallurgia del Dipartimento di Ingegneria dell’Innovazione). La loro implementazione numerica è stata eseguita tramite macro e Commands di ANSYS in linguaggio APDL. L’ottimizzazione dei processi investigati è stata effettuata tramite la costruzione in ambiente modeFRONTIER di alcuni workflow pre-impostati che da una parte fossero in grado di gestire le variabili progettuali cosi come i diversi vincoli e/o obiettivi, dall’altra non richiedessero un intervento “esperto” dell’utente.

La gestione e l’integrazione di ogni singolo applicativo all’interno di un unico flusso di dati hanno comportato la soluzione di diverse problematiche, alcune delle quali sono:

• scambio bi-direzionale dati codice FEM (ANSYS) - codice FEV (MAGMA) trasferimento delle informazioni puntuali (caratteristiche fisico-meccaniche e composizione) associate al modello 3D FEM al corrispettivo modello FEV;
  
• gestione automatica (procedura batch) dei codici FEM e FEV, nonché del codice di ottimizzazione modeFRONTIER;
  
• gestione automatica del codice FEM (ANSYS) nell’ottica di pilotare le nuove routine per le simulazioni dei processi di carbocementazione, nitrurazione e saldatura;
  
• automazione fasi di pre-processing implementazione in automatico di tutte le operazioni che sono indispensabili per la fase di pre-processing ma che allo stesso tempo non sono strettamente legate al modello analizzato;
  
• costruzione di una interfaccia (GUI) “easy to use”.

Le soluzioni alle problematiche descritte non sono univoche. Ad esempio, nel caso del processo di carbocementazione (che è stato uno dei casi più complessi da affrontare), una possibile strategia era quella di implementare in ambiente ANSYS WorkBench le routine dedicate al processo di diffusione del carbonio, mentre in ambiente MAGMA la tempra con transizioni di fase e il calcolo delle proprietà meccaniche.
Per alcuni motivi legati sia all’efficienza computazionale del modello numerico complessivo, sia alla possibilità di eseguire in batch tutte le operazioni necessarie, all’approccio ora delineato ne è stato preferito uno in cui in ambiente ANSYS WorkBench sono stati implementati anche la tempra con transizioni di fase e il calcolo delle proprietà meccaniche, mentre in ambiente MAGMA si è effettuato il solo calcolo delle tensioni residue indotte dal processo. La contemporanea valutazione dei risultati delle due distinte analisi fornisce la previsione complessiva sul processo di carbocementazione.

Figura 3 – metodi gestione WorkBench – MAGMA

La gestione in automatico (procedura batch) di ANSYS WorkBench e di MAGMA è stata effettuata con i metodi schematizzati in Figura 3.
A tal riguardo, il lancio di una simulazione MAGMA che non richiedesse l’utilizzo della sua interfaccia grafica ma che garantisse nel contempo la possibilità di modificare diversi parametri di configurazione della simulazione, si è rivelato essere uno dei task più complessi da risolvere, soprattutto perché non tutti i parametri di simulazione sono modificabili tramite le interfacce di programmazione (API).

Figura 4 – sequenza panels (carbocementazione)

Per quanto riguarda il dialogo piattaforma – utente, la soluzione tecnica adottata è stata l’implementazione di una wizard gestita attraverso una GUI (Graphical User Interface). I componenti grafici costituenti tale wizard sono un frame principale nel quale è inserito di volta in volta il pannello di controllo associato ad ogni specifica fase dello scheletro della piattaforma, il cui settaggio necessiti dell’intervento dell’utente. In Figura 4 è riportata la sequenza di panels nel caso della carbocementazione.
Gli step implementati nei diversi panels sono:

1. selezione del processo (Colata, Colata + Saldatura, Carbocementazione, Nitrurazione, Saldatura);
   
2. selezione del file CAD da analizzare;
   
3. modifiche guidate al file .dsdb con intervento dell’utente necessario per caratterizzare l’analisi scelta (questo specifico passo avviene non tramite un pannello della wizard, ma direttamente nell’ambiente di pre-processing del solutore strutturale);
   
4. inserimento dati di simulazione e di ottimizzazione (valori delle costanti e range delle variabili da ottimizzare);
   
5. post-processing.
   
   

Figura 5 – Modello Matematico Diffusione Carbonio (1 di 2)

Figura 6 – Modello Matematico Diffusione Carbonio (2 di 2)

Figura 7 – modello per l’implementazione numerica della carbocementazione

Lo sviluppo dei modelli matematici per i processi di carbocementazione, nitrurazione e saldatura con la successiva implementazione numerica è stato uno degli obiettivi realizzativi a maggior valore aggiunto dell’intero progetto. A titolo esemplificativo di seguito si riporta per la carbocementazione una breve descrizione. Il modello matematico per la diffusione del carbonio è rappresentato in modo schematico in Figura 5 e 6 (il calcolo delle caratteristiche meccaniche si è basato sulla media pesata delle caratteristiche delle singole fasi). La routine sviluppata in ambiente FEM per la simulazione del processo di carbocementazione, la cui struttura è riportata in Figura 7, è stata articolata in quattro fasi (in analogia alle fasi analizzate nel relativo modello matematico):

1. simulazione del processo di diffusione del Carbonio;
   
2. simulazione del processo di tempra;
   
3. calcolo delle fasi;
   
4. calcolo delle caratteristiche meccaniche del pezzo.
   
   

Un analogo flusso logico (chiaramente con le dovute distinzioni in virtù dei diversi fenomeni fisici trattati) si può ritrovare per la nitrurazione e per la saldatura.

Figura 8 – mappatura tenore carbonio

Figura 9 – profilo diffusione carbonio

Figura 10 – curva numerica durezza (AISI 5115)

Il confronto numerico – sperimentale ha fornito per i diversi processi implementati un buon accordo. In particolare, i profili di diffusione del Carbonio con le relative curve di durezza forniscono una previsione molto accurata dei valori sperimentali. In Figure 8-11 sono riportati alcuni risultati per un albero con diametro di 30 mm, - AISI 5115, mentre in Figure 12-13 per un ingranaggio cilindrico a denti diritti - AISI 5115.

Figura 11 – curva sperimentale della durezza

Figura 12 – mappatura tenore carbonio

Figura 13 – profilo diffusione carbonio

Stesso discorso per il profilo di diffusione dell’Azoto, mentre il modello dedicato alla determinazione della curve di durezza presenta uno scostamento maggiore. Per la saldatura l’analisi numerico – sperimentale si è focalizzata sulla determinazione delle tensioni residue: i test numerici sono allineati con gli analoghi sperimentali, anche se ulteriore lavoro è necessario per riprodurre in modo più accurato le transizioni di fase.

Come accennato in precedenza, essendo il bando cui si è aderito un PIA (Programmi Integrati di Agevolazioni), il progetto STAR ha previsto non solo un intervento in campo di R&S (Misura 3.13), ma anche un intervento nel campo dell’ampliamento della base produttiva (Misura 4.1 C).

In altri termini, tramite il progetto STAR è stato possibile supportare, anche da un punto di vista economico, la volontà di EnginSoft di acquisire una sede di proprietà nella zona industriale di Mesagne, dotandola delle attrezzature (sistema hardware per calcolo massivo) che hanno consentito di svolgere in modo efficiente le attività ingegneristiche previste nel progetto. Inoltre, allineandosi alle altre sedi EnginSoft, le funzioni ora disponibili nel nuovo ufficio di Mesagne (aula corsi, foresteria) consentono di svolgere in condizioni adeguate le attività di formazione associate, e non, alla fase di valorizzazione ed industrializzazione del progetto stesso.