L'innovazione non avviene solo perché lo si desidera. È il risultato di un processo di progettazione ben ponderato, che incorpora un cambiamento radicale nell'atteggiamento, che include la simulazione come parte integrante del processo.
Molteplici aspetti dell'innovazione sono oggi incentrati sull'elettronica, che ha trasformato il modo in cui comunichiamo, lavoriamo, impariamo e ci divertiamo; le innovazioni elettroniche sono state la base di innumerevoli applicazioni.
L'intelligenza elettronica sta ridefinendo tutto, dalla produzione just-in-time alla sicurezza nazionale, praticamente nessun prodotto è esente da questi miglioramenti. In applicazioni ovvie e meno ovvie ci sono telefoni ultra-intelligenti, reti in fibra ottica e wireless, computer che stanno in una tasca o al polso, display a LED che imitano la carta e persino chip di localizzazione negli animali domestici. Le automobili del secondo millennio sono piene di dispositivi elettronici che controllano le funzioni del motore, impediscono alle ruote di slittare, aiutano a evitare incidenti e orientano il percorso.
È ovvio che questi dispositivi stanno influenzando la qualità della nostra vita; ciò che non è così evidente è come sono diventati prodotti interconnessi e come influiscono sulla nostra sicurezza.
Mai prima d'ora l'opportunità offerta ai prodotti elettronici di differenziarsi nel mercato è stata così pronunciata. Allo stesso tempo, il rischio del guasto e le sue conseguenze possono essere catastrofici. Un marchio che ha richiesto decenni per essere valorizzato può essere distrutto in pochi secondi.
Lo studio preliminare per raggiungere l'integrità del prodotto
I comportamenti dei prodotti di oggi sono complessi e spesso difficili da testare fisicamente. Ad esempio, i dispositivi elettronici creano una grande quantità di emissioni EMC; un segnale può risuonare ed emette campi elettromagnetici che creano interferenze nello stesso prodotto o in altri prodotti vicini.
I progettisti devono affrontare sfide difficili da prevedere e da replicare, nonché costose da rilevare o misurare. Anche se non intenzionali, i fenomeni legati alla meccanica strutturale, al trasferimento di calore e all'elettromagnetismo possono interagire e portare al guasto.
Il dilemma dei progettisti è come e a che costo anticipare "l'effetto sistema" di un prodotto il cui insieme è molto più grande (e più volatile) della somma delle sue parti.
Un approccio tradizionale è costoso, richiede tempo e limita significativamente l'innovazione. L'alternativa collaudata è la simulazione ingegneristica, che consente di testare virtualmente le prestazioni di un progetto in un'ampia gamma di scenari, alcuni dei quali potrebbero essere difficili da replicare sperimentalmente. La simulazione 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.
COMSOL Multiphysics. Eccellenza nella simulazione
Il software di simulazione COMSOL Multiphysics consente ai progettisti di anticipare la realtà mediante un lavoro virtuale di alto livello.
Ingegneri e progettisti possono simulare progetti di dispositivi e di processi per comprenderne anticipatamente limiti e potenzialità, prevedendone e ottimizzandone le prestazioni.
Questa piattaforma di simulazione offre sia capacità di modellazione multifisica sia funzionalità specifiche per singole fisiche e si compone di tre parti: Model Builder, Application Builder e Model Manager.
Il Model Builder include tutte le fasi del flusso di lavoro di modellazione per produrre risultati accurati, dalla definizione delle geometrie alle proprietà dei materiali e della fisica che descrive i fenomeni specifici, dalla risoluzione al post-processing dei modelli.
Una volta sviluppato il modello, è possibile trasformarlo in un'app con interfaccia utente personalizzata grazie all’Application Builder. Le app possono essere usate all’interno del team di sviluppo e anche da clienti che non abbiano un'esperienza specifica nella simulazione.
Il Model Manager è lo strumento utilizzato per gestire e archiviare i modelli con maggiore efficienza.
Alla piattaforma COMSOL Multiphysics si possono integrare vari moduli aggiuntivi, il risultato consente di avere accesso, con un'interfaccia utente che ha sempre lo stesso aspetto, a più funzioni specializzate volte a soddisfare le particolari esigenze di modellazione.
È possibile anche utilizzare software di terze parti, come ad esempio il software MATLAB, con cui è possibile gestire facilmente le simulazioni mediante i suoi script e le sue funzioni. I software di interfacciamento LiveLink for MATLAB e LiveLink for Simulink permettono di accedere alle operazioni COMSOL direttamente nell'ambiente MATLAB e di integrarle con il suo codice e viceversa.
Per facilitare l'analisi delle proprietà elettromagnetiche e dei layout elettronici, COMSOL dispone dei prodotti ECAD Import Module, CAD Import Module, Design Module e LiveLink, legati ai principali sistemi CAD come parte della suite di prodotti.
Sono anche sincronizzabili i dati del foglio elettronico Microsof Excel con i parametri definiti nell'ambiente COMSOL Multiphysics tramite il prodotto di interfacciamento LiveLink for Excel.
Dai circuiti elettrici ai campi elettromagnetici
Grazie a COMSOL Multiphysics si possono creare sistemi per modellare i circuiti che includono sorgenti di tensione e corrente, resistenze, condensatori, induttori e dispositivi a semiconduttore. Inoltre, le varie topologie dei circuiti possono essere esportate e importate nel formato netlist SPICE.
È possibile analizzare in modo efficiente i dispositivi resistivi e conduttivi modellando le correnti DC, le correnti AC o le transitorie. In condizioni statiche e a bassa frequenza e quando i campi magnetici sono trascurabili, la modellazione delle correnti elettriche è sufficiente per ottenere risultati accurati. I calcoli, basati sulla legge di Ohm, diventano molto efficienti e sulla base del campo potenziale risultante si può calcolare un certo numero di valori: resistenza, conduttanza, campo elettrico, densità di corrente e dissipazione di potenza.
Passando all'analisi dei sistemi e dei processi elettromagnetici, che comprendono il range statico e a bassa frequenza, l'AC/DC Module è un prodotto aggiuntivo alla piattaforma COMSOL Multiphysics che offre una vasta gamma di funzioni di modellazione e di modelli numerici per lo studio dei campi elettromagnetici e per l'analisi EMI/EMC attraverso la soluzione delle equazioni di Maxwell. Con l'AC/DC Module è inoltre possibile eseguire analisi nel dominio della frequenza e nel dominio del tempo, così come l'analisi dei piccoli segnali. Nel dominio del tempo e della frequenza, è possibile anche tenere conto degli effetti capacitivi. Le funzionalità multifisiche del software COMSOL Multiphysics consentono di studiare l'impatto di altri effetti fisici sul modello elettromagnetico, come per esempio il trasferimento di calore, la meccanica strutturale e l'acustica.
Quando si modellano cavi, fili, bobine, solenoidi e altri dispositivi induttivi, va considerato il campo magnetico che nei materiali conduttivi è generatore di correnti elettriche. In generale, per i campi variabili nel tempo con effetti significativi di induzione, c'è un accoppiamento bidirezionale tra campi elettrici e magnetici. Quando la profondità di penetrazione è dell'ordine della dimensione del dispositivo, ma la lunghezza d'onda è molto più grande, è necessaria una formulazione del campo vettoriale.
Il dominio della frequenza, l'analisi dei piccoli segnali e la modellazione nel dominio del tempo sono supportati in 2D e 3D. È disponibile una formulazione specifica che è particolarmente adatta per la modellazione magnetica nel dominio del tempo di materiali con una E-J fortemente non lineare, come nel caso dei superconduttori.
Simulazione di elettrostatica e magnetostatica
È possibile analizzare dispositivi capacitivi e isolanti elettrici tramite calcoli elettrostatici. Questo approccio è applicabile per strutture dielettriche dove non scorrono correnti e i campi sono determinati dal potenziale elettrico e dalla distribuzione della carica. Sono disponibili per risolvere il potenziale elettrico sia il metodo FEM (Finite Elements Method) che il metodo BEM (Boundary Element Method), che possono anche essere combinati in un sistema ibrido.
Sulla base del campo potenziale ottenuto, possono essere calcolate diverse quantità come matrici di capacità, campo elettrico, densità di carica ed energia elettrostatica.
Scegliendo da un ampio database dei materiali, che include una vasta gamma di materiali magnetici non lineari, è possibile calcolare campi magnetostatici, induttanze parassite e forze su bobine, conduttori e campi magneti o definire propri materiali non lineari.
È disponibile una varietà di formulazioni a seconda che siano presenti correnti, materiali magnetici o entrambi.
Sia il metodo FEM che il metodo BEM sono disponibili anche per lo studio magnetostatico in assenza di correnti, anche in questo caso possono essere combinati tra loro.
Nel caso in cui siano presenti sia il flusso di corrente che i materiali magnetici, una formulazione del campo vettoriale permette di definire il potenziale elettrico e le correnti in ingresso e calcola la distribuzione della densità di corrente, i campi magnetici, le forze magnetiche, la dissipazione di potenza e le induttanze reciproche.
Le bobine possono essere modellate sia normalmente, calcolando l'esatta distribuzione di corrente all'interno di ogni filo, o in modo omogeneizzato, che è molto efficiente per bobine con numerose spire. Le forme delle bobine sono gestite automaticamente calcolando le distribuzioni di corrente nella bobina.
La funzionalità inclusa in COMSOL Multiphysics per lo studio delle macchine rotanti semplifica la modellazione di motori e generatori. Consente di studiare il comportamento dei motori a induzione o a magneti permanenti, in particolare catturando le perdite di corrente parassita che si verificano all'interno dei magneti. In qualsiasi modello utilizzato per simulare il movimento elettromagnetico, è possibile esaminare la dinamica dei corpi rigidi o flessibili sotto l'influenza di forze e coppie magnetiche, correnti indotte, carichi meccanici.
Una funzionalità generica di mesh mobile rende possibile modellare il movimento lineare. Questo è importante per comprendere il funzionamento delle componenti meccaniche coinvolte, come nel caso degli interruttori di potenza magnetici, dei solenoidi e degli attuatori in generale.
