Raccolta casi Working Model, visualNastran & SimWise - NASA
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Paolo Lista,
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Immaginatevi la caduta rovinosa al suolo di un elicottero di 4 tonnellate, fatta di proposito. E' il compito del NASA Impact Dynamics Research Facility ad Hampton, nello stato di Virginia negli USA, il laboratorio incaricato di verificare la resistenza strutturale dei velivoli all'impatto. Dal momento che, per definizione, si tratta di crash tests distruttivi, queste sono ovviamente le ultime prove che vengono condotte sui prototipi di nuovi velivoli che utilizzano materiali innovativi o tecnologie costruttive mai sperimentate. Ma spesso si ricorre anche a modelli di aerei commerciali o militari già in produzione, nel tentativo di ricreare le condizioni di qualche evento catastrofico e di capire come aumentare le possibilità di superare tali evenienze.
In una tipica simulazione di crash, il veivolo oggetto di analisi viene sospeso in alto con delle funi da una piattaforma di una decina di metri, la stessa piattaforma utilizzata dalla NASA per simulare la discesa sulla luna dei primi moduli delle spedizioni Apollo. Ora questa piattaforma consente agli ingegneri della NASA e delle forze armate americane come Richard Boitnott di replicare le condizioni di crash reali o presunti posizionando i veivoli con una precisa angolazione rispetto al suolo e rilasciandoli provocandone la rovinosa caduta per effetto della gravità. Questi velivoli sono riempiti di sensori e strumenti per il monitoraggio continuo della dinamica dell'urto e la registrazione di tutti i parametri.
Migliorare le possibilità di riuscita
C'è un problema insito in questo esperimento: gli apparecchi di misura hanno una sola possibilità di registrare i dati dell'impatto, non essendo possibile sacrificare più velivoli per tentativi. Pertanto, se il velivolo non viene rilasciato per l'impatto al suolo esattamente come previsto, i dati da registrare possono facilmente uscire dai margini di tolleranza e taratura della strumentazione, rendendo purtroppo inutile tutta la prova. Per migliorare le possibilità di riuscita dell'esperimento, Boitnott ha iniziato a simulare virtualmente le condizioni di prova ricorrendo al Working Model, un software di analisi cinematica e dinamica prodotto dalla Knowledge Revolution americana.
Boitnott aveva sentito parlare del Working Model da un professore del Politecnico della Virginia che ricorreva ai prodotti della Knowledge Revolution per ausilio didattico. Con questi programmi, infatti, l'applicazione automatica delle leggi della meccanica agli elementi CAD consente la realizzazione di uno scenario dove il moto dei vari elementi non è più ipotizzato dall'operatore ma bensì completamente risolto dal software. Si possono allora condurre tutte le misure di velocità, forze e sollecitazioni prima di costruire i prototipi fisici delle varie macchine. In particolare, il test di crash è proprio l'applicazione ideale di un software di prototipazione virtuale, in quanto Boitnott poteva eseguire tutti gli aggiustamenti e prevedere il reale andamento dell'esperimento senza distruggere inutilmente alcun velivolo.
Boitnott acquistò subito una copia del Working Model per suo uso personale. Prima di venire a conoscenza del Working Model, egli usava già un software di analisi cinematica e dinamica sviluppato dalle Forze Armate Americane e dal Federal Aviation Administration per provare la resistenza delle fusoliere. La sua interfaccia utente di tipo matematico non era però assolutamente facile da usare, e la limitata distribuzione di questo codice lo aveva in un certo qual modo reso superato rispetto all'uso intensivo delle interfaccie grafiche nell'industria.
"L'interfaccia utente del Working Model è veramente incredibile," ha affermato Boitnott. "Il mio vecchio codice non aveva nulla di simile, così immediatamente c'era un fattore facilità d'uso che rendeva spontaneo il ricorso a questa nuova soluzione." La versione bidimensionale del Working Model lavora in entrambi gli ambienti Windows e Macintosh e pertanto la familiarità con le finestre di dialogo, i menù a tendina e le icone rendevano attraente e naturale la costruzione di una simulazione.
Prima di ogni crash, Boitnott definisce gli obbiettivi, quali ad esempio l'angolo e la velocià di impatto al suolo dell'elicottero; si stabilisce, ad esempio, che l'elicottero stia volando ad una velocità verticale di 30 piedi al secondo, con una componente di velocità orizzontale di 25 piedi al secondo ed un angolo di impatto al suolo di 10 gradi in elevazione. Boitnott iniziò a modellare questo caso tramite il Working Model's Workspace, un CAD interno al Working Model che consente di schizzare gli elementi della simulazione senza dover necessariamente fare ricorso a disegni esterni. Non aveva senso in questa fase disegnare in dettaglio la carlinga dell'elicottero; bastava iniziare disegnando un semplice profilo rettangolare. A questo oggetto elementare dovevano però essere assegnate la massa ed il momento di inerzia del caso reale, e questo era possibile con un semplice doppio click del mouse sull'oggetto stesso. Si apriva infatti in questo modo una finestra di caratteristiche fisiche per quell'oggetto molto flessibile. Le scelte di default proposte dal software potevano così essere calibrate con i valori noti di densità o massa, attrito statico e dinamico, momento di inerzia, carica elettrica, forze e sollecitazioni comunque agenti, compresa gravità ed attrito aerodinamico. Erano disponibili inoltre campi in cui inserire eventuali equazioni per tener conto di particolari combinazioni di parametri nell'applicazione di qualche proprietà fisica.
Un aspetto particolarmente importante per Boitnott consisteva nel localizzare con precisione il centro di gravità, ovvero il punto di fissaggio dei cavi che avrebbero sollevato e poi fatto oscillare l'elicottero come un pendolo nel suo impatto al suolo. Nel caso reale, una coppia di cavi di sospensione viene utilizzata per sostenere l'elicottero mentre un terzo tirante viene utilizzato per posizionare correttamente il veivolo nel previsto angolo di impatto al suolo, combinazione degli angoli di beccheggio, rollio e imbardata. Il tirante viene rilasciato per primo non appena si lancia il crash test, mentre i due cavi di sospensione pendolare vengono staccati un attimo prima dell'impatto al suolo del veivolo, in modo che questo al momento dell'impatto sia in moto libero di caduta senza alcuna influenza esterna trasmessa dalle funi.
Nel caso dell'elicottero in corso di analisi, Boitnott aveva trovato che il centro di gravità si trovava 5 piedi dal profilo inferiore, e pertanto modellò semplicemente la massa rettangolare con una altezza di 10 piedi. Dal momento che si voleva che la trave di coda toccasse il suolo per prima, notò che essa era lunga 20 piedi a poppa dal centro di gravità, orientò l'elicottero in modo che al momento dell'impatto avesse il muso sollevato di 10°.
Reverse engineering
"Ho poi collegato il tirante al centro di gravità del rettangolo che nel Working Model rappresentava l'elicottero," ha riferito Boitnott. "Di fatto ho proceduto lavorando all'incontrario per vedere quanto in alto dovesse andare per precipitare con l'orientamento prefissato." Boitnott, in altre parole, stava usando il Working Model in reverse engineering - ovvero lavorando a partire da una conclusione nota (l'impatto desiderato) per determinare le precise condizioni iniziali che viceversa erano sconosciute, cioè come si doveva rilasciare l'elicottero per ottenere un'istante dopo quel catastrofico impatto al suolo. Determinati in questo modo le lunghezze ed i punti di collegamento delle funi, Boitnott posizionò il suo modello per il crash virtuale. Nel Working Model era possibile lanciare la simulazione tutte le volte che si desiderava, e così Boitnott poteva aggiustare la posizione dei punti di collegamento delle funi, la posizione dell'elicottero prima che venisse rilasciato e perfino le condizioni di carico su ciascuna fune. Egli "lasciò precipitare" il suo elicottero virtuale più e più volte mentre il Working Model scandiva nelle finestre di misura lo scorrere del tempo (meno di tre secondi) e la ripartizione di carico nelle funi (da 990 kg in condizioni statiche ad oltre 6300 kg di carico dinamico immediatamente prima dell'impatto). Tutto quello che Boitnott doveva fare era selezionare quali misure intendeva eseguire in ogni nuova simulazione. La selezione di queste misure avviene con il semplice click del mouse; a fianco del modello si aprono delle finestre di misura con i grafici dell'andamento delle grandezze richieste. La simulazione stessa può essere ripetuta quante volte si desidera ed esaminata come in moviola, mentre tutte le misure possono essere salvate sotto forma di dati in tabella per uno studio a posteriori.
Grazie alle simulazioni, con il Working Model si sono potute sperimentare varie configurazioni iniziali di caduta per ottenere in modo sicuro le condizioni di impatto richieste.
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della completa simulazione 3D di un crash di un velivolo
della simulazione 3D dell'impatto del carrello sulla pista
della simulazione 3D dell'atterraggio
"Per esempio, potevo vedere cosa sarebbe successo se si fossero collegati i cavi in un punto anche poco distante dal centro di gravità," ha detto Boitnott. "Si tratta di fattori estremamente importanti perchè se l'elicottero non urta il suolo nelle condizioni previste tutto il test può risultare vano e si è distrutto inutilmente un velivolo."
Gli ingegneri della sicurezza alla NASA eseguivano sempre i calcoli per determinare la tensione sulle due grosse funi di pendolamento, ma tuttavia non c'era un metodo per determinare l'andamento istantaneo delle condizioni di carico anche sul terzo cavo, il tirante che controllava effettivamente l'angolazione con cui il velivolo avrebbe urtato il suolo. Ora c'era una soluzione, dal momento che il Working Model monitorava il carico sulle tre funi man mano che questo oscillava nell'aria.
"E' difficile calcolare la ripartizione di carico simultanea su tre funi. Con il Working Model, potevo vedere in ogni istante come questa variava man mano che il velivolo compiva la sua traiettoria fatale. Conoscendo la risposta elastica alle sollecitazioni di quelle fune potevamo finalmente sperare di assicurare le esatte condizioni di impatto previste per quel modello di elicottero, per esempio a 10° di impennata."
Il Working Model aveva inoltre mostrato agli ingegneri delle Forze Armate come le condizioni di impatto risentivano sensibilmente di un non corretto posizionamento delle funi, anche di pochi cm. "Le nostre equazioni si basano su assunti molto precisi ovvero sulla perfezione, ma di fatto non sapevamo mai con esattezza dove si trovasse il centro di gravità per quel velivolo." Boitnott aggiungeva inoltre che macchine fotografiche, manichini antropomorfi e altre strumentazioni di controllo caricate a bordo per registrare i dati dell'impatto influenzavano non poco la posizione di questo centro di gravità.
Le simulazioni con il Working Model fornivano risposta a domande che Boitnott non aveva mai potuto porsi prima, come "Di quanto posso sbagliare nello posizionare i cavi senza invalidare tutto il test?" La simulazione rivelava cosa sarebbe successo nella realtà per un errore di questo tipo. "Bastava solo mezzo piede e ottenevamo un crash con l'elicottero impennato di 15° anzichè di 20°, il che rendeva inutile la taratura degli strumenti a bordo e ci faceva quindi sprecare un elicottero." Per risolvere questo problema Boitnott costruì uno scenario del tipo "cosa succede se" nel Working Model, lavorando sui parametri iniziali fintanto che non otteneva il corretto angolo di impatto. Egli sapeva che il modo più sicuro per ottenere questo risultato consisteva nell'aggiungere massa all'interno del velivolo o cambiare il punto di unione delle funi. Tentò quindi cambiando un parametro alla volta, esaminando la simulazione e ritoccando i valori su cui poteva intervenire. Dopo varie simulazioni aveva trovato una scelta di condizioni iniziali che consentivano di ottenere l'angolo di impatto richiesto pur tollerando le inevitabili imprecisioni su masse, centro di gravità e punti di fissaggio delle funi.
Per aggiungere maggiore realismo, Boitnott simulò anche il distacco delle funi dall'elicottero un attimo prima che questo impatti al suolo "grazie ad una semplice equazione di controllo che lavora come un conto alla rovescia."
Il Working Model ha anche aiutato Boitnott ad aumentare gli standards di sicurezza durante l'esecuzione di questi tests. " Con il Working Model ho potuto controllare di non superare il carico di sicurezza su ciascuna fune mentre tentavo simultaneamente di ottenere il corretto angolo di impatto," ha aggiunto Boitnott. Boitnott era infatti in grado di monitorare l'andamento dei carichi su ciascuna fune mentre veniva eseguita ogni simulazione attraverso i grafici che mostravano le fluttuazioni di carico.
Boitnott riferisce che i suoi colleghi ingegneri sono stati molto impressionati dai primi risultati conseguiti con questo software di analisi cinematica e dinamica. "Il Working Model ci ha dato maggiore libertà," ha detto Boitnott. "Ha reso più veloce il nostro lavoro meglio di ogni altro strumento io abbia mai utilizzato." È palese il risparmio di soldi che si può conseguire quando le Forze Armate od un produttore di velivoli commerciali può evitare di ripetere un test di crash - e ridurre simultaneamente i rischi di incidenti per il personale addetto all'allestimento di queste prove distruttive.
Boitnott ha continuato ad indagare sulle possibili applicazioni del Working Model. Dai primi lavori svolti con la sua copia personale del software a quelli realizzati successivamente con le licenze aziendali i risultati conseguiti sono stati sempre più sorprendenti. Si è passati ad esempio ad esaminare l'assorbimento di energia di una semisezione della carlinga dell'elicottero durante l'impatto al suolo, fino a modellare completamente l'urto di un modello tridimensionale di aeroplano.
Perchè lanciare elicotteri da una piattaforma? "Per capire cosa succede durante una collisione e fare in modo che i nuovi velivoli siano migliori e più sicuri per tutti i passeggeri. Abbiamo considerato finora impatti al suolo," ha concluso Boitnott, " ma cosa succede nelle collisioni tra velivoli in volo? Anche in quei casi dobbiamo indagare come aumentare le possibilità di sopravvivenza di passeggeri e piloti."
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