Perdite di carico in blocchi idraulici

I blocchi idraulici (manifold) vengono ampiamente utilizzati per realizzare circuiti compatti ma possono introdurre un'elevata caduta di pressione nel sistema. Il loro design è infatti orientato più al raggiungimento di dimensioni e peso minimi che alla riduzione delle perdite di carico.

Questo lavoro studia le perdite di carico nei manifold utilizzando diversi metodi: analisi fluidodinamica computazionale (CFD), formulazione semi-empirica derivata dalla letteratura scientifica, ove disponibile, e caratterizzazione sperimentale.

Lo scopo è quello di ottenere le perdite di carico quando le connessioni dei canali all'interno del collettore non sono riconducibili ai pochi casi classici studiati in letteratura, in particolare per curve a 90° (gomiti) con espansione/contrazione e intersezione non in asse dei canali.

Il confronto dei risultati ottenuti consente di tracciare alcune linee guida per la progettazione dei canali del blocco e di discutere l'affidabilità dell'analisi CFD come strumento per migliorare la progettazione di un manifold. Si è scelto di puntare prima su geometrie semplici considerando l'intersezione tra i canali del blocco con una o due curve a 90°. Questa scelta è stata motivata dalla necessità di confrontare i risultati con quelli già pubblicati in letteratura per validare l'analisi e, quindi, applicare il metodo a casistiche non discusse in precedenza.

I risultati delle simulazioni CFD mostrano che l'analisi virtuale può rappresentare il corretto andamento della caduta di pressione in tutte le diverse geometrie analizzate seguendo, a “determinata distanza”, i risultati sperimentali. La differenza tra risultati sperimentali e CFD normalmente aumenta con la portata e la caduta di pressione. Il divario è, tuttavia, piuttosto elevato e sempre con una sovrastima delle simulazioni rispetto ai risultati sperimentali.

Entrando nel dettaglio delle regole di progettazione del collettore, si possono evidenziare alcune considerazioni in merito alla possibilità di introdurre nel collettore una curva a moderata espansione (senza ottenere grandi variazioni con flusso inverso, cioè attraverso una contrazione), all'uso di intersezioni sfalsate e alla ‘forma’ da preferire (e quella da evitare) quando sono necessari due gomiti consecutivi all’interno del blocco, sempre in relazione alla distanza relativa tra le curve.

Il prossimo passo di questa ricerca è quello di analizzare cosa succede con connessioni più complesse ma realistiche per un manifold idraulico, confrontando ancora l'analisi CFD e i risultati sperimentali, e approfondendo lo studio dell'occorrenza di aerazione/cavitazione.

La nostra intervista con Oleodinamica-Pneumatica

Potete leggere online il numero del magazine con l'intervista completa.

L’obiettivo è offrire al mondo del Fluid Power uno strumento semplice e vantaggioso in termini economici che possa snellire la progettazione, permettendo alle aziende del settore di poter verificare e valutare funzionalità e prestazioni del sistema progettato, prima della fase di prove sperimentali.

L’approccio è quello a parametri concentrati, utile per l’analisi del comportamento dinamico di sistemi di qualsiasi tipo. La soluzione proposta è un software di simulazione facilmente integrabile che possa essere facilmente integrato nel flusso della progettazione: viene creato un digital twin del componente o sistema, sempre affiancato da un'interfaccia personalizzata che ne semplifica maggiormente l’utilizzo, in modo da renderlo accessibile a tutti i livelli aziendali.

Tutto questo, grazie ad un team di lavoro che coinvolge professionisti che operano nel settore dell’oleodinamica da oltre trent’anni, come il professor Massimo Borghi, docente nel settore scientifico delle Macchine a Fluido presso il Dipartimento di Ingegneria Enzo Ferrari di Modena sin dal 2001, nonché docente di Macchine e Sistemi Energetici come pure di Oleodinamica nel corso di Laurea in Ingegneria Meccanica dell’Università di Modena e Reggio Emilia. Con questi presupposti, nell’aprile 2018 è nata SmartFluidPower Srl, come spin-off dell’Università di Modena e Reggio Emilia. 

Tra le parole d’ordine: innovazione, adattabilità ed energy saving. Ne abbiamo parlato con Giovanni Cillo, presidente e legale rappresentante di SmartFluidPower srl.

Modellazione di cuscinetti idraulici per servo-cilindri

I servocilindri idraulici sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali versatili come macchine utensili, banchi di prova per qualsiasi tipo di componente, robot industriali, sistemi di produzione autonomi e applicazioni speciali nei laboratori. In generale, sono utilizzati ogni volta che è richiesto un movimento regolare con basso attrito, una rapida risposta dinamica e possibili forze radiali.

I cuscinetti idrostatici con tasche vengono utilizzati sulle estremità dello stelo dei servocilindri per garantire il supporto di carichi elevati, ridurre l'attrito, rimuovere l'usura e consentire uno spostamento regolare e controllabile dell'attuatore.

La progettazione e la produzione di questi elementi è impegnativa poiché il buon funzionamento dipende dalle tolleranze ridotte, necessarie per sopportare il carico sul cilindro e per ridurre le perdite di portata.

Le interfacce lubrificate nei componenti oleodinamici sono uno degli aspetti più critici e da progettare con attenzione per garantire un comportamento regolare e buone efficienze in un sistema. Inoltre, sono fondamentali per analizzare i complessi fenomeni che determinano l'efficienza delle pompe volumetriche e dei motori, e anche il contributo ai guasti.

In questo lavoro viene presentato un modello fluidodinamico 2D di cuscinetti idrostatici: il modello è composto da un sistema di equazioni, creato da SmartFluidPower, scritto in linguaggio Modelica e interamente risolto in ambiente OpenModelica. Il lavoro in oggetto riguarda la prima parte di un'attività di ricerca in cui vengono realizzati un modello virtuale e uno strumento di prova per cuscinetti idrostatici con tasche.

Il modello proposto ha lo scopo di esplorare le condizioni operative critiche dei servocilindri e di migliorare la fase di progettazione: i risultati mostrano una notevole influenza dell'eccentricità e delle tolleranze di lavorazione e, quindi, deve essere effettuata un'accurata scelta dei parametri di progettazione per cercare la migliore configurazione.

Con l'aiuto di un partner industriale il modello numerico viene testato e validato: infine viene creato uno strumento di progettazione virtuale destinato ai progettisti industriali per aiutare e guidare il loro lavoro.

Oltre ai risultati specifici ottenuti in merito alla progettazione dei cuscinetti, il lavoro dimostra anche un diverso utilizzo dell'ambiente OpenModelica: un puro risolutore di equazioni i cui risultati vengono utilizzati per creare uno strumento virtuale industriale che aiuta il progettista a simulare diverse configurazioni e cercare la soluzione ottimale.

GoBeyond 2021

GoBeyond Banner

Con SmartFluidPower ci siamo candidati a GoBeyond 2021, una call for ideas per chi vuole puntare su un futuro più sostenibile o rendere il nostro Paese tecnologico e digitale.

GoBeyond è una competizione ideata ed organizzata dal Gruppo Sisal con lo scopo di incoraggiare lo sviluppo di nuove idee imprenditoriali italiane, facilitando la trasformazione di una visione (idea con un alto potenziale innovativo) in un progetto di valore (impresa) mediante un approccio di esecuzione  innovativo fondato sull’esperienza di un network di imprese  di successo.

Il contest prevede la selezione di due categorie:

  • “Per un futuro più sostenibile”: progetti che risolvono problematiche della società, del territorio e delle persone, generando un impatto positivo a beneficio della comunità
  • “Per un Paese tecnologico e digitale”: progetti che mettono al centro l’innovazione tecnologica grazie alla quale semplificano la vita delle persone e della società 

La nostra partecipazione al contest aveva l’obiettivo di competere con altre imprese innovative sul territorio nazionale e confrontare le nostre soluzioni all’interno del mondo fluid power con quelle più varie appartenenti agli altri settori. Tra le oltre 240 startup che hanno applicato in questa edizione 2021, siamo rientrati nella short list dei migliori 20 progetti imprenditoriali.

Attraverso la nostra candidatura abbiamo presentato un marketing plan per descrivere al meglio le nostre attività di simulazione e consulenza, e contestualizzarle nel settore di riferimento del fluid power. Oltre alla descrizione dei prodotti software e dei servizi dedicati offerti da SmartFluidPower, abbiamo analizzato il mercato di aziende a cui ci rivolgiamo e la sua recentemente tendenza al dinamismo e alla forte evoluzione grazie anche al forte richiamo dell’energy saving: abbiamo poi dettagliato come intendiamo farne parte con strategie di marketing e canali di comunicazione.

Nel marketing plan abbiamo, inoltre, presentato un’analisi S.W.O.T (Strengths Weaknesses Opportunities Threats) per mostrare punti di forza e di debolezza, le minacce alla diffusione dei nostri prodotti sul mercato e l’impatto sociale del nostro approccio: riguardo quest’ultimo, infatti, la ricostruzione di modelli virtuali dei componenti e sistemi interni promuove lo sviluppo e il mantenimento di know-how aziendale, con la diretta conseguenza di un efficace trasferimento di conoscenza da parte dei tecnici esperti ai nuovi progettisti.

Il documento ha esposto anche un monitoraggio dei risultati di questi primi 4 anni di attività che ha evidenziato la giusta previsione della domanda fatta in sede di costituzione nel 2018 (con l’eccezione dell’anno 2020) e una previsione dei ricavi obiettivo, costi attesi e margine operativo per il prossimo triennio.

La candidatura si è conclusa con un planning dei prodotti futuri, che riguardano sia l’implementazione di nuove funzionalità per gli strumenti software esistenti sia la creazione di nuovi, e di servizi aggiuntivi da inserire nell’offerta attuale. Sono stati infine esposti gli investimenti futuri previsti su tutti i fronti, dalla piattaforma online per il marketing all’ampliamento del team per incrementare il volume e la differenziazione dei progetti sviluppati.

OpenModelica Workshop 2021

OpenModelica Workshop è una conferenza annuale che si tiene nei primi mesi dell’anno all’università di Linköping, in Svezia. È un’occasione in cui utilizzatori e sviluppatori di OpenModelica si riuniscono per presentare gli ultimi progetti sia di ricerca, sia di applicazione industriale, utilizzando questo software nel modo più avanzato e performante. La conferenza è supportata, oltre che dall’università che la ospita, anche dal consorzio OSMC (Open Source Modelica Consortium): un’organizzazione non governativa senza scopo di lucro con l’obiettivo di sviluppare e promuovere lo sviluppo e l’utilizzo dell’ambiente open source OpenModelica.

Questo workshop ne precede un altro annuale, di 2 giorni, che si riunisce sempre all’università di Linköping dal 2006, che riguarda più in grande il linguaggio Modelica ed è promosso dal MODPROD (Center for Model-Based Cyber-Physical Product Development): un importante centro di ricerca interdisciplinare che coinvolge numerose aziende e ricercatori del Dipartimento di Informatica e Scienza dell’Informazione e del Dipartimento di Management e Ingegneria.

La mission di questo centro è perfettamente in linea con  quella di SmartFluidPower: condurre ricerca applicata in prima linea nello sviluppo di prodotti basati su modelli virtuali, affrontando problemi come elevata richiesta di flessibilità e qualità, time-to-market più breve dalla progettazione del prodotto alla produzione di prodotti finiti. Ciò richiede un maggiore utilizzo della modellazione del sistema software/hardware, della gestione della tecnologia prototipazione virtuale e la pianificazione strategica basata sulla simulazione.

Insieme a società e centri di ricerca soprattutto europei, ma con qualche intervento da altri continenti, abbiamo partecipato con SmartFluidPower sia come membri del consorzio OSMC, ma soprattutto come utilizzatori avanzati del software OpenModelica applicato al mondo industriale. In particolare abbiamo presentato un progetto intitolato ‘Modellazione e simulazione di macchine volumetriche con OpenModelica’.

Il primo obiettivo della presentazione è stato di far conoscere ai vari utilizzatori ed esperti di OpenModelica la nostra libreria incentrata sul mondo fluid power e collegata agli altri domini fisici grazie alle altre librerie disponibili (meccanica, segnali, ecc.).

Il secondo obiettivo è stato di contestualizzare la libreria mostrata attraverso un’applicazione oleodinamica specifica che riguarda una pompa a palette a bassa pressione. Con questo esempio abbiamo mostrato i risultati dello studio in OpenModelica su questo componente e le criticità che ne sono emerse nell’analisi dei suoi risultati. 

In questo lavoro la modellazione del componente è risultata semplificata tramite l’utilizzo diretto di equazioni per il calcolo di alcune variabili: si è evidenziato quindi come l’approccio a parametri concentrati, unito alla grande flessibilità di OpenModelica, renda molto agevole l’interfaccia tra una libreria strutturata ed equazioni scritte direttamente in linguaggio Modelica.

Durante la conferenza tutti i lavori sono stati incentrati sullo sviluppo di funzionalità avanzate del software e, come nel nostro caso, sul suo utilizzo in applicazioni pratiche industriali nei settori più variegati. Sono stati molti gli interessi sulla nostra applicazione mentre, da parte nostra, l’incontro è risultato fondamentale per conoscere come le potenzialità di OpenModelica vengano sfruttate al massimo nei campi più vari e da parte di esperti a livello mondiale.

Modellazione di una pompa a palette in OpenModelica

research paper

In questo articolo viene presentato un modello dinamico a parametri concentrati di una pompa a palette utilizzata per riempire i serbatoi di carburante. Il modello è interamente sviluppato in ambiente OpenModelica, dove SmartFluidPower ha realizzato specifiche librerie di elementi virtuali adatti alla modellazione fisica di componenti e sistemi fluid power.

Tra i diversi approcci, la modellazione fluidodinamica zero dimensionale delle macchine volumetriche si presta a studiare molti aspetti quali il rumore causato dal fluido collegato all’irregolarità di portata e della pressione e il comportamento dinamico del controllo della cilindrata variabile. Ben prima della realizzazione di un prototipo fisico, il modello è utile per dare indicazioni riguardo l’impatto del progetto sui transitori caratteristici del funzionamento di questi componenti come quelli di pressione all’interno delle camere volumetriche e le oscillazioni di pressione e portata.

Il modello della pompa a palette viene descritto insieme alle principali caratteristiche progettuali che possono essere analizzate in termini della loro influenza sul comportamento della pompa. La modellazione è realizzata in “modo parametrico”: ciò significa che il modello può essere facilmente modificato per analizzare diverse modifiche progettuali, come il numero di palette, le aree di flusso di aspirazione e mandata e il profilo interno dello statore.

Nel complesso, questo approccio alla modellazione permette di collegare le caratteristiche geometriche della macchina con il suo comportamento dinamico e, per questo, è particolarmente utile nell’indirizzare la progettazione verso le giuste scelte.

Oltre ai risultati specifici ottenuti per quanto riguarda la progettazione della pompa, l’articolo dimostra anche l’utilizzo del linguaggio e dell’ambiente OpenModelica, mostrandone la sua efficacia nelle applicazioni di modellazione e simulazione fluidodinamica.

SmartFluidPower @Simulation Summit 2021

simulation summit slide cover

Il Simulation Summit è la prima conferenza italiana sulla simulazione CAE in ambito industriale, nata con il fine di promuovere la simulazione ingegneristica ed un suo un impiego consapevole ed efficace: attraverso contenuti e presentazioni di carattere pragmatico-applicativo, l’obiettivo è di condividere esperienze d’uso in modo trasparente e indipendente. 

Abbiamo partecipato con la presentazione ‘Modellazione e simulazione a parametri concentrati nelle applicazioni oleodinamiche’ che ha evidenziato i problemi tipici della progettazione di sistemi e componenti e la soluzione proposta, attraverso alcuni esempi applicativi su casi pratici.

Lo scopo principale è stato di illustrare come questo tipo di modellazione, che si applica per studiare il comportamento dinamico di sistemi ingegneristici di qualsiasi natura, sia particolarmente indicata per l’analisi di componenti e sistemi idraulici/oleodinamici/pneumatici.

Ha fatto parte di uno dei circa 50 convegni organizzati durante la fiera MECSPE 2021 di Bologna, un importante appuntamento in Italia dedicato alle innovazioni per l’industria manufatturiera, che include più di 2000 aziende espositrici e 48 mila visitatori in ciascuna edizione.

Abbiamo notato la forte prevalenza di interventi riguardo esempi ed evoluzioni di metodi di simulazione della tipologia a parametri distribuiti (FEM, CFD, ecc) e questo ci ha permesso di introdurre in modo più marcato la tecnica di modellazione da noi utilizzata e di evidenziarne le differenze e i vantaggi in funzione dello specifico problema da affrontare.

L’incontro si è rivelato un’importante occasione per conoscere le avanguardie nel campo della simulazione applicata all’ingegneria e per esporre le nostre soluzioni ad una platea formata da diversi attori coinvolti nel processo di sviluppo prodotto e di innovazione (utilizzatori di strumenti di simulazione, progettisti, analisti, imprenditori, studenti, ecc.).

Il nostro obiettivo finale è stato di sottolineare il ruolo importante della simulazione a parametri concentrati, potenziata dai prodotti da noi sviluppati per il mondo fluid power, all’interno di un panorama di simulazioni ingegneristiche che risulta oggi indispensabile per vincere le sfide quotidiane in modo efficace ed in minor tempo.

Nel corso della conferenza abbiamo sia creato contatti con spettatori e relatori interessati al nostro tipo di soluzione, sia trovato spunti interessanti dai lavori proposti dagli altri relatori: in futuro parteciperemo attivamente a questo tipo di eventi con lo scopo fondamentale di diffondere l’utilizzo della nostra metodologia di modellazione nelle attività pratiche quotidiane e, allo stesso tempo, di promuovere la sua integrazione con le altre tipologie di simulazione applicate ai casi specifici.

SmartFluidPower @Cambiamenti 2021

possibile! poster

‘Perché un’impresa è fondata sul coraggio e la capacità delle persone e ha bisogno di essere premiata’

Questo lo slogan di ‘Cambiamenti 2021 – Premio al pensiero innovativo delle nuove imprese italiane’, a cui abbiamo partecipato con SmartFluidPower. Il concorso ha l’obiettivo di scoprire, premiare e sostenere le migliori imprese italiane nate negli ultimi 4 anni (dopo il 1° gennaio 2017) che hanno saputo riscoprire le tradizioni, promuovere il proprio territorio e la comunità, innovare prodotti e processi e costruire il futuro. Cambiamenti 2021 ha l’obiettivo di riconoscere il merito e offrire occasioni di confronto e visibilità a quelle imprese che con la loro attività rappresentano ogni giorno il meglio dell’Italia e rendono il Paese competitivo.

Ci siamo candidati con SmartFluidPower con l’obiettivo di allargare la nostra rete di contatti e di conoscere le altre realtà innovative nate negli ultimi anni sul territorio. Tra le 1026 candidature di neo-imprese a livello nazionale e circa 150 nella sola provincia di Modena, siamo arrivati tra le prime 10 della selezione regionale e abbiamo avuto l’occasione di esporre il nostro progetto davanti alla giuria e agli altri partecipanti.

Attraverso il nostro elevator pitch ci siamo focalizzati sui problemi diffusi nella progettazione di sistemi e componenti fluid power all’interno delle PMI e sulla soluzione da noi proposta, fondata sulla prototipazione virtuale da affiancare alla classica progettazione quotidiana. Con l’integrazione di questa metodologia è possibile non solo incrementare radicalmente l’efficienza dei processi di prototipazione e ri-progettazione, ma anche aumentare la consapevolezza su tutti i dettagli dei fenomeni che avvengono nei sistemi progettati (e che spesso non sono accessibili per la misurazione sperimentale). 

L’evento ha mostrato i progetti innovativi di imprese appartenenti agli ambiti più variegati, tra cui hanno fatto da traino gli argomenti riguardo l’efficienza energetica e il campo biomedicale. Il nostro progetto fornisce una soluzione efficiente ed innovativa rivolta principalmente alle PMI che lavorano nel mondo del fluid power e, visto il grande numero di questo tipo di aziende sul territorio regionale, si è ben integrato nel panorama delle imprese presenti, delle caratteristiche della giuria e dell’evento in genere. 

Il premio è stato promosso da CNA (Confederazione Nazionale dell’Artigianato e della Piccola e Media Impresa) che garantisce servizi, consulenze e informazioni alle piccole imprese in tutte le province italiane. È proprio da esponenti provenienti di CNA Modena che, a seguito dell’evento, siamo stati contattati e coinvolti all’interno del progetto ‘Hub 4.0’ che si inserisce all’interno di un piano regionale a cui hanno aderito tutte le Confederazioni dell’Emilia-Romagna. Il progetto ha lo scopo di rilanciare l’innovazione nelle imprese partecipanti attraverso la diffusione delle tecnologie che portano a processi più flessibili e veloci con un aumento di produttività e qualità: il nostro obiettivo in particolare sarà di sfruttare le molteplici opportunità offerte dagli incentivi previsti in questa direzione e utilizzare la rete di contatti che si costituirà per favorire la crescita di SmartFluidPower sul mercato regionale e nazionale.