Illustriamo brevemente quali sono i principali programmi di progettazione open source che possono essere utilizzati in uno studio di progettazione o in un ufficio tecnico.
di Carlo Augusto Pasquinucci
Installazione e uso di Linux
Innanzitutto, bisogna considerare il fatto che tutti i programmi open source nascono per poter girare in ambiente Linux. Per fortuna, la maggioranza di essi ha anche una versione ottimizzata per poter essere usata in ambiente Windows. In alternativa, è sempre possibile installare l’ambiente Linux anche all’interno di Windows 10 e successivi. Un’ulteriore possibilità è quella di utilizzarli in un ambiente Linux su cloud di una ditta esterna, pagando le ore di utilizzo in cambio dell’onere dell’installazione, mantenimento e aggiornamento del software.
Un’altra peculiarità dei programmi opensource è il fatto che è possibile modificare il codice sorgente e rilasciare quindi una versione differente del software. Per questo, esistono numerosi programmi simili tra di loro ed è quindi necessario inizialmente studiare le diverse versioni e comprendere qual è la migliore per le proprie esigenze. Per fortuna, essendo le differenze molto piccole, non è difficile migrare da una all’altra. Per esempio, esistono almeno 3 versioni principali di “openFOAM” e due diverse di “Python”, tutte molto simili tra di loro e nella maggior parte dei casi perfettamente compatibili, ma ciascuna ha comunque alcune piccole specificità che la differenziano dalle altre.
Inoltre, essendo sempre possibile leggere anche i file di output di un programma e allo stesso tempo scrivere i file di input di un altro nel formato corretto, è relativamente facile creare della API (application programming interface, in italiano “interfaccia di programmazione di una applicazione”) e integrare o anche solo “far parlare” tra di loro due o più software. Per esempio, esiste la possibilità di usare il programma FEM “CodeAster” stand-alone, oppure integrato in “FreeCAD” o in “Salome-Meca”.
LibreOffice e openOffice
I programmi più utilizzati in un ufficio tecnico o di progettazione, paradossalmente, non sono grandi software costosi, ma la suite Office. In questo caso, esistono due alternative più utilizzate: “LibreOffice” e “OpenOffice”. Ovviamente, i file creati in Office sono quasi completamente utilizzabili nelle altre due suite e viceversa, ma, bisogna anche dire che, in questo caso, i programmi commerciali sono sicuramente più user-friendly e con più funzionalità.
Programmi CAD
Per quando riguarda il mondo CAD, esistono una vasta scelta di soluzioni alternative gratuite ai più costosi “SolidWorks” e similari. Il più famoso e utilizzato è sicuramente “FreeCAd”. È un programma di disegno 3D completamente parametrico. Oltre alle classiche funzionalità di disegno, è anche un programma ricco di funzionalità aggiuntive, a partire dai classici add-on per le simulazioni FEM e CFD, fino a quelli che possono essere utili per disegnare componenti particolari, come ali di aerei o lenti ottiche. Come SolidWorks, esso ha una grande libreria di oggetti normati, come viti, bulloni, ruote dentate, già disponibili in maniera parametrica. Ovviamente, è possibile importare ed esportare i disegni 3D nei classici formati standard: STEP, STL, OBJ, etc.
Un altro programma che può essere utilizzato per effettuare dei disegni 3D non parametrici è “Blender”. In realtà, esso nasce come software per il rendering e si può ormai ritenere allo stesso livello del corrispettivo commerciale “Maya”. Non essendo parametrico, non risulta particolarmente semplice modellare direttamente su questo software per progettisti abituati ad altri CAD commerciali, ma siccome come “FreeCad”, esso incorpora diverse funzionalità, tra cui, appunto, la possibilità di effettuare simulazioni CFD e FEM, può essere usato per importare la geometria su cui effettuare questi calcoli.
Programmi per analisi fluidodinamiche
In particolar modo, esso è facilmente accoppiabile con il software per le simulazioni di combustione “FDS”, acronimo di Fire Dynamic Simulator, prodotto dal National Institute of Standards and Technology del Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Esso è un programma appunto per la simulazione della diffusione del calore e degli incendi, utilizzato soprattutto per la progettazione di ambienti chiusi e dove ovviamente c’è rischio di incendio, come per esempio garage o magazzini industriali di sotccaggio di sostanza infiammabili. La maggiore difficoltà nell’uso di questo programma era la creazione della geometria, che doveva essere il più possibile squadrata. Adesso, con la sua implementazione in un software CAD 3D come Blender, risulta molto più semplice disegnare anche locali di forma più complessa e con più dettagli.
Un altro esempio di programma che fornisce ottimi risultati in uno specifico settore piuttosto limitato è “QBlade”, inizialmente sviluppato dall’Università Tecnica di Berlino. Esso è un software dedicato alla progettazione di turbine inizialmente solo ad asse orizzontale, poi le sue funzionalità sono state estese anche a quelle ad asse verticale. Inserendo i dati principali della forma della turbina eolica, il programma calcola il suo rendimento nel corso di un determinato periodo di tempo in una località ben precisa. Inoltre, fornisce anche diversi grafici che permettono la progettazione della geometria ottimizzata.
Sempre in ambito CFD, “COOLFluid” (Computational Object-Oriented Libraries for Fluid Dynamics) è un software iperspecialistico, sviluppato dal Von Karman Institute for Fluid e dal KU Leuven Center for mathematical Plasma Atrophysics per le simulazioni del moto di plasmi o particolari fluidi.
Come mostrano i casi precedenti, spessi i software opensource nascono all’interno di università o centri di ricerca, utilizzando le conoscenze dei professori e il tempo e le capacità di dottorandi o tesisti, e per tanto, non sono soggetti alle leggi del mercato ma solo all’interesse dei volontari. Per questo motivo, spesso hanno dei campi di utilizzo piuttosto specialistici e limitati, non coperti da altri programmi commerciali perché non commercialmente interessanti.
Al contrario, vi sono anche software di simulazione fluidodinamica piuttosto generalisti, come ad esempio i due software “openFOAM” e “SU2”. Il primo risulta essere più usato e più generalista, il secondo, più specializzato in aerodinamica esterna e flussi comprimibili. Ci sono due versioni più diffuse di “openFOAM”, quella denominata con l’anno di rilascio con quattro cifre (ad esempio, l’ultima versione si chiama “v2022”) e quella con il solo numero della versione in ordine progressivo (l’ultima è la “v10”, che ha sostituito la “v9”). Esiste poi una versione con più funzionalità, ma meno robusta, la cosiddetta “openFOAM Extended” e una più semplice e di più facile installazione, chiamata “freeFOAM”.
Programmi per analisi strutturali
Per quanto riguarda la simulazione strutturale, invece, vi sono numerosi programmi differenti, con i più usati e strutturati “Calculix” e “CodeAster”. Il primo risulta di più facile acquisizione, mentre il secondo richiede una curva di apprendimento più ripida, ma offre una flessibilità maggiore, soprattutto su casi più complessi. Il primo può essere paragonato al software commerciale “Abaqus”, per il fatto di ricevere i dati di input attraverso un file di comando. Altri programmi, meno diffusi, ma altrettanto validi, sono per esempio “Fenics Project” e “FreeFem”.
Programmi per postprocessing, analisi dati e ottimizzazione
Un altro ambito che sta entrando di prepotenza negli studi di progettazione è quello dell’analisi dati e ottimizzazione. In questo ramo, non si può non citare il software di postprocessing “Paraview”. Esso è appunto un software nato per visualizzare i risultati delle simulazioni e effettuare un’analisi dei dati piuttosto approfondita, sia con metodo qualitativi che quantitativi. Esso può importare direttamente i risultati delle simulazioni dei software più comunemente usati, oltre ad avere la flessibilità per poter leggere qualsiasi tipo di file non criptato. La sua caratteristica principale è quella di poter effettuare il postprcessing distribuendo il lavoro in parallelo su diversi cores. Per questo, è il migliore software per analizzare simulazioni con centinaia o migliaia di milioni di celle. Allo stesso tempo, può comunque essere utilizzato su qualsiasi computer. È un po’ il parallelo opensource di “Ensight”, anche se più molto più ricco di funzionalità. Per quanto riguarda l’ottimizzazione vera e propria, il migliore programma opensource è sicuramente Dakota, prodotto dai Sandia National Laboratories, dipendenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Questo software permette di manipolare i risultati delle simulazioni per ottenere il progetto con la geometria migliore. Oltre ai più utilizzati algoritmi di esplorazione (DoE), esso contiene diverse decine di algoritmi di ottimizzazione. Il suo corrispettivo commerciale può essere ritrovato in ModeFRONTIER. Sicuramente il primo offre una maggiore flessibilità, a scapito di una interfaccia grafica ancora poco sviluppata.
Principali piattaforme per progettazione integrata
Per poter collegare i diversi programmi tra di loro, sono state ideate e sviluppate diverse piattaforme. Le più diffuse sono “InsightCAE”, “Salome Meca” o lo stesso “FreeCAD”, già citato all’inizio di questo articolo. Lo scopo di questi software è quello di collegare in un unico ambiente i diversi stadi del progetto, dal disegno CAD e il meshing, fino al posprocessing e l’analisi dati, utilizzando appunto i vari software già citati, semplificando quindi il passaggio dei dati fra i vari programmi. Inoltre, in questo modo, è possibile avere delle interfacce grafiche per i software, come openFAOM, che ne sono privi. Per fare un parallelo col mondo commerciale, sono software simili al Workbench di Ansys, anche se non presentano ancora un sistema grafico all’altezza del competitor.
Conclusione
Una volta compreso quale software potrebbe esserci utile nel nostro studio di progettazione o ufficio tecnico, per poterlo installare, conviene accedere al sito ufficiale della community, dove normalmente, sono presenti tre versioni: il codice per Linux da compilare, quello sempre per Linux già compilato e l’eseguibile per Windows. La maggior parte dei software ha poi anche una pagina su gitHub da dove si può eventualmente effettuare il download del software. Normalmente, poi, sono presenti anche dei forum e delle pagine di supporto dedicate in caso di problemi durante l’installazione. In questi siti, sono poi presenti diverse guide e tutorial guidati per cominciare a muovere i primi passi. In alternativa, ovviamente, è sempre possibile utilizzare le migliaia di video su youtube.
Adesso avete tutte le conoscenze fondamentali per poter entrare nel mondo opensource e effettivamente vedere se può essere utile a ridurre i costi delle licenze della vostra azienda o a migliorane la produttività.
