Nella risoluzione dei problemi complessi che possono capitare nella progettazione meccanica e non solo, un approccio metodologico fondamentale è il "Building Block Approach" o "Metodo del Blocco di Costruzione".
Questa metodologia si basa sulla suddivisione di un problema complesso in parti più gestibili, ovvero "blocchi di costruzione", che possono essere affrontati in modo indipendente. L'idea alla base di questo approccio è quella di semplificare la complessità generale suddividendo il problema in componenti più piccole, risolvibili e interconnesse.
Principi Fondamentali del Building Block Approach
Il Building Block Approach è guidato da alcuni principi chiave che lo rendono un metodo efficace per affrontare problemi complessi:
Scomposizione del Problema: Il primo passo del Building Block Approach consiste nella scomposizione del problema complesso in sottoproblemi più piccoli e gestibili. Questa suddivisione può avvenire in modo gerarchico, creando livelli di complessità via via più bassi, e può essere continuata fino a ottenere componenti elementari che possono essere risolte facilmente. La scomposizione consente agli esperti di concentrarsi su parti specifiche del problema senza essere sopraffatti dalla sua vastità.
Modularità e Interconnessione: I blocchi di costruzione ottenuti dalla scomposizione devono essere progettati con un alto grado di modularità e interconnessione. La modularità permette di trattare ciascun blocco come un'entità indipendente, semplificando lo sviluppo e il testing. Allo stesso tempo, l'interconnessione garantisce che i blocchi possano lavorare insieme in modo armonioso, creando una soluzione integrata e completa.
Costruzione Iterativa: Il Building Block Approach prevede una costruzione iterativa, in cui ciascun blocco viene sviluppato, testato e perfezionato singolarmente, prima di passare alla combinazione dei blocchi successivi. Questa iterazione consente di identificare e correggere eventuali problemi man mano che si procede nello sviluppo, riducendo così i rischi e ottimizzando l'efficienza complessiva.
Valutazione delle Prestazioni: Durante lo sviluppo dei blocchi di costruzione, è essenziale valutare le prestazioni di ciascun componente. Questa valutazione permette di identificare eventuali limitazioni o inefficienze, al fine di apportare miglioramenti mirati. La valutazione continua è una parte essenziale del processo di ottimizzazione, che mira a raggiungere soluzioni sempre più efficaci ed efficienti.
Applicazioni del Building Block Approach
Il Building Block Approach trova numerose applicazioni in diversi campi, tra cui:
Ingegneria del Software: Nell'ambito dell'ingegneria del software, questo approccio è utilizzato per progettare e sviluppare software complessi. I programmatori suddividono i requisiti del sistema in sottocomponenti, creando funzioni modulari che possono essere sviluppate indipendentemente e poi integrate per formare il prodotto finale.
Progettazione di Circuiti Elettronici: Nell'elettronica, il Building Block Approach è utilizzato per progettare circuiti complessi. I progettisti dividono il circuito in blocchi funzionali (ad esempio, amplificatori, filtri, oscillatori) e poi li combinano per realizzare il sistema elettronico completo.
Ricerca Scientifica: Nella ricerca scientifica, questo approccio è utile per risolvere problemi complessi. I ricercatori suddividono gli esperimenti in sottoesperimenti, che possono essere affrontati uno alla volta, permettendo una comprensione progressiva del fenomeno studiato.
Vantaggi e Sfide del Building Block Approach
Vantaggi:
Gestione della Complessità: L'approccio semplifica la risoluzione di problemi complessi, consentendo un'analisi più dettagliata e specifica di ciascun blocco di costruzione.
Parallelismo: I diversi blocchi di costruzione possono essere sviluppati contemporaneamente da team indipendenti, accelerando il processo di sviluppo complessivo.
Riuso: I blocchi di costruzione ben progettati possono essere riutilizzati in altri contesti, risparmiando tempo e sforzi nelle future implementazioni.
Sfide:
Coordinazione: Garantire una corretta interconnessione tra i blocchi di costruzione può essere complesso e richiedere una stretta coordinazione tra i team di sviluppo.
Identificazione dei Blocchi Chiave: Identificare la giusta suddivisione dei problemi in blocchi di costruzione può essere una sfida, poiché una cattiva scomposizione potrebbe portare a soluzioni inefficaci.
Ma come si applica tutto questo al mondo della simulazione numerica?
Facciamo un esempio di progettazione meccanica tramite materiali compositi. Il problema di è la simulazione della configurazione di carico. Sappiamo che Il comportamento di un prodotto può essere analizzato in due diversi modi:
Testing: si sottopone il prodotto ad una serie di test per valutare le diverse risposte;
Simulazione: si simula il comportamento del componente nelle diverse configurazioni di carico.
E' facilmente intuibile come, al crescere della complessità dell'oggetto da testare (vuoi perchè è costiutito da diversi assiemi, vuoi perchè le condizioni di carico cominciano ad essere difficilmente ripetibili in laboratorio, vuoi perchè la costruzione dell'oggetto in scala 1 a 1 è particolarmente onerosa sia in termini di tempo che in termini di costo), diminuiscano il numero di test aumentando il numero di simulazioni.
In questo schema, il blocco elementale è quello costituito dalle caratteristiche meccaniche del materiale da utilizzare.
Lo schema si può schematizzare come segue:
Per calcolare queste caratteristiche, si sottopone il materiale ad un numero elevato di test e ad un numero molto limitato di simulazioni, che servono solo per poter validare il modello numerico di comportamento.
Determinate le caratteristiche di risposta del materiale, si passa all'analisi dei singoli sottocomponenti e componenti. In questo step il numero di test comincia a diminuire drasticamente lasciando più spazio alla simulazione numerica.
Quando si arriva alla verifica del prodotto finale, il numero di test sarà ridotto a praticamente uno / due a dimensione reale, ma saranno effettuate un numero praticamente infinito di simulazioni.
Si può comprendere come l'utilizzo di questo approccio nella progettazione affiancata dal calcolo porti ad un risparmio considerevole di capitale e tempo.
Ma come si decide di passare al livello successivo?
Per poter passare al livello successivo del blocco, si deve seguire un algoritmo rigoroso, in cui la conferma è data quando test e analisi sono in accordo.
Questo serve per avere la certezza matematica che i comportamenti che si danno per scontato nello step successivo sono esatti al 100% e non si ha possibilità di errore.
Come si vede dall'immagine, l'algoritmo ha diversi momenti in cui si effettua un check e se il risultato del check è negativo, si deve ritornare al punto precedente.
E se cambia un dato iniziale o del blocco precedente?
In questo caso è importante ricominciare dal punto di partenza, anche se questo è praticamente all'inizio. Se ad esempio state progettando una struttura in acciaio e all'improvviso vi cambiano il materiale facendolo diventare alluminio, continuate cambiando solamente materiale oppure ritornate indietro cambiando anche le modalità di collegamento?
In conclusione il Building Block Approach è una metodologia potente per affrontare problemi complessi in diversi campi.
Scomponendo i problemi in blocchi di costruzione, con alta modularità e interconnessione, si possono affrontare le sfide in modo più sistematico ed efficace.
Questo approccio favorisce l'innovazione, il progresso e il raggiungimento di soluzioni ottimizzate.
Quindi, nella prossima volta che ti troverai di fronte a un problema complesso, ricorda di adottare il Building Block Approach, dividendo il problema in parti gestibili.
Ing. Francesco Grispo
fgcaeanalyst@gmail.com
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