di Raffaello De Masi

Ho deciso di far fuorimia suocera. Perché, mi chiederete,stupiti che io possa covare tali propositiper un rappresentante di una razza tan-to angelica? Beh, pensate alla vostraclonata per quattro o cinque volte, etroverete rapidamente i motivi. Avetepresente un litodomo, quei molluschiche si scavano la casa nella pietra aguisa di trapano e, una volta insediati,non li scaccia di lì neppure il bradisismodi Pozzuoli? Quando mia suocera arrivaa casa mia per una visitina di piacere,poi, per strapparla dalla poltrona e met-terla alla porta, ci vogliono i caterpillardel terremoto dell'lrpinia guidati daibuttafuori di un night di Portofino.

E così ho pensato di eliminarla. Vele-no no, sovente porta a complicazioni

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del basso ventre e mi seccherebbe sesi macchiassero i tappeti del salotto.Stesso discorso per una revolverata ouna pugnalata alle spalle; schiattosacom 'è, sarebbe capace di schizzarmi ilsangue sulla tappezzeria, che mi è co-stata un occhio della testa. Non possoneppure sperare nella fortuna, onell'aiuto della natura; un paio d'annifa, fu ricoverata in ospedale e il medi-co, anche in considerazione della suaetà (più di ottanta anni) ci diede pochesperanze (a me molte speranze, quan-do si dice il modo di guardare afle co-se). Fosse stata anche una sola, disperanza, lei è riuscita ad acchiapparlaal volo, e già dopo una settimana eraritornata più massiccia e inarrestabiledi un TlR in corsa. Si dice che a una

certa età marito e moglie divengonocomplementi indissolubili l'uno dell'al-tro, pronti a seguirsi dappertutto; inve-ce, dopo la morte di mio suocero, LaVecchia ha pensato bene non solo dinon seguirlo, ma è rifiorita, con unospirito del comando rinnovato e capacedi far impallidire un sergentacciodell'esercito. E quando arriva a casamia riprende l'operazione OesertStorm, con me, puntualmente, dallaparte degli Iracheni.

Beh, ho deciso di farla finita una vol-ta per tutte; abito al terzo piano e,usando dell'acido, ho abilmente corro-so la base della ringhiera della terrazza;nei prossimi giorni dovrebbe esserciun gran caldo. Se l'invito, ho pensato,lei andrà in terrazza a prendere un po'

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Working Model 3D 3.0 --...:Provo~.

Iworking Model 3D 3.0ci, WM crea un ambiente virtuale incui oggetti, dotati di proprie caratteri-stiche di forma, peso, resilienza, ela-sticità, densità e così via, interagisco-no tra loro spinti da forze stabilitedall'utente, simulando defo~mazioni,movimenti reciproci, azioni compIes-se. L'elaborazione può essere tantosemplice come l'effetto di una pallinache rimbalza su un piano, e tanto com-plesso come l'effetto di crash diun'automobile, con tanto di pilota, ba-gaglio, oggetti liberi e vincolati, lamie-re più o meno deformabili contro unostacolo.

Già detto così, appare evidente co-me l'ambiente di lavoro di questo pac-chetto si trova ad affrontare modelli dicalcolo di complessità solo vagamenteimmaginabili. Ma non basta; il pac-chetto offre, oltre alla completa defini-zione dei parametri temporanei e fina-li, anche una fedele visualizzazione delcinematismo della prova, con visu.aliz-

zazione a scher-mo del "filmato",con tanto, nel ca-so dell'auto, dideformazione del-la vettura, impattodel manichino sulvolante, rotturacollasso ed even-tuale proiezionedei componenti ecosì via. Detto, in-fine, in forma didefinizione, WM èun tool di simula-zione di moto de-stinato a prevede-re o simulare si-stemi meccanicistatici e in movi-mento relativo .

•"" Working Model

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La finestra principale dicreazione del modello;si noti la ricchezza deirighe/li, destinati a fun-zioni diverse. Il ground-pane, pannello idea/esu cui appoggiano glioggetti, è anch'essopersonalizzabile in va-rio modo.

Lo splashscreen aiWorking Model.

Distributore:Lista Studio S.r.l.Via Costa 3636030 Fara VicentinoTel. 0445.300391http://www.lista.it

Produttore:Knowledge Revolution . Inc.66 Bovet Road, Suite 200San Mateo, CA 94402Tel. ++16505747777http://www.krev.com

Prezzi (IVA esclusa):Versione 30 3.0 L. 15.190.000Versione 20 5.0 L. 8.950.000E' disponibile, per studenti iscritti alla facoltà d'In-gegneria, la versione 20 4.1 Homework Edition al-la cifra simbolica di 149.000, IVA compresa. Con-tattare il distributore per accordi.

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Giusto al momento di andaremacchina, l'ing. lista di lista Studiomi ha informato che, per lo SMAU,sarà disponibile la versione 4 del pac-chetto che utilizza un nuovo algorit-mo di calcolo, completamente riscrit-to, cosa che consente un evidenteaumento delle prestazioni nel con-trollo della collisione tra più parti an-che molto complesse. Interessanteanche la disponibilità di interazioneimmediata anche con centinaia diparti in movimento. La versione 4,ancora, si dimostra più agevole e tra-sparente nell'importare disegni mec-canici da CAD esterni, e un nuovostrumento, il Constraint Navigator,permette di visualizzare e testare ivincoli uno a uno senza lanciare la si-mulazione.

Le novità complete, che riguarda-no anche l'ottimizzazione di tool giàpresenti, sono visibili visitando il sito

! del distributore.

Working Model,il pacchetto

Di questo fantastico package abbia-mo già parlato, sulle pagine della rubri-ca Mac, diversi anni fa. Era la versionel, esisteva solo per Macintosh, e, giàallora, faceva cose mirabili, pur essen-do ristretto nel campo delle due di-mensioni. Oggi è la volta della versio-ne 3D, presente solo su piattaformaWindows (su Mac è rimasta la versio-ne 2D, evoluzione della precedente) eche rappresenta, rispetto al pacchettodi allora, una evoluzione, tanto avanza-ta da rendere la precedente versionequasi una trappola d'altri tempi.

Ma cosa è, effettivamente, WorkingModel. Si tratta del più sofisticato pac-chetto di prototipazione virtuale oggiesistente in ambiente personal, capa-ce di simulare condizioni ambientalidestinate ad evolversi nel tempo, inun ambiente cinematico i cui parame-tri iniziali ed evolutivi sono configuratidall'utente. Detta in parole più sempli-

di fresco, si appoggerà e.. amen (de-vo solo ricordarmi di togliere la macchi-na di sotto, peccato se dovesse farsiqualche graffietto)I Ebbene, miei carilettori, mi potrete obiettare che, con laresistenza che ha dimostrato finora,potrebbe anche sopravvivere; e inveceno, ho previsto tutto, anche la traietto-ria, l'impatto al suolo, e le relative con-seguenze. Altrimenti, a che cosa ser-vono i computer? E per fare tutto que-sto ho usato Working Model.

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3D è distribuito in forma di solo CD,accompagnato da due manuali (Tuto-riai Guide e Reference Manual), ed èdotato di chiave hardware contro lacopiatura (la chiave abilita le funzionidi salvataggio e stampa). Per il corret-to funzionamento è necessario unamacchina basata su Pentium (minimo90 MHz), Windows 95 o NT4, 32 Mbdi RAM disponibile, scheda video ca-pace di almeno 256 colori, 84 Mb dispazio su HO e un CD-ROM driver. Ri-cordiamo che Working Model offre treambienti di collegamento per Auto-CAD R14, Solide Edge e SolidWork,che, ovviamente, è necessario sianopresenti sul sistema per poter essereinterfacciati (per AutoCad R14 è ne-cessario sia installato Mechanical de-sktop 2.0, fornito nell'ultima releaseAutoCad). Infine WM 3D gira anche sunetwork, a patto di disporre delle ne-cessarie licenze d'uso.

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caso di WM. Perciò impariamo a cono-scerlo con un esempio.

Per fare la prima conoscenza dell'am-biente, il manuale di tutorial consiglia dipartire da un esercizio semplice, ma ca-pace di illustrare le funzioni fondamen-tali del programma. Simuleremo quindi

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Un esempio di gestio-ne di un oggetto, inquesto caso un pisto-ne. Si noti come pos-sano essere visualizza-ti numerosi parametri,specifici dell'oggettostudiato, e come adesso sia possibile ap-plicare un motore, nel-le forme già prestabili-te dal programma.

Se è vero che un ambiente, virtuale oreale che sia, lo si impara a conoscereusandolo, questo è ancora più vero nel

Usando WorkingModel3D

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Il setup delle unità di misura e delle regolazioni; le prime sono ampiamente customizzabili, e si notano, tra queste, addirittura le unità astronomiche.

200 MCmicrocomputer n. 188 - ottobre 1998

La seconda fase del nostro lavoro èrappresentata dal posizionamentodell'oggetto. Questo può essere edita-to facendo doppio c1ic su di esso, e leg-gendo, in una finestra che apparirà, lesue caratteristiche dimensionali e posi-zionali. Occorre notare che il cilindropuò essere spostato semplicementeselezionandolo e trascinandolo, ma l'ac-cesso a questa finestra offre un am-biente di editing dei parametri davveroaccurato e preciso. E' possibile, infatti,definire esattamente tutte le caratteri-stiche dell'oggetto, còntrollandone l'ap-parenza, la geometria e la posizione, larotazione, la velocità di caduta, la costi-tuzione fisica, ecc. Ma avremo modo diparlarne tra poco; potrebbe essere in-vece interessante orientare la monetafacendola cadere sul piano con uno spi-golo. Questo si ottiene intervenendosui campi di una delle finestre prece-denti, facendo ruotare l'oggetto secon-do i tre assi (anche se, ovviamente, perun cilindro ha poco senso, sulla dinami-ca dell'impatto, regolare l'inclinazione dipiù di un piano). Le dimensioni visibilipossono essere dimensionate attraver-so uno zoom (utile quando la dinamicadel movimento porta fuori campo l'og-

getto stesso); occorre poi definire il pia-no di impatto che, anch'esso, può es-sere gestito, in termini di parametri,dalla stessa finestra precedentementedescritta.

WM è basato su due principali am-bienti di simulazione, in cui gli oggettipossono o no collidere tra loro (atten-zione, i due ambienti sono integrabili traloro, nel senso che alcuni degli oggettipossono urtarsi tra loro e altri no). Que-sta differenziazione, che a prima vistapuò sembrare inutilmente ridondante,ha la sua ragion d'essere appena si tie-ne conto che gli oggetti della simulazio-ne possono comprendere anche fluidi(ad esempio moneta e piano immersi inacqua). Siamo giunti così alla fine diquesta semplicissima simulazione. Silancia" Run" e il sistema monitoreràl'evento, con la moneta che cade, urtala tavola e rimbalza più volte. Il tuttoviene registrato in un filmato, il cuiscorrere è evidenziato da un contatoredi fotogrammi e da un sistema di cro-nometraggio (la ripresa, a meno di unascelta precisa da parte dell'operatore, sifermerà automaticamente quando tuttigli oggetti saranno fermi). E, tocco fina-le con relativa ciliegina, ecco la possibi-lità, se la simulazione soddisfa le nostreesigenze, di applicare un rendering piùraffinato ai nostri oggetti, aggiungendoeventualmente anche le relative ombre.Il file può essere salvato, sotto forma didati-filmato, in formato WM (necessarioper poter, eventualmente, portare mo-difiche al progetto); ma, nel caso poi ladimostrazione dovesse essere utilizza-bile su una macchina che non disponedel pacchetto (immaginiamo una provadi crash, da distribuire alle concessiona-rie di una fabbrica di automobili) si puòesportare il file in formato AVI, per po-ter essere usato su qualunque macchi-na Windows.

Un esempio di creazio-ne di un vincolo; inte-ressanti i tipi di giuntoproposti.

la caduta di una moneta su un piano,imparando a gestire tutta l:animazione,e ad analizzare i movimenti del modellousando vettori per conoscere, in ognimomento, i parametri in gioco. Lancian-do Working Model, si apre una finestra'che ne contiene tre, una dedicata aglioggetti, una alle connessioni stesse euna che è la vera e propria finestra di vi-sualizzazione e prototipazione. Questaconterrà, già predefinito, un sistema diassi cartesiani tridimensionale; se lo sipreferisce, è possibile visualizzare lagriglia del piano X-Y.

E' arrivato il momento di costruire lamoneta. Il righello superiore presentauna serie di icone-pulsanti, che, tra l'al-tro, offrono diverse forme solide giàpredisposte. Schiacciamo il cilindro e,nella finestra di editing, "draghiamo l'in-gombro della moneta utilizzando il clicdel mouse per definire la prima volta ildiametro e la seconda volta l'altezza delcilindro stesso. Il cilindro appena realiz-zato che, in ossequio alle consuetudinicorrenti nel CAD, apparirà realizzato informato "fil di ferro", avrà un altro si-stema di coordinate cartesiane, locali,con origine nel centro di simmetriadell' oggetto.

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Dalla rappresentazione grafica a quella numerica; tutti i valori possono essere salvati in formato testo. per una più accurata analisi dei dati.

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Working Model 3D 3.0

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Complicando un po' lecose ...

Mah, in fondo una moneta che cadesu un piano non è poi grandissima co-sa. Vediamo di complicare il problema,applicando il programma a qualcosa dipiù professionale, magari attinente al ti-po di lavoro che è chiamato a eseguire.Non vi pare magari logico simulare ilcomportamento di un pistone di moto-re endotermico, con tanto di biella e al-bero a gomiti? Beh, vediamo come sifa.

Il problema può essere, in buona so-stanza, diviso in due parti. La prima ri-guarda la costruzione del modello, laseconda interessa il cinematismo e leforze che lo determinano e lo alimenta-no; in altri termini studio del meccani-smo in forma statica e dinamica. Sem-brerebbe un problema complesso, e in-vece date un'occhiata a come è possi-bile, con una tecnica che, mutuando un

202

Alcuni esempi tratti dal-le fìbrerie fornite colpacchetto.

vecchio gergo daprogrammatore,potremmo chiama-re top-down, af-frontare il proble-ma risolvendolo inmodo elegante e,tutto sommato, in-tuitivo.

Cominciamo conla realizzazione delmeccanismo. Il

,-:.,. •• modello che inten-,." diamo costruire è

rappresentato daun complesso pi-

stone, biella, albero a gomiti legati traloro da vincoli e sottoposti a determina-te forze. Cominceremo con lo sceglierele unità di misura (un menu apposito cimette a disposizione i set più diffusi,salvo creare un nostro gruppo persona-lizzato); seguirà la costruzione del pisto-ne, con la già usata tecnica del cilindro,poi quella della biella e quella dell'albe-ro a gomiti. Questi pezzi andranno poiasse mb lati tra loro e ad essi si asse-gneranno dei vincoli di funzionamento(es. moto alternato rettilineo per il pi-stone e il relativo occhio, moto rotatorioper albero a gomiti e occhio di biella, ecosì via). Ogni pezzo e ogni punto di es-si può essere dotato di caratteristicheparticolari (quelle già viste, come peso,tipo di materiale, attrito e così via) e, adogni connessione, essere assegnatauna caratteristica (ad esempio giuntosferico, giunto rigido, giunto di rotazio-ne semplice, legamento cardanico e co-sì via; niente paura, i giunti e le relativecaratteristiche meccaniche sono già di-

sponibili in una libreria ad hoc, ricca diparticolari e customizzabile al massi-mo). Infine, il vero tocco di classe; sequesta costruzione rimanesse cosìcom'è il pistone farebbe ruota re, perpeso proprio, l'albero a gomiti fino alpunto morto inferiore e si fermerebbe.Occorre quindi imporre l'azione di unmotore, che interviene, con un vettore,sulla testa del pistone in un momentoben determinato e con una spinta pre-stabilita. Un clic sul solito comandoRUN ed ecco il nostro motore monoci-lindrico in funzione (salvo poi a costruir-ci un dodici cilindri degno della miglioretradizione di Maranello).

Alla ricerca dellasimulazionemeccanica piùavanzata

Il concetto operativo di Working Mo-del 3D si basa sull'assunto di trasfor-mare il mondo reale della meccanicanewtoniana in una perfetta simulazioneal computer, il tutto attraverso una in-terfaccia utente grafica tanto semplicee accattivante da consentire la creazio-ne di modelli virtuali quanto si vuolecomplessi senza eccessivo impegno. Ilprincipio animatore di WM è semplice;definire un set di corpi dotati di rigiditàe di vincoli di diverso genere e deter-minare, visivar(lente e numericamente,la loro interazione. Ancora in più, WMpuò adottare modelli importati da un al-tro programma CAD, adattandolo allasua simulazione.

Il motore di simulazione di WM 3D èrealizzato per accoppiare velocità e ac-curatezza, calcolando l'interazione dioggetti in movimento attraverso sofi-

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Working Model 3D 3.0Provo

"---

~ due dIversi 5CCOter', che >w:~gial"lo~lIiISU'SA velociti, vengono frenati con /I freno ~nteriore 8 ccm uquale coppi.tofrenMrt.e. Il v-.oolo oon KlSpe1"lSIOne antenore ~t,-d,..,.(v~) mMrtiene l'anetto mentre. 'vecoto con ~ foroett.(blU) .mila. ImIt. eli rolftt~o.

La home page di Know-/edge Revo/ution.

Un esempio di utilizza-zione del package nellasimulazione di una so-spensione di un motor-scooter.

~ ...

Working Model 3D è un fantasticoambiente di simulazione del comporta-mento di corpi dotati di proprie caratte-ristiche e sottoposti a vincoli. Dotato diun manuale eccellente, ormai ben te-stato da una presenza sul mercato qua-si decennale, offre un ambiente di lavo-ro e una interfaccia semplice da usare,amichevole, facile ad apprendere e do-tata di una velocità, anche su macchinenon al top delle prestazioni, che non cisaremmo aspettati da un pacchetto ca-pace di manipolare dati e interazioni so-vente molto complessi. Non a caso unabrochure che accompagna il pacchettomostra come questo programma siastato utilizzato dall'Università di Padovanell'assistenza offerta alla Aprilia duran-te la progettazione del telaio delle suemoto. Se con la suocera avrò buoni ri-sultati, su questa brochure ci sarò an-ch'io.

è dotato di ampiepossibilità discambio dati (spe-cialmènte nei con-fronti dei CAD) epermette di ese-g u i re re nd e ri ng, <cc<> un eson'iI'0 ~ simul"""", con wo"'''. Modo!:

rappresentazionee visualizzazionedinamica del pro-cesso completo.

Uno dei pezziforti del pacchettoè, senza ombra didubbio, il manualedi riferimento. Inesso praticamentenulla è dato perscontato e anchese leggerlo richie-de un minimo diconoscenze di fisi-ca (e in particolare di meccanica) rag- Conclusionigiungere livelli di realizzazione di mo-delli abbastanza complessi è cosa dipochi giorni di applicazione. La tecnicadi assemblaggio di corpi complessi,prevedibilmente non certo patrimoniodell'utente comune, guida passo pas-so in maniera accurata e sempre chia-ra; ma quello che davvero rappresentaun tesoro di gran valore è l'insiemedelle librerie di tool, materiali, oggettigià definiti, che permette di snellire la-vori basati su simulazioni coinvolgentiparti standard. Una volta che la simula-zione è stata completata essa può es-sere conservata completamente, in-tendendo con questo non solo il salva-taggio del filmato, ma anche di tutti iparametri intervenuti nella simulazionee nel suo sviluppo. Queste misurepossono essere graficizzate in dia-grammi ad hoc (si immagini la curva dicoppia di un motore), ed esportate informe diverse (es. dati per utilizzo infogli Excel).

sticate tecniche di analisi numerica. Ilsistema permette la costruzione di si-stemi complessi, calcolando il loro mo-to sotto un'ampia varietà di vincoli eforze. In aggiunta ai parametri impostidall'utente (giunti, spine, vincoli, coeffi-cienti fisici) il programma è capace diverificare l'azione di forze esterne, co-me collisione, gravità, condizioni di ca-rico eccezionali, forze istantanee epuntiformi.

Ogni oggetto è dotato di caratteristi-che proprie, come massa di elasticità,attrito, momento d'inerzia e così via. Ivincoli di rotazione includono giunti rigi-di, di rivoluzione e sferici, mentre quellilineari comprendono binari, slitte, spi-ne, piani inclinati e così via. Le pro-prietà di questi vincoli (ad esempio ilcoefficiente d'attrito) sono prelevabilida una vasta libreria, o definibili diretta-mente dall'utente in forma numerica odi equazione. Ancora, ai corpi è possi-bile applicare spinte (motori) lineari,forze torcenti, componenti del motodeterminate da altri corpi in movimen-to, e ancora di più.

L'ambiente dispone di numerose fa-cility, che semplificano spesso in ma-niera rilevante la gestione dei modelli.Ad esempio è possibile definire unpunto, in un corpo, come centro delgiunto e il programma collegherà aquesto un altro punto di giunto situatosu un altro corpo. Processi di collisio-ne, determinati da eventi configurabili,possono essere monitorati e verificatimomento per momento, così da gesti-re al meglio processi di crash di ogget-ti, prove di resilienza, comportamentopoco prevedibile di oggetti sottoposti ono a vincoli. In aggiunta l'ambiente uti-lizza le due tecniche di controllo di inte-grazione di Eulero o di Kutta-Merson,con intervalli di tempo fissi e variabili,permettendo all'utente di definire il li-vello di accuratezza e di errore della si-mulazione. Forze standard, coma quel-la di gravità, possono essere escluse ono dall'analisi, la simulazione può esse-re interrotta e ripresa in ogni momen-to, e, al contrario di quanto avviene al-trimenti, la simulazione avviene in ununico ambiente che comprende model-lazione, simulazione e analisi, senza al-cun bisogno di prevedere tecniche dipre e post-processing.

Come dicevamo, tutti i parametri in-teressanti la prova e da questa modifi-cati (tempo, velocità, accelerazione,momento, posizione, velocità e accele-razione angolare, coppia, attrito, carat-teristiche del contatto e diversi altri)sono monitorati in continuo, sono mi-surabili in base a unità di misura dei di-versi sistemi o customizzate dall'uten-te, e ogni oggetto è gesti bile attraver-so coordinate relative che possono es-sere cambiate in ogni momento. WM

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