Aerodinamica e Compositi

L’aerodinamica è una disciplina che, come tante altre, ha bisogno di un grande equilibrio. Come un abito ben confezionato, un pacchetto aerodinamico progettato in maniera intelligente deve calzare a pennello sulla monoposto sulla quale verrà installato, deve esaltarne i pregi, migliorarne il comportamento, renderla prevedibile, stabile, manovrabile. Si tratta, per esempio, di ricercare con pazienza e metodo il giusto compromesso tra la forza verso il basso e la forza di resistenza, di posizionare intelligentemente il centro di pressione rispetto al baricentro, di studiare il suo spostamento in funzione dei vari assetti che la macchina può assumere; si tratta anche di gestire la scia delle ruote, di garantire una certa portata d’aria ai radiatori, di studiare il sistema di aspirazione. L’aerodinamica va studiata sul dritto, ma va studiata anche in curva, in accelerazione, in frenata, perché è questo che la macchina farà quando raggiungerà la pista: e proprio la pista, come al solito, sarà l’unica in grado di valutare in modo inappellabile il nostro lavoro. Per questo, il processo di design all’interno del reparto Aerodinamica e Compositi si articola in 3 fasi, tutte ugualmente importanti: progettazione, simulazione, validazione.

progettazione, simulazione, validazione

Progettazione: l’ottimizzazione con MODEFrontier

Per potenziare la fase di progettazione da quest’anno abbiamo fatto ricorso a MODEFrontier, un software di ottimizzazione multi-obiettivo, dal quale si riporta una schermata significativa:

MODEFrontier

In questa schermata è riportato il workflow di ottimizzazione che abbiamo eseguito per studiare il posizionamento relativo ottimale tra la main wing e i suoi due flaps: si vede che in ingresso al nodo Solidworks, che contiene il cad “pilota”, disegnato in modo parametrico, infatti, sono presenti 6 parametri il cui intervallo di escursione è definito a priori dei quali i primi 4 fissano la posizione del bordo di attacco del primo e del secondo flap e gli ultimi 2 invece regolano la loro incidenza geometrica. Si è scelto un algoritmo di ottimizzazione genetico MOGA-II, il quale in una fase iniziale crea una tabella DOE (Design Of Experiment) studiando alcune delle possibili combinazioni tra i parametri iniziali: tali configurazioni vengono quindi trasferite in formato Parasolid all’interno del solutore Star-CCM+, il quale viene eseguito in modalità batch tramite uno script DOS e, per ogni nuova configurazione, ha il compito di importare la nuova geometria, eseguire una macro java scritta in precedenza, generare la mesh, risolvere il problema numerico ed esportare i risultati in una tabella csv. I risultati ottenuti verranno quindi collezionati all’interno dei nodi di output ai quali è associato l’obiettivo, che in questo caso era quello di massimizzare il coefficiente di dowforce e contemporaneamente minimizzare il coefficiente di resistenza. Dopo una serie di prove, l’algoritmo MOGA-II passa dalla fase di Design Of Experiments alla fase di Evoluzione, in cui raccoglie coppie tra i risultati più promettenti e le combina tra loro, generando delle configurazioni “figlie” che a tutti gli effetti hanno ereditato i “geni” più promettenti dalle configurazioni “genitori”. Attraverso questo processo, per esempio, abbiamo ottimizzato il profilo della main wing anteriore partendo da un NACA 2410 ad incidenza nulla e raggiungendo, nel rispetto dei vincoli geometrici e aerodinamici fissati a priori, la seguente configurazione:

Airfoil optimization

Simulazione: validazione del modello CFD

Un grande lavoro è stato svolto sul modello CFD che usiamo per svolgere i calcoli aerodinamici: in particolare, una grande attenzione è stata rivolta alla fase di generazione della griglia, in cui si cerca di ottenere un valore di unità di parete y+ quanto più vicino possibile rispetto a quello richiesto dal modello di turbolenza o, più in generale, dalla natura del problema che si vuole investigare. Quanto possiamo dirci soddisfatti del modello CFD che utilizziamo? Per rispondere a questa domanda abbiamo deciso di confrontare i risultati ottenuti numericamente con quelli della galleria del vento: abbiamo quindi costruito un modello stampato in PLA che replicasse in scala uno dei nostri alettoni e abbiamo organizzato una campagna di prove nella galleria del vento dell’università:

Galleria del vento

Installando in 15 punti distribuiti su dorso e ventre del profilo delle prese di pressione collegate ad un trasduttore di pressione differenziale abbiamo quindi campionato ad una frequenza di 100Hz il segnale della pressione per 3 diverse incidenze (0, 5 e 10 deg) e 3 diverse velocità (15, 20 e 25 m/s) e dopo aver studiato le sue variabili statistiche abbiamo confrontato il coefficiente di pressione ottenuto in galleria del vento con quello ottenuto attraverso la CFD sugli stessi 15 punti con risultati più che soddisfacenti, anche in configurazioni in cui il profilo era prossimo allo stallo, in cui il modello CFD si è dimostrato affidabile e ben tarato:

CFD

Validazione: calcolo delle forze aerodinamiche tramite analisi dati dei potenziometri

Con i dati raccolti in pista abbiamo costruito un modello Matlab attraverso il quale abbiamo collezionato i dati provenienti dai sensori e li abbiamo usati per il calcolo delle forze aerodinamiche. In particolare, conoscendo istante per istante l’allungamento delle molle sugli ammortizzatori, la costante elastica della molla, la costante dello smorzatore, la massa sospesa del veicolo e la sua accelerazione verticale siamo riusciti a risalire al carico aerodinamico agente su ogni ruota e, successivamente, al coefficiente di downforce, che è risultato mediamente prossimo a quello ottenuto tramite la CFD.

downforce

Simulazione: mappe aerodinamiche

Dati beccheggio

Studiando i dati sul beccheggio provenienti dalla pista abbiamo costruito delle mappe aerodinamiche per studiare meglio la risposta che ha l’aerodinamica della nostra monoposto al variare dell’assetto sul piano verticale:

Assetto 1 Assetto 2 Assetto 3

Attraverso queste mappe si può capire quale sia la sensibilità dell’aerodinamica della macchina al variare delle inevitabili modifiche all’assetto verticale: compito di un progetto ben realizzato è quello di posizionare la configurazione “di disegno” in un punto di relativa stabilità, evitando che il centro di pressione si sposti troppo o che i coefficienti aerodinamici aumentino o diminuiscano improvvisamente, compromettendo la manovrabilità della vettura.

Realizzazione: materiali compositi

Il processo di analisi strutturale e di progettazione in composito procede di pari passo con quello aerodinamico: un componente deve soddisfare naturalmente vincoli provenienti contemporaneamente sia dall’una che dall’altra sfera di progettazione. Il designer strutturista strada facendo si prende cura di fornire le linee guida all’aerodinamico su quale sia il percorso progettuale più agevole per l’effettiva realizzazione del componente. L’analisi consiste nell’esportazione del campo di pressione ottenuto per via numerica tramite l’analisi CFD e la sua conseguente importazione all’interno del solutore FEM, dove il componente viene testato sia sotto l’azione dei carichi aerodinamici sia sotto l’azione dei carichi di regolamento. Questo processo può essere integrato all’interno di un programma di ottimizzazione,ricorrendo al nodo ANSYS Workbench presente all’interno di MODEFrontier, in cui si parametrizzano il numero delle pelli e la loro possibile orientazione e si risolve per il minimo dello stress. Una volta terminata l’analisi del componente, si può procedere alla sua effettiva realizzazione: lavoriamo solitamente laminando i nostri componenti in carbonio pre-impregnato: si usa di solito un modello fresato in resina sopra al quale viene realizzato il complementare stampo in carbonio che verrà utilizzato per laminare il pezzo a tutti gli effetti; seguirà quindi un ciclo di cura in autoclave. Fibra di vetro e resina epossidica o vinilestere sono stati utilizzati a volte per componenti che non richiedono elevate proprietà meccaniche o componenti trasparenti, come il serbatoio. Tra i materiali di rinforzo, invece, utilizziamo solitamente core di Nomex e PVC oltre al Rohacell. Per la lavorazione finale dei componenti ci serviamo del taglio ad acqua o del taglio laser.

Seduta simulazione CAD Seduta CAD Seduta render