Ottimizzare un telaio monoscocca in carbonio: il caso di studio di Dynamis PRC
Progettare e Costruire in Compositi
15 Maggio 2020 - 15:00

Descrizione Webinar

Dynamis PRC è il team Formula Student del Politecnico di Milano, vincitore delle competizioni Classe 1C FSAE Italia 2019.

In questo incontro Andrea (Direttore Tecnico), Michele (Responsabile Telaio) e Luca (Responsabile Aerodinamica) ci spiegano, tra l’altro, come siano riusciti a ridurre del 50% il tempo di produzione della loro monoposto grazie alla simulazione del drappeggio delle pelli.

introduzione

Salve a tutti, buongiorno e benvenuti a questo terzo appuntamento della serie “Progettare e Costruire in Compositi”, nel quale illustreremo il progetto dell’ottimizzazione del telaio monoscocca della monoposto del team Dynamis del Politecnico di Milano.

Questo appuntamento fa parte di una serie, della prima serie dedicata al tema della progettazione e costruzione di manufatti in fibra di carbonio. Vi ricordo che nelle scorse settimane abbiamo ospitato prima Vins Motors e poi Exept che rispettivamente sviluppano una motocicletta monoscocca in fibra di carbonio e un telaio da bicicletta. Exept ha sviluppato un telaio da bicicletta regolabile in fibra di carbonio. Oggi è la volta del team di Formula Student del Politecnico di Milano con il quale collaboriamo già da diversi anni.

Oggi non sarò solo in questo webinar, anzi sarò supportato da ben tre correlatori Andrea Vezzoli, Luca Galimberti e Michele Rossi, rispettivamente il direttore tecnico, responsabile del pacchetto aero e responsabile del telaio del Team Dynamis, i quali ci faranno vedere alcuni aspetti del loro progetto legato appunto alla progettazione e alla realizzazione della monoscocca in composito.

Prima di partire, l’agenda di questo incontro, molti di voi si sono iscritti a questo webinar per la prima volta per cui ancora non conoscono la nostra azienda. Ho preparato alcune slide di introduzione per spiegare chi è SmartCAE e che cosa fa, dopodiché parleremo, l’argomento principale di questo seminario è proprio il caso di studio di Dynamis. Alla fine del seminario ci sarà una sessione di domande e risposte che potrete sottoporci che io leggerò ai membri del team che risponderanno in tempo reale. Per sottoporci le domande potete utilizzare la chat di Go to Webinar che trovate nel pannello con il quale vi siete collegati. Potete sottoporre le domande in qualsiasi momento, noi però risponderemo soltanto al termine della presentazione. Dopodiché una parte conclusiva con alcune comunicazioni di servizio e informazioni interessanti per approfondire il tema dei compositi laminati.

Due parole su SmartCAE, SmartCAE è una società che opera dal 2002 fornendo software di ingegneria e servizi di consulenza. Siamo un gruppo di lavoro di dieci ingegneri calcolisti full time, abbiamo sede a Firenze, in 18 anni di attività abbiamo svolto più di 1500 progetti per oltre 200 clienti in Italia e nel mondo. Ci occupiamo di calcolo strutturale agli elementi finiti e simulazione fluidodinamica sia a flussi interni che flussi esterni, problemi anche di aerodinamica del veicolo e progettazione. Il nostro punto di forza è la competenza sul tema dei materiali compositi, sia in termini di know how per la gestione di questo tipo di strutture, attraverso servizi di consulenza, che con gli strumenti software che noi proponiamo ai nostri clienti per sviluppare al meglio il proprio progetto. In questo ambito qua è nata, già da diversi anni, la collaborazione tra SmartCAE e vari team di Formula SAE italiani, legati alla fornitura del software Laminate Tools di Anaglyph.

Laminate Tools è uno strumento che permette di simulare vari aspetti di un progetto in materiali compositi, in particolare è un software, una piattaforma integrata che permette di gestire la progettazione del laminato, quindi partendo dal CAD o dal modello agli elementi finiti è possibile assegnare alla geometria le varie pelli di laminato e quindi gestire la sequenza di laminazione usando la solita logica che si utilizza poi in fase di realizzazione. Queste informazioni possono essere passate al modello agli elementi finiti, usando la logica delle pelli piuttosto che la logica a zone tipica di un preprocessore FEM. Quindi con Laminate Tools ci sono tutta una serie di strumenti di visualizzazione che permettono di interpretare al meglio i risultati dell’analisi e permette anche di generare rapidamente i dati di produzione: plybook, sviluppo in piano delle pelli, Phasebook. Ecco questi sono degli argomenti che vedremo poi in maniera più approfondita nella presentazione dei colleghi del Politecnico di Milano. Non a caso il mantra, lo slogan di Lamine Tools è racchiuso in queste parole: “Drape it, check it, make it”, vale a dire drappeggia la pelle sul componente, verifica che sia dimensionato correttamente e usa queste informazioni poi per realizzarlo. Giusto per focalizzare un po’ i vari aspetti con delle immagini, la fase di progettazione del laminato, quindi partendo da geometrie anche molto complesse con doppie curvature è possibile simulare il drappeggio della pelle sulla matematica del componente o dello stampo è possibile quindi introdurre eventualmente dei tagli per favorire la drappabilità della pelle sulla matematica e il software mi evidenzia delle zone come queste zone gialle e rosse dove potrei avere dei problemi di stramatura nel composito. Per quanto riguarda l’analisi agli elementi finiti posso usare i dati del progetto per costruire modelli in formato Nastran, Ansys, Abaqus e gestirli e interpretarne i risultati in maniera molto più semplice che con gli strumenti di post processing tradizionali. Una volta validato il progetto e ottimizzato è possibile generare dati di produzione, quindi generare plybook in formato html o in formato Word, esportare in formato dxf o iges lo sviluppo in piano della pelle, per fornire poi a chi deve realizzare effettivamente il componente tutte quelle informazioni che servono per fare al meglio il proprio lavoro minimizzando gli errori e lo spreco di materiale.

 

Dynamis

Posso passare la parola ad Andrea Vezzoli del team. Buon pomeriggio a tutti, come già detto da Francesco, io sono Andrea sono il direttore tecnico del team Dynamis e insieme a Michele e Luca oggi presenteremo un po’ il percorso che abbiamo seguito per la progettazione e ottimizzazione del nostro monoscocca. Vorrei partire anzitutto con una breve spiegazione di chi siamo, noi siamo un team di circa 100 studenti del Politecnico di Milano che partecipa al campionato di Formula SAE che è un campionato internazionale dove partecipano più di 600 università da tutto il mondo. Ogni team di ciascuna università si impegna a progettare, costruire e portare in gara un prototipo da competizione in stile formula. Quindi una monoposto a ruote scoperte, costruita secondo regolamento. Poi in queste gare vengono valutate sia le performance della macchina tramite gli eventi dinamici che la bontà del progetto tramite gli eventi statici, rendendola quindi non solo una competizione fine a sé stessa, ma anche educativa dal punto di vista ingegneristico. In particolare ci sono tre diverse categorie di competizione che sono: Combusiton, con macchine a combustione interna, Electric e Driverless. Scendendo più nel dettaglio con il nostro progetto del 2019 abbiamo la macchina nella foto, che è la DP11, una macchina che era un’evoluzione della sua precedente DPX, che era la macchina del 2018. Una macchina che abbiamo scelto di rendere l’evoluzione di un progetto, perché la DPX era sicuramente una macchina che aveva delle buone performance, ma eravamo convinti non fosse riuscita a diciamo, esporle al meglio sul campo di gara. Quindi ci siamo trovati all’inizio dell’anno a decidere di andare a tentare di ottimizzare il più possibile questo progetto per ottenere i migliori risultati possibili. In particolare poi ci siamo anche migliorati dal punto di vista organizzativo riuscendo per la prima volta nella storia del team a completare la macchina un mese prima della prima gara, quindi questo ci ha permesso di fare un grande ammontare di test che ci ha permesso di estrapolare il massimo della performance dalla macchina, trovando gli assetti ottimali. Poi la differenza rispetto agli altri anni è che abbiamo effettuato quattro gare invece che le solite tre in modo da mostrare le performance del nostro ultimo prototipo combustion su più gare possibile. Il duro lavoro e gli sforzi sicuramente sono stati ripagati, perché come si può vedere da questa grafica, abbiamo ottenuto nella prima gara, in Olanda, un primo posto Over All, con un podio in tutte le categorie, primo posto Over All anche in Italia, dove abbiamo ottenuto ottimi piazzamenti in tutte le categorie. Purtroppo solo un settimo posto nella gara in Ungheria dove eravamo partiti bene con le prove statiche, ma purtroppo a causa di un problema meccanico siamo stati costretti al ritiro nell’endurance, quindi abbiamo perso molti punti nelle prove dinamiche. Poi un terzo posto in Germania che è la gara più importante a livello internazionale nella Formula Student, siccome gran parte dei top team di tutto il mondo partecipa, quindi è molto difficile ottenere un buon piazzamento, quindi dei risultati notevoli. Con questa slide invece vorrei entrare più nel dettaglio, nell’ottimizzazione di un progetto, quindi come abbiamo approcciato noi il problema di migliorare un prototipo. Innanzitutto siamo partiti dalla nostra sensitivity analysis, dove qua nella tabella avete riportati alcuni dei parametri più importanti, quindi tramite questa analisi noi assegniamo a ogni parametro un peso in termini di tempo sul giro. Quindi come si può vedere, ad esempio, la massa per ogni chilo che si aggiunge o toglie corrisponde a 33 millisecondi al giro aggiunti o tolti. Tramite queste analisi appunto si possono individuare i parametri più importanti su cui lavorare per riuscire a migliorare le performance del prototipo. Quindi una volta che si ha una visione generale di cosa influenza maggiormente la performance della propria vettura si può diciamo settare un target per ogni categoria. In particolare, nel nostro caso, reputavamo che le tre principali cose su cui lavorare fossero la riduzione del peso, in quanto la macchina dell’anno prima, la DPX, era stata progettata non con troppo occhio all’ottimizzazione di ogni singolo pezzo, essendo una macchina comunque di primo anno, quindi telaio nuovo e tutto nuovo. Un aumento del Cl*A, quindi il coefficiente che determina la down force che come da tabella della sensitivity analysis è il parametro che influenza maggiormente la performance, quindi si tenta sempre di aumentarlo il più possibile. Poi l’ottimizzazione delle rigidezze, la diminuzione delle compliance, che spesso è trascurata però è una grossa parte della progettazione di una macchina specialmente una macchina da corsa, perché trascurare questo aspetto della progettazione porta spesso ad avere una macchina di cui non si comprende il comportamento o comunque che si comporta in maniera inaspettata rispetto a quanto dicono le simulazioni, comunque cambiamenti di assetto che ci si aspetterebbe funzionassero in un modo, invece poi funzionano in un altro. In particolare poi nell’ambito della riduzione del peso,

ci siamo messi a lavorare secondo una scaletta, dove prima essendo una macchina comunque da sviluppare, abbiamo identificato le parti da mantenere uguali all’anno precedente. Quindi sapevamo che comunque avremmo mantenuto il telaio e una parte della cinematica delle sospensioni, quindi sicuramente molte parti che erano collegate a questi assiemi magari erano già ottimizzate o comunque avevano poco margine, quindi magari non valeva la pena rifarle daccapo e chiaramente questo serve anche a guadagnare tempo in progettazione permettendo quindi di stringere sulle scadenze nello schema generale delle cose riuscire a finire la macchina prima per avere più tempo per fare test, una volta finita la produzione. Poi dopo che si sono identificate le parti da mantenere uguali si identificano chiaramente le parti a cui dare più priorità quindi parti con più margine o comunque su cui si può lavorare di più per ottenere un maggiore incremento di performance e alla fine tutto questo processo ogni singolo reparto crea un target di riduzione peso del proprio assieme e tutti i responsabili reparto insieme creano un target di riduzione peso generale per tutto l’assieme della macchina in modo da avere un punto verso cui lavorare. In particolare adesso vedremo come abbiamo fatto questo sul telaio che sicuramente uno dei pezzi più importanti su cui togliere peso perché in percentuale è un componente con una massa maggiore su tutta la macchina, quindi adesso passo la parola Michele che vi spiegherà come abbiamo fatto. Buon pomeriggio a tutti sono Michele Rossi responsabile del reparto telaio del team Dynamis PRC e ora vi mostrerò appunto come abbiamo progettato la monoscocca della DP11 che è conforme con la struttura della DPX come già detto Andrea, infatti la DP11 è un’evoluzione della DPX. Come prima cosa, gli obiettivi della stagione che avevamo nel 2019. Quindi gli obiettivi principali del reparto telaio riguardante appunto la monoscocca era il peso della monoscocca in cui ci siamo fissati un target che era 20 kg, quindi volevamo stare sotto questi 20 kg per diminuire al massimo il peso della monoscocca. Come raggiungere questo target? Ottimizzando le laminazioni regolamentarie. La monoscocca nel campionato Formula Student appunto è regolamentata da diverse regole stringenti che non permettono di utilizzare laminazione troppo leggere in alcune zone come dopo potremmo vedere. L’ottimizzazione di quelle zone ha permesso di ridurre il peso. Un altro metodo per ridurre il peso è stata quella dell’ottimizzazione degli inserti per quanto riguarda la loro forma, il loro materiale e le loro dimensioni. Un’altra cosa su cui si è lavorato è l’utilizzo del tipo di adesivo che è stato utilizzato all’interno della laminazione che comunque sul velo finale è circa un chilo, quindi comunque una buona percentuale di peso sul totale del monoscocca. Tutto questo, quindi questa riduzione di peso, comunque mantenendo dei valori di rigidezza torsionale abbastanza elevati intorno un target che ci sono fissati. Questo, come aveva già detto appunto Andrea, di solito non sempre viene preso in considerazione, ma per aumentare sempre di più le performance appunto che volevamo l’anno scorso abbiamo avuto anche tanta attenzione rispetto questo aspetto. Infine essendo che il telaio lo produciamo proprio noi come studenti, come team, siamo proprio noi che laminiamo lo stampo del telaio, un altro obiettivo era quello di ottimizzare il processo di laminazione. Questo sempre riferito a quello già detto da Andrea che l’obiettivo è anche quello di finire la macchina il prima possibile per poter fare più test possibili. Quindi per ridurre i tempi di lavoro abbiamo cercato di ottimizzare e semplificare il processo di laminazione il più possibile. In questa slide si può vedere un confronto tra l’azione di reparto telaio tra la DPX e la DP11, si possono vedere appunto i delta pesi in cui vediamo che i più grandi sono riferiti alla monoscocca, in cui abbiamo un delta del quasi 30% di peso, arrivando al target che ci eravamo fissati, quindi sotto i 20 kg con 19.7 kg, una riduzione di quasi il 50% per quanto riguarda gli inserti e un’altra grande riduzione è stata nel IA Assembly quindi lavorando soprattutto sull’anti intrusion plate, anche quella fatta in materiale composito, trovando una laminazione ottimizzata anche per quel componente. Da cosa si parte per la progettazione CAD del nostro telaio? Noi progettiamo il CAD della monoscocca attraverso i comandi di superfici. I comandi di superfici creano delle superfici a spessore zero e questo è molto utile nel creare un CAD come quello di una monoscocca, perché ci permette di disegnare delle forme molto complicate e complesse che con i solidi sarebbe molto difficile disegnare. Come partenza avevamo la cinematica delle sospensioni data dal reparto dinamica, quindi in un’interazione tra noi e il loro reparto abbiamo deciso i piani e le loro posizioni della cinematica, perché appunto sulla nostra monoscocca sono proprio dei piani i punti degli attacchi delle sospensioni e partendo appunto da questi piani abbiamo creato tutto intorno la monoscocca. Questo non possiamo farlo liberamente, ma dobbiamo seguire molto attentamente il regolamento, perché il
regolamento ci da molti vincoli sulle geometrie, sulle forme e sulle dimensioni che deve avere la monoscocca. In questa slide si possono vedere alcuni vincoli che ci vengono dati dal regolamento. Vedete quei solidi nella figura di sinistra, questo solido e questo solido che non sono in trasparenza, quelle sono delle sagome, vengono chiamate, che appunto ci mostrano l’area minima che ci deve essere sia nella cockpit opening sia nello spazio appunto per le per le gambe del pilota per una questione di sicurezza e appunto di dimensioni del pilota. In più c’è anche una delle dimensioni che devono essere rispettate per quanto riguarda le dimensioni del pilota che devono corrispondere al 95 per centile delle persone e quindi ci devono essere certe distanze dal poggiatesta fino ai pedali e al sedile. In più come ho detto prima, potete vedere la cinematica delle sospensioni con i suoi piani da cui appunto tutta la progettazione è partita. Insieme alla progettazione della monoscocca in sé, durante proprio la progettazione e quindi tutte le rifiniture, era già partita anche la progettazione del modello della monoscocca. Quindi per la creazione dello stampo con cui dopo verrà prodotto il telaio. Questo sempre per ridurre al massimo i tempi di lavorazione, portarci avanti con il lavoro e in alto a sinistra potete vedere un grafico del grezzo del nostro modello perché appunto noi incolliamo insieme delle tavole che dopo verranno fresate per creare il modello, con tutti i suoi vari componenti che vedete in basso a destra da cui possiamo laminare lo stampo, da cui dopo al suo interno lamineremo invece proprio il telaio.

Ora come avevo già detto in precedenza guardiamo le laminazioni regolamentate, date appunto dal regolamento Formula Student. Sono circa il 70% della monoscocca, sono quelle evidenziate di rosso. Tutte queste zone richiedono che se vengono utilizzati dei materiali diversi da tubolari di acciaio, dobbiamo dimostrare appunto un’equivalenza dei nostri materiali con i tubolari in acciaio. Il regolamento quindi ci dà dei valori di rigidezza, di momento di inerzia e gli sforzi che abbiamo nel caso appunto in cui si usa un tubolare in acciaio e noi dobbiamo fare l’equivalenza tra i materiali che usiamo e i tubolari d’acciaio. Per fare questo bisogna eseguire dei test in laboratorio, principalmente sono uno Shear Test e una flessione a tre punti su dei pannelli regolamentati anch’essi con certe dimensioni e usare questi dati che escono dai test in laboratorio e confrontarli all’interno di un foglio Excel con tantissimi dati con appunto i valori dati dal tubolare in acciaio.

Per ridurre il peso al massimo si è deciso di ottimizzare i provini, quindi delle zone regolamentate. Nel passato del team di solito venivano al massimo utilizzate due laminazioni diverse per tutte le laminazioni regolamentate, invece l’anno scorso si è deciso di ottimizzare la laminazione per ogni zona regolamentata, in modo da averla ottimizzata per ogni singola zona. Infatti ogni zona può richiedere diverse proprietà ad esempio abbiamo la zona del front walk head che richiede delle proprietà più stringenti per quanto riguarda lo shear test quindi quella zona è stata ottimizzata appunto sono state ottimizzate le proprietà dello shear test rispetto invece a quella della flessione a tre punti. Invece ad esempio per la zona dell’assist che è la zona di impact factor qui la parte appunto laterale intorno al pilota, quella richiede delle proprietà molto più stringenti per quello che riguarda la flessione a tre punti. Quindi è stato ottimizzato quel provino, di quel test. Questo è stato fatto attraverso dei modelli CAE dei nostri provini che seguono l’andamento del test fisico e ottimizzando la laminazione e lanciando varie simulazioni si può trovare il miglior compromesso tra peso e performance della laminazione. Questo modello è stato ottimizzato e validato con i dati di test degli anni precedenti quindi era già da alcuni anni che noi facciamo il telaio in composito quindi avevamo già dei test di shear e flessione a tre punti, con cui abbiamo potuto validare questo tipo di modello. Una volta validato abbiamo ottimizzato i provini per ogni sezione. Qui si possono vedere delle immagini dello Shear Test, il risultato dato dal modello CAE e invece il risultato reale con anche i grafici che ci fanno vedere appunto la differenza tra la prova sperimentale e la simulazione. Per quanto riguarda lo Shear Test il problema è quello di rappresentare il secondo picco, perché durante lo Shear Test appunto c’è un punzone che spinge sul nostro provino e ci saranno quindi due picchi di forza, il primo dovuto alla rottura della prima pelle e il secondo dovuto alla rottura della seconda pelle e anche parlando con i produttori, i nostri fornitori di materiali, comunque abbiamo capito che è molto difficile, anche i grandi produttori trovano molto difficile modellare questo secondo picco di forza. Per quanto riguarda invece la flessione a tre punti vediamo che comunque l’andamento è abbastanza corretto fino a raggiungere il picco di forza e anche attraverso appunto quest’altro test abbiamo potuto arrivare alla laminazione finale ottimizzata. Queste sono delle foto che riguardano appunto i test fisici fatti in laboratorio, li effettuiamo nei nostri laboratori dell’università del Politecnico di Milano e questo in particolare quello della pressione a tre punti e adesso si può vedere il provino alla fine del test. Come detto si arriva così alla laminazione finale. Laminazione ottimizzata nelle zone regolamentate attraverso questo processo, mentre nelle zone non regolamentate, quel 30% che rimaneva sono state scelte delle laminazioni più leggere possibili in modo da ridurre il peso, però si è sempre tenuto conto anche della rigidezza torsionale, questo perché anche nell’immagine che c’era prima nelle slide, una zona non regolamentata ad esempio era questa intorno alla cockpit opening che quindi è molto critica per la rigidezza torsionale del telaio quindi fare una laminazione troppo leggera o troppo resistente in quella zona comunque poteva dare molti problemi in fatto di rigidezza torsionale quindi c’è stato un trade off tra riduzione di peso e target di rigidezza torsionale. La laminazione scelta è stata analizzata attraverso un’analisi FEM. Quindi il modello della monoscocca è stato inserito in Abaqus e la sua superficie è stata inserita ed è stata modellata attraverso elementi bidimensionali convention and shell. Tutte le laminazioni sono state rimodellate attraverso la funzione di composite layup quindi tutta la monoscocca è stata partizionata geometricamente con le dimensioni e le geometrie di ogni singola e diversa laminazione. Per ogni partizione è stato quindi dato il composite layup corrispondente. Nel composite layup si inserisce la sequenza di laminazione, quindi la sequenza di pelli e anche il core quindi ci sarà la sequenza di pelli con la propria orientazione, il tipo di materiale e lo spessore e al centro invece ci sarà la proprietà del core con il suo spessore. La stessa cosa è stata fatta anche per modellare la presenza degli inserti, quindi sempre nelle zone in cui sono presenti gli inserti. C’è stata una partizione geometrica che appunto riprendeva la forma degli inserti e in quella zona partizionata, all’interno del composite layup al posto della proprietà del core che di solito è stata usata che di solito era alluminium honeycomb, Nomex o altro dipende dalle zone, in quelle zone invece è stata appunto inserita la proprietà degli inserti. Come carichi sono stati considerati vari casi dati dal reparto dinamica che vedete appunto sulla slide. Ci sono vari casi di accelerazione longitudinale e trasversale e per ogni caso, insieme al reparto strutture che quindi riguarda le sospensioni sono stati calcolati i carichi massimi agenti sul telaio. Questi carichi sono stati appunto posizionati all’interno del telaio attraverso dei coupling continuum distributing. Dopodiché sono stati inseriti anche altri carichi come il carico areodinamico, il carico che c’è sul piano pedaliera, quindi dovuto alla frenata, alla forza data dalla frenata del pilota o all’accelerazione, comunque sono più bassi in confronto e anche i carichi dovuti all’inerzia del pilota, quindi sugli inserti delle cinture, degli attacchi cinture. Dopo tutta questa analisi arriviamo a dei risultati, dei risultati che noi valutiamo in base a spostamenti e criteri di sforzo. Come spostamenti si può vedere appunto un risultato in cui possiamo vedere se nella figura in alto abbiamo degli spostamenti abbastanza elevati in una zona molto grande. In questo caso quindi quando arriviamo a questi risultati prendiamo questi risultati e ci confrontiamo con il reparto Strutture e Dinamiche per capire se sono dei risultati che sono accettabili all’interno del nostro range o possono creare problemi. In questo caso era un’area di deformazione troppo elevata, in questi casi si decide di ottimizzare le zone con i carichi più alti attraverso dei rinforzi o degli irrigidimenti appunto nelle zone critiche. Mentre per quanto riguarda i criteri appunto di rottura utilizziamo il criterio di Tsai-Wu con un coefficiente di sicurezza di circa 3, in questo modo noi visualizziamo appunto gli sforzi di tutta la nostra monoscocca e la possibilità di rottura dei vari laminati nelle varie zone, nelle zone critiche. Per fare questo noi comunque, con l’esperienza degli anni passati, sappiamo che ci sono delle zone più critiche rispetto ad altre e ad esempio come potete vedere nella figura di sinistra, lo scorso anno è stata analizzata singolarmente la parte posteriore del telaio cioè quella che sosteneva il motore a combustione, perché negli anni passati aveva dato dei problemi e quindi è stata analizzata da sola in modo da fare un’analisi più precisa e più dettagliata della singola parte. Un’altra parte che subisce questo tipo di analisi è il cruscottino che viene appunto quindi analizzato con le forze date al volante. Una volta ottimizzato tutto si passa alla produzione. Quindi passo la parola anche a Luca che vi spiega un po’ come funziona la produzione.

Buongiorno a tutti sono Luca Galimberti, responsabile aerodinamica, ma mi occupo sia della progettazione che della produzione del pacchetto aerodinamico e in generale sono a stretto contatto con i compositi. Ora vi parlerò velocemente dello studio, della produzione, in particolare riguardo all’ingegnerizzazione della produzione.

Brevemente, il processo di laminazione per il nostro monoscocca parte da un modello in resina che può essere di matrice epossidica o poliuretanica su cui appunto laminiamo il nostro tooling che è sempre pre-impregnato. Il materiale utilizzato è un materiale da stampi che ha delle caratteristiche di resistenza alla temperatura in generale caratteristiche strutturali diverse rispetto al materiale che utilizziamo invece per il nostro pezzo vero e proprio. La laminazione come vedete è costituita da diversi stampi per lo sformo e in generale per la realizzazione di diverse superfici. In questa slide si può vedere il prodotto finito e la monoposto nella sua completezza. In generale il processo è molto molto complesso soprattutto per il numero di pelli, infatti si tratta, solo per lo stampo inferiore più di 100 pelli. La complessità delle geometrie che in questo caso è legata alla dimensione delle pelli, nel senso che in generale è difficile maneggiare anche delle pelli così grandi e in generale avremo delle zone più critiche per quanto riguarda il telaio nel vano motore che ha delle geometrie leggermente complesse, soprattutto di grande importanza però è il costo dei materiali e le tempistiche. Infatti il nostro progetto dipende molto dagli sponsor e i materiali che abbiamo devono essere ottimizzati il più possibile. Una cosa in più che non è stata data in precedenza il progetto inizia con la parte di progettazione verso la fine dell’estate e questa parte di progettazione va avanti fino a dicembre-gennaio, la produzione invece è concentrata dall’inizio dell’anno fino a maggio. Chiaramente i tempi sono abbastanza ristretti, di conseguenza per ovviare questi problemi un modo molto utile che abbiamo visto negli scorsi anni aiutare molto la produzione è stata l’adozione di Phasebook per le laminazioni complesse, l’utilizzo del taglio plotter e

l’ottimizzazione del laminato. In particolare Laminate Tools è diventato uno strumento molto importante da questo punto di vista, in quanto come è già stato detto è un programma abbastanza flessibile, ossia si può lavorare sia sulla realizzazione di analisi ad elementi finiti che sulla vera e propria produzione del nostro componente.

L’interfaccia che si presenta è questa, in particolare in questo caso stiamo guardando i semi stampi inferiore del nostro monoscocca a sinistra si può vedere un albero con le varie proprietà del nostro laminato, abbiamo ai materiali che possono essere scelti, il numero di pelli e le varie sequenze di laminazione. Andando a guardare il nostro numero di pelli abbiamo tutte le varie sequenze diciamo così e in particolare nell’immagine si può vedere la proiezione 2D della pelle. La parte azzurra è una mesh della nostra pelle e ci permette di valutare

la stendibilità della nostra pelle. Nella parte inferiore abbiamo invece dei dettagli che ci riassumono le nostre caratteristiche, quindi: materiale, punto di applicazione della pelle, direzione di applicazione. Se vogliamo guardare ancora più nel dettaglio abbiamo le icone in cui si può scegliere fra le varie partizioni che comporranno la nostra pelle, si possono impostare tutti i parametri che dicevo prima quindi materiale, direzione e applicazione e in generale si possono anche applicare dei tagli o si può infittire la mesh. Il Phasebook viene esportato direttamente dal programma è possibile migliorarlo, integrarlo su word e in particolare risulta fondamentale in quanto il numero di pelli è molto elevato e considerando che andiamo a realizzare noi in prima persona i nostri componenti, quindi non siamo dei professionisti, dei laminatori in maniera professionale è necessario quindi facilitare il più possibile il lavoro ai nostri colleghi, soprattutto considerando che molto spesso chi va a realizzare il componente non ha lavorato in prima persona sulla progettazione del componente. Di conseguenza bisogna rendere più facile la comprensione a tutti. In particolare in queste immagini si possono vedere i tool e le schermate ci rendono più chiaro il progetto di produzione quindi abbiamo la direzione di applicazione della pelle, un identificativo della pelle, perché stiamo parlando di centinaia di pelli per questo tipo di laminazione, e soprattutto è anche importante la parte delle note perché magari ci può essere una zona più critica che ha bisogno di una maggiore attenzione, vuoi per la necessità di un inserto o in generale per una cura dell’orientazione delle fibre. Il plybook invece consiste nella vera e propria definizione delle geometrie delle pelli e permette la riduzione dei tempi di laminazione per il fatto che è possibile utilizzare il plotter. Infatti noi possiamo esportare direttamente i file 2D .dxf o .iges dei nostri piazzati e attraverso una macchina di taglio possiamo ottimizzare la superficie del nostro rotolo di pre-impregnato, abbiamo visto anche valori più dell’80%.

Miglioriamo l’accuratezza delle nostre pelli in quanto vengono tagliate con precisione fino anche ad un millimetro e in generale aiutano anche per il peso in quanto non ci sarà materiale aggiunto non necessario. Di conseguenza il nostro prodotto per come è stato pensato è molto più vicino a come è stato pensato nella realtà, in quanto riduciamo notevolmente l’errore. Un’altra informazione utile è lo stiramento critico della pelle, infatti quando si impostano le proprietà del materiale si possono impostare anche le caratteristiche di questo materiale in funzione dello stiramento. Quindi Laminate Tools dopo una mesh andrà a dirci quali sono le zone più critiche, in cui c’è difficoltà nella drappabilità della nostra pelle e a questo punto si presentano due soluzioni che sono il taglio o la deformazione della pelle e in generale un laminato ideale le evita entrambe però chiaramente bisogna scendere a compromessi. Entrambi infatti portano a una perdita strutturale sia nel caso del taglio per una discontinuità nella fibra, mentre nel caso della deformazione della pelle per una deformazione appunto della fibra quindi una diversa risposta agli sforzi del nostro materiale. Per quanto riguarda l’ottimizzazione del laminato qui possiamo vedere più nel dettaglio le zone regolamentate e le sequenze di laminazione. Nell’immagine in basso a sinistra ogni colore identifica un diverso tipo di laminazione, mentre in alto a destra abbiamo le zone rosse che sono le zone in cui ci sono delle restrizioni importanti dal punto di vista del regolamento. Una cosa interessante di sicuro, l’utilizzo dei core, nel nostro telaio vengono utilizzati tre diversi tipi, in particolare abbiamo delle Foam, che possono essere a base di pmi o pvc e in generale sono molto utili per le zone con geometrie tridimensionali o geometrie complesse. Poi abbiamo del Honeycomb sia in materiale aramidico nel caso del Nomex sia in alluminio e questi due tipi di materiali sono adatti a geometrie piane e in generale il Nomex risulterà più leggero del Honeycomb d’alluminio però garantirà una resistenza a compressione leggermente più bassa. Un ultimo dettaglio interessante dal punto di vista produttivo è sicuramente quello delle pelli sacrificali. Allora stiamo parlando della zona delle sospensioni che è, in generale, come abbiamo visto anche prima dalle immagini del FEM la zona più critica strutturalmente. Cosa si vuole evitare sicuramente? Si vuole evitare un cedimento strutturale, però dall’altro lato si vuole garantire la massima possibile precisione di realizzazione. Visto che i materiali compositi garantiscono una precisione inferiore a livello di contrazioni del laminato durante le fasi di cottura, noi andiamo ad effettuare una lavorazione meccanica aggiuntiva quindi una fresatura degli attacchi che ci permette di pareggiare diciamo così la carreggiata ed essere sicuri dei nostri punti di attacco. Per fare questa cosa però andiamo incontro all’asportazione di una parte del nostro laminato. Quindi visto che si vuole mantenere l’integrità strutturale è molto importante che la fibra rimanga continua. Per questo durante la fase di laminazione andiamo ad aggiungere delle pelli sacrificali, che sono quelle in blu, che verranno poi fresate e permetteranno alla fibra di rimanere continua e di mantenere le proprietà strutturali con un leggero offset verso l’interno del nostro inserto, che però non rappresenta un problema di grossa entità. A sinistra possiamo vedere quello che dicevo prima ossia che in questi casi in cui il numero di pelli è molto elevato è importante l’utilizzo di un Phasebook, che torna molto utile per la vera e propria produzione del nostro laminato.

La presentazione adesso è finita quindi direi possiamo passare alle domande. Lascio la parola Francesco. Vi ringrazio. Complimenti per il lavoro per la presentazione molto chiara e dettagliata.

 

domande e risposte

Siamo arrivati alla sessione di domande e risposte e nel frattempo sono arrivate tantissime domande durante la trattazione, per cui cominciamo in ordine cronologico per come sono arrivate.

La prima domanda riguarda i materiali che sono stati utilizzati nel progetto, quindi se avete utilizzato solo i tessuti o anche unidirezionale.

Allora rispondo io, principalmente nella laminazione della monoscocca sono stati utilizzati tessuti, quindi principalmente tessuti, tranne unidirezionali sono stati utilizzati solamente come rinforzi nelle zone più critiche, quindi negli attacchi sospensioni A e C che erano quelli con i carichi più elevati per ridurre le deformazioni e in altre zone critiche come il cruscottino che appunto abbiamo già menzionato prima come parte critica, che appunto viene fatta una FEM singolare solo su quello, e anche la pedaliera. Viene utilizzato così poco l’unidirezionale rispetto al tessuto sia per una questione di fornitura, perché appunto tutti i nostri materiali vengono forniti da uno sponsor. Ci fornisce più materiali tessuti che unidirezionali e anche per collegarci alla questione di realizzazione della monoscocca, che lo facciamo noi quindi non abbiamo grandi capacità di laminazione. L’unidirezionale è molto difficile da manipolare e da gestire durante laminazione soprattutto per pelli molto grandi e quindi tutto questo ci fa utilizzare molto più i tessuti rispetto agli unidirezionali, anche se in zone critiche sapendo che bene la direzione degli sforzi e come posizionarli possono aiutare, invece in alte zone magari possono creare problemi dato il loro alto modulo e la loro bassa deformazione.

C’è poi una domanda legata a Laminate Tools che chiede se si possono modellare i core all’interno di Laminate Tools.

Ok, posso rispondere io a questa. La risposta è sì. Infatti quando si va a definire i vari materiali c’è la possibilità di definire un tessuto, un unidirezionale oppure un inserto, ossia un materiale che non ha problematiche di posizionamento di drappabilità e in generale questa funzione è molto utile perché un altro Tool di Laminate è quello di definire una volta che si ha stabilito la sequenza di laminazione lo spessore reale del nostro laminato. Ossia in funzione di come abbiamo deciso di stendere una pelle e di come si è deformata questa pelle quale sarà lo spessore effettivo del nostro laminato. In questo caso andando ad aggiungere anche il core è possibile avere un valore globale molto più accurato. Sto raggruppando alcune domande che arrivano con tema molto simile e una riguarda il problema dello stiramento della pelle e il drappeggio, la drappabilità delle pelli. Quindi quali problematiche comporta oltre alle complicazioni produttive. In realtà in parte avete già risposto durante la presentazione. Si esatto un po’ ne ha già parlato Luca comunque principalmente il problema della drappabilità si collega molto al fatto che nell’analisi FEM l’assunzione del programma è quella di mantenere l’angolo comunque che si dà alla fibra costante, quindi anche se è una superficie è curva il software una volta che in imput gli si dà un incerto angolo comunque ,una certa direzione della fibra non la distorcerà con l’andare della curva o comunque della geometria del pezzo, ma lo mantiene costante tramite Laminate Tools è possibile prevedere sia dove ci sono dei punti dove è difficile proprio stendere la pelle, ma anche dei punti dove la distorsione della pelle è eccessiva e quindi si può decidere con il confronto ovviamente tramite i risultati della FEM se vale la pena magari cambiare la geometria del pezzo oppure cambiare la geometria della pelle quindi come diceva Luca eseguire dei tagli che possono comportare anche la discontinuità della pelle o comunque eseguire un taglio netto quindi due pelli poi sovrapposte tramite un overlap oppure eventualmente anche valutare il fatto che sia una zona molto scarica dagli sforzi e quindi se comunque lo stiramento c’è ma non è così critico da non riuscire neanche a stendere la pelle eventualmente di ignorare completamente il problema.

Ok perfetto, comincio a raggruppare un po’ di domande insieme.

Un argomento di interesse è il target di rigidezza torsionale, non tanto il valore che avete preso, ma anche come avete fatto a definirlo.
Allora per la rigidezza torsionale inizialmente appunto viene dato un target di rigidezza insieme al reparto dinamica, per capire appunto l’influenza che può dare la rigidezza torsionale sulla dinamica del veicolo. Arriviamo a questo valore attraverso un’analisi FEM, se possiamo farla o solamente sul telaio quindi valutare semplicemente la rigidezza torsionale del telaio oppure implementare anche tutta la cinematica delle sospensioni e valutare quindi anche la rigidezza del telaio completa di sospensioni. Nel caso di solo telaio viene fatta incastrando una delle due estremità del telaio e applicando appunto un momento torcente su di esso e valutando la rotazione possiamo quindi capire la sua rigidezza torsionale, mentre con le sospensioni viene effettuato un test come quello reale, quindi attraverso le sospensioni viene alzata, viene dato uno spostamento verticale su una delle sospensioni e anche in questo caso viene valutata la rotazione torsionale del telaio. Non so Andrea se vuoi aggiungere qualcosa rispetto ai numeri.

Volevo solo dire che per porsi questo target, ovviamente non è non è una cosa semplice, ma bisogna considerare l’influenza che ha la rigidezza torsionale del telaio, sul comportamento specialmente in transitorio della propria macchina. Quindi non è un’analisi semplice da fare. È un’analisi che viene principalmente fatta dal reparto dinamica del veicolo che valuta quale può essere un valore sensato anche perché a volte magari possono essere auspicabili valori molto elevati che sono magari troppo difficili da raggiungere a quel punto potrebbe anche convenire togliere del peso a discapito di punti di rigidezza torsionale, in modo da non magari appesantire troppo la laminazione, quindi è un trade off anche da questo punto di vista. Perfetto stanno arrivando tantissimi complimenti.

C’è una domanda interessante che incuriosisce anche me, nel senso quando ho visto la presentazione è venuto anche a me di fare questa domanda.

Come sono stati ottenuti i valori delle sensitivities per decidere quindi target di ottimizzazione, sono state effettuate simulazioni oppure sono state calcolate con dei test in pista?

Diciamo entrambi cioè la sensitivity è fatta su delle simulazioni quindi si parte da modelli più o meno complicati della macchina in particolare noi abbiamo visto i valori della sensitivity per massa, altezza del baricentro e coefficienti di liftery drag però noi ne abbiamo molti di più di parametri che sono modellati chiaramente e magari parametri come il coefficiente di liftery drag vengono studiati su praticamente una lap time simulation, su un modello puntiforme della macchina. Quindi una cosa non troppo complicata che però ti permette di valutare senza grandi incertezze l’influenza che hanno appunto i parametri di tuo interesse sulla performance, poi magari per parametri molto più complicati ci si sposta lap time simulation su 14 gradi libertà ad esempio su gli high grades. Praticamente si fanno variare i parametri e si tenta di trovare la correlazione tra la variazione del parametro e diciamo il delta tempo su giro guadagnato o anche perso ovviamente. Non so se risponde in maniera esaustiva alla domanda. In questa fase penso proprio di sì, che possa essere sufficiente.

Altra domanda, ecco questa si va parecchio nel tecnico. È un membro di un altro team FSAE che la pone. Ve la leggo pari pari perché non so di che cosa si stia parlando. Per quanto riguarda IA assembly è in composito, alluminio, acciaio? L’IA in composito come è stato studiato?

Probabilmente questa domanda è stata posta prima della vostra presentazione, quindi molti dettagli gli avete dati. Ecco probabilmente sull’uso di altri materiali come l’alluminio o l’acciaio se sono usati e dove.

Allora la parte frontale del telaio è principalmente formata dall’antintrusion plate e da proprio l’impact actenuator. L’impact actenuator è in Honeycomb ed alluminio e lo compriamo da un fornitore, quindi su quello non abbiamo grandi margini di miglioramento o progettazione, mentre l’antintrusion plate appunto l’abbiamo fatto con materiale composito con un core in Nomex da 4 mm e appunto è stata ottimizzata anche la laminazione e il tipo di materiale composito da utilizzare per riuscire a passare il test riguardante l’impact actenuator ed avere il peso minore rispetto a quel componente quindi appunto impact actenuator in alluminio e composito invece antintrusion plate.

Ora le domande fioccano e abbiamo già sforato un po’ i tempi per cui cerco dire accorparne 4 o 5 in una perché sono tutte col solito argomento che riguardano gli inserti. Essenzialmente come li avete verificati, come li avete studiati e realizzate gli inserti nella zona degli attacchi delle sospensioni.

Allora per quanto riguarda gli inserti noi utilizziamo degli inserti in carbonio. Quindi prendiamo delle latte in carbonio che vengono a waterjet principalmente gli inserti, lo studio sugli inserti è stato fatto sul perimetro degli inserti per valutare la loro resistenza shear. Un altro studio che va fatto, molto importante è quello dell’area di incollaggio, perché appunto gli inserti attraverso l’adesivo, ci dev’essere adesivo sugli inserti durante la laminazione ed è importante quindi l’area minima di incollaggio per mantenere la laminazione dopo durante la cottura e dopo. Importante le loro dimensioni anche in questione di forze agenti sul punto su quel punto del telaio perché potrebbero creare problemi se le dimensioni sono troppo piccole rispetto invece l’area in cui agisce la forza e alla fine noi per tutti gli inserti comunque, non quelli delle sospensioni, ma tutti gli altri tipi di inserti, si sono utilizzati degli inserti a forma esagonale, questo perché dopo aver provato diverse forme di inserti era quella che risultava migliore tra tutte, non è stato utilizzato una forma circolare perché era già stata utilizzata precedentemente negli altri anni e causava problemi come di rotazione all’interno del laminato una volta già finita la laminazione.

Una domanda interessante, vi si chiede se i vostri corsi di studio hanno aiutato nella realizzazione di questo progetto o se c’è stata una buona parte di studio autonomo per quanto riguarda questo tema.

Sicuramente gran parte, io sono adesso al terzo anno di ingegneria meccanica e sono entrato nel team al mio primo anno a ingegneria, quindi proprio sono entrato nel momento in cui sono arrivato in università e quindi la maggior parte delle abilità comunque delle skills tecniche che servono per affrontare il progetto le ho imparate un po’ dovendo diciamo scontrarmi con la realtà dei software, comunque degli ambiti in cui si lavora facendo questo progetto e un po’ chiaramente il team organizzato in modo da fornire una certa formazione ai nuovi membri quindi anche dal punto di vista di software, come i software FEM che non vengono spiegati all’università fino al terzo anno magari. Quindi sicuramente da questo punto di vista ho impiegato molto più studio personale ecco però c’è da dire che magari se fossi entrato al mio terzo anno, magari avendo visto corsi più tecnici come, mi viene in mente, costruzione di macchine o comunque più improntati alla progettazione, sicuramente avrebbero aiutato di più allo scopo del progetto, però ecco diciamo che dipende tutto magari anche da quanto uno vuole essere coinvolto all’interno del progetto nel senso che sicuramente a certi livelli, ad esempio le analisi FEM non vengono neanche spiegate in università e magari in un team di Formula Student si è costretti a vederle perché ad esempio le analisi per i compositi sono il nostro pane quotidiano e se dovessimo aspettare qualche insegnamento dell’università penso che ci siano solo corsi magistrali quindi non sarebbe possibile diciamo avere le conoscenze senza essere uno studente del quarto anno. Quindi anche lì c’è una buona parte di apprendimento nostro e soprattutto anche con la consulenza di aziende esterne che ci permettono di avere dei confronti anche a livello tecnico.

Qui stanno fioccando le domande però a questo punto dobbiamo andare verso la chiusura. Ci sono le ultime due. Una si chiede se con Laminate Tools si possono prevedere le zone di sovrapposizione delle pelli ad esempio fra due aree adiacenti.

Qui rispondo io, la risposta è sì, Laminate Tools permette anche di gestire gli overlap tra varie pelli, anzi permette al progettista di gestire al meglio gli overlap delle pelli per ottenere il risultato strutturale che desidera.

Ultima domanda dopodiché passiamo alla chiusura. Questa è interessante: se è possibile avere una stima, un ordine di grandezza del costo complessivo della monoscocca. Se è un dato che avete a disposizione, se lo volete condividere, può darsi anche che sia un’informazione riservata.

È un po’ complicato soprattutto diciamo per la considerazione dei costi tra specialmente dalla parte di fresatura del modello e del telaio che sono costi che non conosciamo perché sono lavorazioni abbastanza di nicchia o comunque non tradizionali che a noi vengono fatte in sponsorizzazione però diciamo ad esempio per solo per la parte di modello c’è una spesa di circa 5.000 euro per il materiale per creare il modello, poi per il materiale in sé comunque la costruzione diciamo del telaio l’anno scorso è stata fatta una stima e diciamo ci si aggira comunque sopra i 10mila euro si può dire.

 

Io vi ringrazio molto per tutte le risposte che avete dato. Noi andiamo avanti con la presentazione. Volevo informarvi che lo studio, la storia di successo del progetto di Dynamis, al quale diciamo noi abbiamo collaborato fornendo il software Laminate Tools è disponibile anche per il download sul nostro blog c’è un articolo dal quale potete scaricare un pdf che ripercorre a grandi linee la storia che abbiamo sentito oggi e fornisce anche delle altre informazioni in più, per quanto riguarda soprattutto i dati legati alla riduzione dei costi e all’incremento delle prestazioni della monoposto. Con questo di fatto si conclude la nostra prima serie dedicata interamente ai materiali compositi.

Progettazione di un veicolo a propulsione umana in composito

In questo webinar i membri di Policumbent illustreranno la loro esperienza nell’utilizzo di Laminate Tools per gestire la progettazione e la produzione delle parti in materiali composito laminato, una delle tecnologie che ha contribuito al loro trionfo nella WHPSC 2022 a Battle Mountain in Nevada (U.S.A.).

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Ottimizzazione dei compositi laminati

OptiAssist dispone di una tecnologia unica in grado di posizionare le fibre del composito dove servono, rispettando i vincoli tecnologici tipici della produzione dei laminati.

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