Vincere la 24 Ore di Le Mans è una sfida contro il tempo. il contributo chiave della CFD

Uno dei compiti della Divisione Motor Sports Unit Development di Toyota Motor Corporation è sviluppare veicoli per il Campionato del Mondo Endurance FIA, che comprende tra le sue corse la famosa “24 Ore di Le Mans”. Vengono inoltre sviluppati motori e veicoli per competizioni locali in Giappone, come la Super-Formula e la Super-GT.
I Group Manager della Divisione Motor Sports Unit Development Yuichiro Kato e Teppei Hojo considerano la CFD essenziale per lo sviluppo di veicoli da corsa nell’azienda.
La Divisione Motor Sports Unit Development Division utilizza la CFD su veicoli da corsa e motori, rifacendosi alle tre seguenti regole per sviluppare macchine che i clienti possano considerare sia veloci che di impatto estetico:
accelerare lo sviluppo di tecnologie avanzate attraverso la partecipazione alle corse;
attirare nuovi appassionati di corse dimostrando entusiasmo nell’affrontare le sfide tecnologiche;
aumentare il numero di appassionati di automobilismo mediante l’organizzazione di eventi.
Il gruppo di Kato (gruppo Motori) è responsabile delle prestazioni e dell’affidabilità dei motori e dei componenti ibridi, mentre il gruppo di Hojo (gruppo Aerodinamica) si occupa principalmente dello sviluppo dell’aerodinamica.
I principali argomenti di applicazione CFD di ciascun gruppo sono:
Gruppo Motori: sviluppo del gruppo della trasmissione, sviluppo di nuove tecnologie analitiche.
Gruppo Aerodinamica: sviluppo dell’aerodinamica del veicolo.
Il team CAE/CFD all’interno della Divisione Motor Sports Unit Development è formato da circa 15 persone fra Motori e Aerodinamica. Con il tempo e le risorse limitati a disposizione, competere nel mondo delle corse richiede una standardizzazione tecnologica che consenta al team di dare la priorità al lavoro di analisi, coordinare i programmi di post-elaborazione (progettazione, test e gallerie del vento) e assicurare l’assenza di differenze individuali nei risultati analitici.

LO SVILUPPO DI UN VEICOLO È UNA CORSA CONTRO I TEMPI DI PRODUZIONE: IL CONTRIBUTO DELLA CFD
Nel mondo dell’automobilismo sportivo, gli sviluppi per l’anno successivo, le preparazioni per la gara seguente e il lavoro necessario per adattarsi a norme che cambiano di frequente sono tutti aspetti estremamente importanti. Per questo, la CFD può offrire un importante contributo riducendo notevolmente i tempi di produzione.
Secondo Kato, “le macchine da corsa non sono come i veicoli di serie che vengono sviluppati nel corso di molti anni. Anche se le forme sembrano simili a quelle dell’anno precedente, i componenti interni sono completamente differenti. È come sviluppare una nuova macchina ogni anno. Essendo quindi necessario un alto livello di prestazioni iniziali, l’affidabilità e le prestazioni di elementi come l’aerodinamica e il motore devono essere garantiti prima della costruzione del veicolo. L’approccio convenzionale consisteva in un processo ripetitivo di creazione e test di prototipi. Tuttavia adesso siamo in grado di condurre valutazioni analitiche approfondite prima della costruzione del primo pezzo”.
Il design aerodinamico delle macchine che corrono a Le Mans è sviluppato in collaborazione con Toyota Motorsport GmbH (TMG), con sede in Germania. Quando Toyota partecipava alla Formula F1, le gallerie del vento rappresentavano un elemento fondamentale per lo sviluppo e la CFD aveva un ruolo supplementare. Tuttavia, oggi la CFD è essenziale per il “concept testing” e ha un ruolo estremamente importante nella visualizzazione del flusso e nelle decisioni sui concetti di progettazione del veicolo. La CFD ha un ruolo chiave non solo nella riduzione dei tempi di sviluppo, ma negli ultimi anni anche nel processo di sviluppo effettivo dei componenti.
Spiega Hojo: “Dato che non c’è il tempo per mettere un veicolo vero nella galleria del vento per effettuare le modifiche tra una gara e l’altra, e poiché le opportunità di test in pista sono limitate, si sta affermando un processo per spostare rapidamente gli elementi di design dalla CFD ai veicoli reali, aumentando così l’importanza del risultato della CFD. C’è una necessità sempre maggiore di decisioni basate su test iniziali. Quindi, le prestazioni del veicolo fin dal primo test ne determinano la competitività nel corso della stagione”.
La CFD ha un ruolo molto importante nella programmazione e nei processi di sviluppo molto impegnativi, tipici di questo settore. STAR-CCM+ di CD-adapco viene usato efficacemente in questo contesto.

APPLICAZIONE DELLE TECNOLOGIE PER VEICOLI DA CORSA AI VEICOLI DI SERIE
Per le case automobilistiche, lo scopo principale della partecipazione alle corse sportive, oltre alla pubblicità che generano, è sviluppare tecnologie avanzate. È particolarmente importante distribuire e condividere internamente in azienda il know-how tecnologico che deriva dallo sviluppo dei veicoli da corsa e di applicare queste conoscenze allo sviluppo dei veicoli di serie.
La missione della Divisione Motor Sports Unit Development è sviluppare tecnologie avanzate attraverso l’attività sportiva e applicarle ai veicoli di serie. Questa divisione si incontra regolarmente con i reparti che si occupano dei veicoli di serie, per coinvolgerli in una condivisione delle conoscenze e in discussioni bidirezionali. Le informazioni vengono condivise non solo in relazione alle tecnologie analitiche, ma anche in relazione a quelle aerodinamiche, come i metodi di controllo dei flussi.
Quindi, abbiamo chiesto informazioni sulle mesh CFD e sulle configurazioni usate nello sviluppo dei veicoli da corsa, insieme ai problemi di scalabilità computazionale e precisione analitica.
Il percorso di sviluppo dell’aerodinamica negli sport motoristici è estremamente veloce. Il percorso di progettazione CFD per lo sviluppo di una singola parte dura circa due settimane. La chiave per il successo in questa fase è importante ottenere un equilibrio tra precisione e velocità di calcolo. Lo sviluppo viene eseguito concentrandosi sulla stabilità e la convergenza dei calcoli, aumentando il numero di casi simulati a scapito di un certo grado di precisione.
“È estremamente difficile bilanciare forze opposte come precisione di calcolo e tempi di produzione brevi”, concorda Hojo. “Siamo costantemente sotto pressione per migliorare le prestazioni con lo sviluppo di nuovi componenti, quindi questo aspetto è uno dei più impegnativi. Per risolvere questo problema, sarebbe utile trovare un modo per utilizzare i calcoli su stati instabili nella programmazione bisettimanale dello sviluppo”.
Kato aggiunge: “Con i motori, in passato abbiamo riscontrato problemi nella precisione dei calcoli. Tuttavia, è stato possibile raggiungere una stretta correlazione tra simulazioni e test reali su fattori come i flussi nelle tubazioni. Oggi, la maggior parte dei miglioramenti da noi proposti ha effetto sulle prestazioni in pista. Attualmente, siamo molto soddisfatti dei risultati raggiunti grazie a STAR-CCM+. Stiamo promuovendo ulteriori miglioramenti all’efficienza, attraverso una maggiore automazione combinata con l’ottimizzazione”.

TEST DEL VIRTUALE RISPETTO AL REALE
Diversamente dalla Formula 1, Le Mans non prevede regole che limitano i tempi di test in galleria del vento. Le decisioni finali vengono prese utilizzando i risultati di questi test, ma la CFD è essenziale per uno sviluppo efficiente in condizioni di restrizioni di risorse finanziarie e tempo.
I principali problemi che si verificano durante la progettazione e lo sviluppo incentrati sulla CFD riguardano l’affidabilità o la precisione della CFD. Per questo, è molto importante controllare le correlazioni tra i test della galleria del vento e i risultati della CFD.  A tal fine, vengono condotti confronti e analisi utilizzando valori aerodinamici, distribuzioni della pressione sulle superfici e misurazioni PIV (Particle Image Velocimetry). Poiché le gallerie del vento simulano condizioni reali, i risultati vengono considerati come standard rispetto ai quali vengono regolate la risoluzione della mesh e le configurazioni di calcolo usate nell’analisi. Quindi, vengono valutati numeri molto grandi di casi di calcolo.
Anche il gruppo Aerodinamica valuta veicoli reali. I valori aerodinamici come la deportanza possono essere misurati quando i veicoli percorrono la pista, fornendo valutazioni comparative rispetto alla galleria del vento e ai valori della CFD. In caso di incongruenze, i tecnici possono analizzare soluzioni per migliorare i test in galleria del vento e i modelli CFD. In alcuni casi i miglioramenti della precisione della CFD devono essere implementati in tempi molto brevi, mentre altri possono essere applicati nel medio-lungo termine. Per prima cosa, il team implementa i miglioramenti a breve termine che possono essere apportati prima dei successivi test nella galleria del vento e delle gare.
Il gruppo Motori conduce rigorose valutazioni prima di montare un motore su un veicolo e installa solo le parti più efficaci in base ai risultati ottenuti. Quindi, durante la gara le valutazioni effettuate sono poche. Le irregolarità, sia che richiedano una risposta immediata o che possano aspettare una soluzione nel medio termine, possono essere individuate in tempi molto brevi.

IL TEAM DI SVILUPPO È GLOBALE
Le gare del Campionato del Mondo di Endurance hanno un palcoscenico globale. Anche l’impegno per lo sviluppo all’interno di Toyota Motor Corporation è in fase di globalizzazione.
Toyota collabora con l’azienda tedesca TMG per lo sviluppo dell’aerodinamica. Lavorare con partner così lontani, che parlano un’altra lingua e hanno un insieme di norme culturali e valori molto differente non è facile. Per questo motivo, viene posta grande enfasi sull’importanza della comunicazione. Il personale del team non tenta di produrre risultati limitandosi a concentrarsi sul proprio ambito di lavoro; crea invece relazioni, in modo da poter lavorare tutti insieme. I mezzi principali di comunicazione sono telefono e videoconferenze, mentre i viaggi di lavoro in Germania sono limitati al necessario. Il vantaggio di un viaggio di lavoro è che una discussione che richiederebbe una giornata intera di scambi di e-mail può essere efficacemente conclusa in cinque minuti in una riunione faccia a faccia presso una postazione di lavoro. Tuttavia, poiché è difficile viaggiare costantemente, i membri del team creano relazioni che possano essere mantenute attraverso una comunicazione costante e che non subiscano effetti negativi in assenza di visite di persona. Le discussioni vengono prolungate finché entrambe le parti non sono soddisfatte, nell’impegno continuo verso una comprensione reciproca. Entrambe le parti concordano sul desiderio di costruire macchine vincenti e il lavoro di sviluppo verso questo obiettivo viene svolto in un ambiente di rispetto reciproco tra professionisti.
Il gruppo Engine è principalmente focalizzato sul lavoro svolto in Giappone, ma in base alla propria esperienza, Kato afferma: “Insistere continuando a fare le cose alla maniera giapponese non porterà risultati. Bisogna evidenziare con attenzione, uno per uno, tutti quegli aspetti non negoziabili, conservando il massimo rispetto verso l’approccio del partner al processo”.

ANNOTARE TUTTO IN UNO SCRIPT DI FACILE USO
Quando abbiamo chiesto opinioni sui prodotti e servizi di CD-adapco, Kato ha fornito il seguente feedback.
“Con la mia esperienza nei vari tipi di software CFD che ho usato in passato, posso dire che dato che la maggior parte delle funzioni di STAR-CCM+ e STAR-CD può essere gestita tramite script e non è necessario aprire la GUI. È estremamente facile definire operazioni che possono essere eseguite in batch, permettendo collegamenti all’ottimizzazione e ad applicazioni software esterne. Oggi, da soli, i calcoli basati sui fluidi non portano lontano. Le applicazioni software di CD-adapco sono estremamente facili da usare insieme alle varie applicazioni utilizzate nei processi a monte e a valle. Un altro aspetto positivo è che lo script può esser letto da chiunque lo visualizzi”.
Anche dal punto di vista dell’aerodinamica, tutto, compresa la creazione di modelli analitici, viene convertito in uno script e il feedback rivela che è molto facile da usare una volta acquisita l’abitudine. Nell’aerodinamica, l’elaborazione dei dati è completamente automatizzata fin dall’introduzione di STAR-CD e tutto continua a esserlo con il nuovo STAR-CCM+. Quando si conducono le analisi, è molto importante che tutto sia standardizzato, in modo che i singoli tecnici non possano introdurre variazioni arbitrarie nei risultati analitici. Questo assicura che anche se nel team vengono introdotti nuovi membri, non ci saranno differenze nei risultati analitici prodotti. Inoltre, dato che nello script tutto è completamente automatizzato, viene offerta la formazione interna, in modo che i membri comprendano lo script impedendo che diventi una semplice black box e venga incoraggiato lo sviluppo delle capacità degli stessi membri del team.
“Kato ha inviato una richiesta di miglioramento, per la conversione automatica della mesh di superficie in superficie CAD in STAR-CCM+. I dati ottenuti al momento del cambiamento della forma della mesh di superficie tramite morphing al momento dell’ottimizzazione dovevano essere nuovamente immessi nel CAD, in quanto sono necessari i dati CAD per fornire feedback ai progettisti riguardo le forme ottimali. Infine, ci è stato fornito feedback sui servizi del nostro supporto tecnico, in qualità di utenti di lungo corso dei prodotti CD-adapco”.
“L’ingegnere del supporto tecnico ha fornito le risposte molto rapidamente”, segnala Kato. “Quando si pensa a un fornitore di servizi straniero, la filiale giapponese viene considerata un semplice punto di trasmissione e il contenuto può essere inviato in formato grezzo, senza una comprensione approfondita, invece il livello dei servizi è paragonabile a quello di un fornitore locale”. Hojo continua: “I metodi analitici sono ben consolidati, ma speriamo di poter collaborare sugli sviluppi tecnologici per velocizzare il percorso di sviluppo”.

CONCLUSIONI
Siamo lieti di aver avuto l’occasione di parlare ai tecnici di Toyota Motor Corporation, una delle più grandi case automobilistiche mondiali, dei prodotti CD-adapco e del loro ruolo nel lavoro di sviluppo delle macchine da corsa di Le Mans. Questa intervista è stata tenuta subito dopo che il team Toyota si è classificato terzo nella 24 Ore di Le Mans, e sia Kato che Hojo hanno indicato piani precisi per vincere la gara già quest’anno. Toyota Racing ha vinto il campionato costruttori nella stagione 2014. Inoltre, Anthony Davidson e Sébastien Olivier Buemi, alla guida della TS040 HYBRID num. 8, hanno vinto il campionato piloti.

Le vetture del WEC (World Endurance Champioship) sono in pratica delle Formula Uno a ruote coperte per la complessità delle soluzioni adottate ma sono molto più avanzate delle Formula Uno per la varietà delle soluzioni possibili.
È diversa soprattutto la filosofia motoristica. Se in Formula Uno è tutto contingentato con “power units” tutte uguali e congelate nel WEC le soluzioni sono praticamente infinite ed i costruttori possono scegliere diverse combinazioni della ripartizione tra propulsione elettrica e convenzionale: ci sono quattro classi rispettivamente da 2, 4, 6 e 8 MJ con motore libero per architettura, cilindrata e tipo (diesel o benzina). Il controllo viene fatto sull’energia disponibile al giro e sul flusso di carburante. Nel 2014 le case principali avevano tutte filosofie diverse: Audi un V6 diesel da 4000 cc con turbocompressore nella classe 2 MJ, Toyota un V8 a benzina 3700 cc aspirato nella classe 4 MJ e Porsche un V4 benzina 2000 cc turbo nella classe 6 MJ. Per il 2015 l’Audi ha già annunciato il passaggio alla classe superiore perché, con l’esperienza dell’anno scorso, ha capito che 2 MJ di natura elettrica sono pochi.
L’aerodinamica è molto avanzata (più che in Formula Uno) e, per certi aspetti, più semplice grazie alla notevole superficie in pianta. Ma questa abbondanza di superficie  rappresenta anche uno dei principali problemi perché, con tanta superficie a disposizione, il rischio decollo quando la macchina per motivi accidentali si mette di traverso a 90° con il vento relativo è molto alto. Per questo motivo è stata introdotta la grande pinna dietro l’abitacolo in modo da creare una zona di pressione sul cofano e sul passaruota posteriore rompendo così il comportamento tipo ala che la carrozzeria avrebbe naturalmente in condizioni imbardate.     (MG)

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