P4M, un progetto vincente

La capacità dei membri del team di saper gestire e trasmettere il know-how acquisito alle future generazioni di studenti permette un ricambio generazionale in grado di fornire un costante miglioramento alle soluzioni ingegneristiche e alle tecniche costruttive. Questo continuo sviluppo vede il suo culmine nell’ultimo progetto della scuderia anconetana: la P4M. Le principali caratteristiche della monoposto P4M – che prenderà parte alle competizioni FSAE nella stagione 2018/2019 – sono:

•    Telaio monoscocca in fibra di carbonio;
•    Motore KTM 690 monocilindrico con turbocompressore ed intercooler;
•    ETC e Launch Control con up-shifting automatico;
•    Pacchetto aerodinamico completo in fibra di carbonio;
•    Nuovo sistema sospensivo con antirollio e antibeccheggio.

MONOSCOCCA IN FIBRA DI CARBONIO

Il telaio della P4M è costituito da una monoscocca che utilizza una struttura sandwich con pelli composte da tessuto ed unidirezionale in fibra di carbonio, mentre il core si affida a materiali come Roachell e Nomex per soddisfare i diversi requisiti delle zone regolamentate del telaio.

OBIETTIVO

L’obiettivo del progetto è combinare le potenzialità di Matlab, Abaqus e Laminate Tools per eseguire una routine che permetta di valutare – in maniera completamente automatizzata – l’influenza delle orientazioni dei plies sulla rigidezza torsionale della monoscocca, e quindi individuare lo schema di layup ottimale che massimizza tale parametro.

OVERVIEW DEL PROGETTO

Partendo da una geometria che soddisfa i requisiti di regolamento e fattibilità è stato possibile realizzare il modello agli elementi finiti rappresentativo della monoscocca. Le potenzialità e l’intuitività di Laminate Tools hanno permesso una rapida costruzione del layup di partenza per l’ottimizzazione della rigidezza torsionale del telaio. Attraverso l’interazione tra Matlab e Abaqus il layup iniziale è stato ripetutamente modificato fino ad individuare la configurazione ottimale a cui corrisponde la massima rigidezza torsionale della monoscocca.

 

REALIZZAZIONE DEL MODELLO FEM

In Abaqus, dopo aver concluso la prima fase di correzione della geometria, si è passati alla realizzazione della mesh, alla suddivisione della stessa in sets d’interesse e all’imposizione delle condizioni al contorno. Costruendo una mesh personalizzata è stato possibile ottenere sia una maggiore regolarità degli elementi sia una riduzione del loro numero, aspetto da non sottovalutare dato il grande quantitativo di simulazioni che sono state eseguite.

CREAZIONE LAYUP

Una volta che la mesh e la sua suddivisione in sets sono state riconosciute in Laminate Tools, si è potuto procedere con la definizione delle proprietà meccaniche dei materiali adottati per il monoscocca. I passi successivi sono stati, per ciascun set, la creazione dei plies e di un layup comprendente tutte le possibili orientazioni delle fibre. Questo vincolo di layup è una condizione necessaria affinché Abaqus, durante il ciclo di ottimizzazione, sia in grado di riconoscere gli angoli delle fibre che gli vengono proposti.

ANALISI DI SENSIBILITÀ

Lo scopo dell’analisi di sensibilità è quantificare in che modo una variazione dell’orientamento del layup di un set influisca sul valore di rigidezza torsionale dell’intera monoscocca. Questo passaggio è di fondamentale importanza poiché, dato il grande numero di set da ottimizzare e la modesta variabilità degli angoli di orientazione, è impensabile poter effettuare un’ottimizzazione complessiva della monoscocca in ragione dell’enorme numero di combinazioni da testare.
Dal momento che l’ottimizzazione complessiva è ottenuta dalla combinazione di ottimizzazioni sequenziali dei set, risulta indispensabile capire quali siano le parti che danno un contributo maggiore alla rigidezza torsionale della monoscocca affinché venga stabilita una sequenza di ottimizzazione.

DESCRIZIONE INP.FILE

Il file di input (inp.file) contiene tutte le informazioni necessarie al solutore per risolvere il modello.
Tra queste figurano:
-    Nodi
-    Elementi
-    Layup (orientazione, spessore e materiale dei plies)

OTTIMIZZAZIONE

Noto l’ordine con cui devono susseguirsi i cicli di ottimizzazione dei vari set si può passare al nucleo dell’ottimizzazione vera e propria.
OTTIMIZZAZIONE UNIDIREZIONALI
I valori degli angoli testati sono [ -75; -60; -45; -30; -15; +00; +15, +30, +45, +60, +75, +90].
Per prima cosa è necessario distinguere tre differenti tipologie di sets che andranno incontro a vincoli di layup differenti:
A) Sets speculari rispetto al piano di mezzeria della monoscocca;
B) Set comprendente la “Shoulder Harness Bar”;
C) Sets non speculari rispetto al piano di mezzeria del monoscocca

 

I vincoli di layup adottati per l’ottimizzazione hanno permesso di ottenere il risultato cercato in un tempo di: 208 ore e 4 minuti= 8 giorni 16 ore e 4 minuti
Compiute le stime preliminari del tempo richiesto, si arriva al cuore del progetto consistente nella stesura di uno script in Matlab che sia in grado di eseguire l’ottimizzazione di tutti i set in maniera sequenziale.
Lo script di Matlab svolge le seguenti operazioni:

1. Acquisisce in una struttura “cell” tutte le righe dell’inp.file;
2. Sostituisce le informazioni riguardanti l’orientamento dei plies del set di cui si sta effettuando l’ottimizzazione, rispettando i criteri mostrati in precedenza;
3. Sostituisce l’inp.file originario con quello modificato;
4. Attraverso il prompt dei comandi richiama Abaqus che effettua la simulazione usando le informazioni contenute nell’inp.file modificato;
5. Esegue una macro in Python con cui apre il file odb, contenente i risultati della simulazione, e scrive in un file rpt il valore del momento di reazione che agisce sul reference point;
6. Calcola la rigidezza torsionale ottenuta, riportando su un file di testo il layup testato e il relativo valore di rigidezza torsionale;
7. Plotta su un grafico un punto rappresentante la configurazione testata e il relativo valore di rigidezza torsionale;
8. Riesegue i passaggi 1-7 finché tutte le configurazioni previste non sono state simulate;
9. Individua il valore massimo di rigidezza torsionale e il layup ottimale per il set testato;
10. Sostituisce all’inp.file iniziale un’inp.file contenente il layup ottimale per il set ottimizzato;
11. Riesegue i passaggi 1-10 fino a che tutti i set non sono stati ottimizzati;
12. Fornisce in output un inp.file con tutti i layup ottimali individuati per i vari set ed il valore di rigidezza torsionale ottenuta.

 

L’ottimizzazione dei plies di unidirezionale ha permesso l’ottenimento di un valore di rigidezza torsionale pari a 7455 Nm/deg. Tuttavia, tale valore si riferisce ad un layup con pelli esterne non ancora ottimizzate.

 

OTTIMIZZAZIONE TWILL

L’ultimo passo da compiere per il completamento dell’ottimizzazione consiste nell’individuare la migliore disposizione dei plies di twill esterni e interni per i pannelli sandwich dei sets di cui si compone la monoscocca. In questa fase del processo di ottimizzazione, si è deciso accorpare alcuni sets per avere un maggiore grado di continuità nell’orientazione delle pelli e quindi, dato che i plies esterni di twill non subiranno un processo di verniciatura, una estetica migliore.
In questa fase di ottimizzazione la monoscocca è stata suddivisa nei seguenti set:

1. Lateral (Bulkhead Support, Side Impact, Over Side Impact, Main Hoop Attachments, Suspension Attachments, Front Hoop Bracing, Main Hoop Bracing Support);
2. UpEnd;
3. Shoulder Harness;
4. UpFront (Front Nose, Rear Nose, Damper Hole);
5. Ground (Front Ground, Steering Rack, Middle Ground, Rear Ground);
6. Bulkhead.

 

Si è deciso che l’orientazione ottimale di questi plies debba essere individuata in un range di due possibili angoli:

[+00|+45]

In questa fase del processo di ottimizzazione si è assegnato come unico vincolo di layup l’uguaglianza dell’orientazione dei plies di twill interni ed esterni dello stesso set. Seguendo, quindi, la stessa logica adottata per gli unidirezionali si è giunti ad un valore di rigidezza torsionale pari a 7556 Nm/deg.

RISULTATI FINALI E SVILUPPI FUTURI

Come si può vedere il processo di ottimizzazione ha permesso il raggiungimento di un valore di rigidezza torsionale della monoscocca di 7650 Nm/deg, garantendo quindi un incremento delle prestazioni del 18% rispetto ad una prima soluzione di layup proposta. Parallelamente – tenendo conto dei vincoli di layup imposti per l’analisi – si è stimato un peso del telaio di 25,05 Kg (Main Hoop e Front Hoop esclusi).

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Questi risultati devono essere interpretati considerando il fatto che l’obiettivo della stagione 2017/2018 è stato quello di massimizzare la rigidezza torsionale della monoscocca mantenendo il peso inalterato, ovvero un numero di plies nelle varie regioni del telaio costanti.
L’obiettivo che si è intenzionati perseguire è quello di andare a valutare la perdita in termini di rigidezza torsionale che si osserva rimuovendo plies di unidirezionale nelle regioni della monoscocca, andando infine ad individuare un compromesso ideale tra rigidezza torsionale e peso.
Il progetto P4M vedrà quindi il suo culmine nella stagione 2018/2019 nella quale si passerà alla fase di realizzazione della monoscocca. Cosi come lo è stato nella fase di progettazione, Laminate Tools risulterà essere un alleato fondamentale anche in fase di costruzione, andando a fornire tutti quegli strumenti di supporto alla produzione che permetteranno di ottenere nella realtà un prodotto che rispecchi appieno le caratteristiche previste durante la progettazione.

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SmartCAE e Anaglyph sponsorizzano già da diversi anni i team italiani che partecipano alla Formula SAE mettendo a loro disposizione licenze e supporto tecnico sul software Laminate Tools. Nel 2018 sono stati ben nove i team che hanno utilizzato Laminate Tools per lo sviluppo dei componenti in composito (scocca, appendici aerodinamiche, volante e molte altre parti): Squadra Corse del Politecnico di Torino, Dynamis PRC del Politecnico di Milano, Firenze Race dell’Università di Firenze, E-Team Squadra Corse dell’Università di Pisa, Polimarche Racing Team dell’Università Politecnica delle Marche, UniBO Motorsport dell’Università di Bologna, Race UP dell’Università di Padova, Salento Racing Team dell’Università del Salento.

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