Progettazione e Simulazione Numerica in ambito motociclistico: l’esperienza del Polimi Motorcycle Factory

Sommario

Polimi Motorcycle Factory (PMF) è un team universitario che si propone il progetto di un prototipo di una moto da competizione 250cc 4T con l’obiettivo di partecipare alla competizione universitaria internazionale Motostudent che si concluderà il 7 ottobre 2018 presso il circuito di Aragon in Spagna e che vedrà confrontarsi team universitari provenienti da tutto il mondo. L’idea è di avere un confronto diretto della capacità di ciascun team di sviluppare un concetto di moto da competizione in maniera autonoma mettendo in pratica tutte le competenze sviluppate nel corso degli studi.
Il PMF si propone quindi di rappresentare a questa competizione il Politecnico di Milano e di sviluppare un progetto innovativo avvalendosi anche di strumenti avanzati di calcolo numerico e di simulazione al fine di migliorare le caratteristiche strutturali, motoristiche ed aerodinamiche della propria motocicletta.
In questo lavoro verranno presentati di seguito sia l’organizzazione del team PMF che il lavoro di progettazione, simulazione e sviluppo delle carenature della moto utilizzando strumenti di fluidodinamica computazionale (CFD) e piattaforme di calcolo ad alte prestazioni (HPC) unitamente a codici open-source (OpenFOAM).
Introduzione
Polimi Motorcycle Factory (PMF, [1]) è un progetto del Politecnico di Milano [2] che vede coinvolti più di 80 studenti, suddivisi in reparti, coadiuvati da un tutor come mostrato in figura 1.

Il team si occupa di progettare e realizzare da zero una moto da corsa che possa partecipare alla competizione internazionale Moto Student [3], giunta quest’anno alla sua quinta edizione. Tale competizione si svolge ogni due anni e comprende numerose prove che riguardano l’ambito progettuale e l’eventuale produzione in serie dei componenti specificatamente progettati per la competizione, la gestione, la funzionalità ed infine l’evento principale: una gara di otto giri nel circuito internazionale di Aragon, in Spagna.

Organizzazione del Team

Nonostante il carattere studentesco della gara il nostro team conta una buona mole di studenti, per tale motivo tutti gli aspetti di coordinamento e gestione che ne conseguono, rappresentano perfettamente il carattere di un’azienda di piccola-media grandezza.
Essendo il team così strutturato è nata la necessità di suddividere in modo gerarchico le varie parti del team assicurando un corretto coordinamento ed una totale coerenza dei tempi tra la progettazione e la fase produttiva.
Una importante caratteristica è rappresentata dalla volontà di produrre il maggior numero di componenti per conto nostro, senza doverli acquistare da terzi.
Dato che per regolamento il blocco motore, l’impianto frenante e cerchioni sono uguali per tutti i partecipanti, siamo noi a progettare e produrre, anche grazie all’aiuto degli sponsor, il telaio, il forcellone, l’aspirazione, lo scarico e le carene.
Questa filosofia ha diversi aspetti positivi tra cui certamente spicca una totale libertà nella scelta delle soluzioni innovative da adottare, che magari verrebbe limitata dall’utilizzo di prodotti disponibili in commercio. In questo modo all’interno del team c’è un vero lavoro di progettazione e di ‘problem solving’ che si estende attraverso tutti i reparti ed è un ottimo banco prova dove aguzzare l’ingegno e preparare al mondo del lavoro. In questo articolo in particolare presenteremo un flusso di lavoro completo che abbiamo effettuato per ottimizzare la fluidodinamica delle carenature.

Strumenti di Progettazione

Stampa 3D per nuovi design concept
Questa libertà progettuale consente di sperimentare tecniche innovative, e infatti si è integrato e consolidato l’uso della tecnologia della stampa 3D, come mostrato in figura 2.

Essa risulta molto conveniente ed interessante sia dal punto di vista dei tempi, che dei costi, ma anche dalla possibilità di scegliere varie soluzioni strutturali; per questi motivi ce ne stiamo avvalendo in maniera sempre maggiore. Un esempio ne è il reparto Carene che attraverso questa tecnologia ha creato un primo prototipo di semi-telaio di supporto carene con aggancio e sgancio rapido, caratteristica molto importante poiché una delle sfide tra team all’interno del Moto Student è proprio quella del montaggio e smontaggio della carena nel minor tempo possibile.
Inoltre nel corso del 2017 il reparto di Powertrain ha idealizzato, prodotto, testato e migliorato un nuovo supporto per l’iniettore che ha permesso di migliorare l’efficienza della combustione favorendo una migliore miscela aria-carburante. Nello specifico è stato creato un supporto per l’iniettore, da noi chiamato “doccino”, che, situato all’interno dell’airbox, migliora la vaporizzazione del carburante in direzione di un tronco di cono che converge verso l’imbocco del motore. L’idea è stata di Edoardo Volpi, uno dei direttori tecnici, che si è avvalso della stampa 3D per poter creare il pezzo sul quale ha poi condotto vari test sperimentali sia per quanto riguarda i materiali, che devono essere esenti da corrosione, sia per quanto riguarda le giuste specifiche geometriche del cono convergente per migliorare la vaporizzazione del carburante. Questa soluzione particolarmente efficiente ha apportato numerosi vantaggi: il carburante freddo che si miscela con l’aria calda presente nell’airbox ha così un effetto di raffreddamento sull’aria che entra nel motore con un conseguente aumento della densità e quindi un maggior apporto di ossigeno per unità di volume all’interno del cilindro che garantisce così nel complesso una migliore combustione. Insieme ai test sperimentali del doccino sono stati condotti degli studi monodimensionali che comprendevano le sezioni dell’iniettore, doccino, cilindro e scarico in maniera da ottimizzare gli effetti d’onda e gli effetti inerziali; questo ci ha permesso di avere dei valori di rendimento volumetrico superiori a uno intorno ai 9000/9500 rpm. Nel corso del 2018 sono state effettuate anche analisi tridimensionali sui flussi interni dell’airbox in modo da poter comprendere meglio gli effetti di nebulizzazione e di turbolenza che si vengono a creare, in questa configurazione.

Risorse di calcolo ad alte prestazioni per l’aerodinamica esterna
Oltre alla stampa 3D il team si è avvalso nell’ultimo anno, di strumenti di calcolo numerico 3D avanzati, utili allo studio di una delle caratteristiche più rilevanti di tutto il progetto della moto nel suo complesso: l’aerodinamica esterna. Come noto l’impatto che l’aerodinamica esterna ha sulla performance complessiva del mezzo è davvero consistente, ed essere in grado di fornire una risposta innovativa e vincente in tempi rapidi e a basso budget è davvero un obiettivo ambizioso e critico. Per questo motivo, il team ha deciso di investire da subito in tecniche computazionali, che garantiscono tempi di sviluppo dei concept dal CAD design alla verifica aerodinamica davvero brevi, piuttosto che insistere cercando risorse e supporto al progetto in canali più consolidati quali ad esempio la galleria del vento. Ma come è noto la modellazione CFD di problemi di aerodinamica esterna può essere onerosa in termini di risorse di calcolo e di costi di licenza degli applicativi.
La necessità di avere accesso a risorse High Performance Computing (HPC) è nata infatti subito al fine di effettuare l’analisi dei flussi esterni alla motocicletta in varie condizioni di percorrenza; analisi che se effettuate su un normale computer impiegherebbero vari giorni di calcolo. Tuttavia, attraverso un bando pubblico indetto da CINECA [4], abbiamo avuto la possibilità di usufruire di sistemi HPC ovviando ampiamente a ogni possibile collo di bottiglia basato sui tempi di calcolo. Tuttavia, le sole risorse di calcolo non risolverebbero i problemi eventualmente legati ai costi di licenza degli applicativi, per questo, attraverso una proficua collaborazione con il personale CINECA è stato possibile progettare in tempi rapidi un efficiente flusso di lavoro basato solo su applicativi open-source (OpenFOAM, [5]) utilissimo a garantire in tempi rapidi analisi CFD sulla moto completa (vedi figura 3).

Le nostre analisi prevedono un flusso stazionario in a regime turbolento di un fluido incomprimibile ed abbiamo adottato per questo un solver RANS consolidato (simpleFoam) associato ad un modello di turbolenza molto robusto (Kwsst) con funzioni di parete standard fornite all’interno della libreria, monitorando il coefficiente di drag (Cd) in maniera continuativa durante la simulazione. Le carenature hanno essenzialmente due funzioni principali: una è quella di fare da biglietto da visita condizionando la prima impressione sul possibile acquirente; l’altra, ingegneristicamente più importante, è rappresentata dall’effetto dell’interazione tra fluido e corpo.  Modellare correttamente le carenature permette di ottenere dei grandi vantaggi a livello di potenza fruibile nella percorrenza di lunghi rettilinei, che costituiscono la maggior criticità per motori 250cc quattro tempi come il nostro, soprattutto in un circuito come quello di Aragon che presenta alcuni dei rettilinei più lunghi di tutto il motomondiale.
Dato che la configurazione per noi più importante è la percorrenza dei rettilinei a velocità costante, abbiamo effettuato le nostre analisi su uno spettro di sette velocità differenti, nello specifico dai 30 ai 60 m/s, in modo da avere una più larga visione di quelli che sono i vari coefficienti di resistenza. Questo ci ha permesso di valutare la dissipazione aerodinamica delle carene prodotte per la competizione 2016  che vedono dei valori medi di Cd abbastanza elevati.

Nuove carenature e analisi CFD: risultati

Attraverso un lavoro congiunto tra designer e ingegneri abbiamo interpretato le immagini ricavate dal post processing, individuato i punti di maggiore criticità e creato un modello CAD di carene intermedie con l’intento di ridurre la resistenza; le carene intermedie, che attualmente montano sul prototipo del 2016, costituiscono il punto di partenza per la progettazione e lo sviluppo di quella che è la geometria definitiva del prototipo del 2018. Il processo di sviluppo delle carene ha impiegato due anni nel quale sono state studiate 36 carene differenti, 9 riguardanti una carena da noi definita intermedia (CL2A2), e 27 riguardanti la carena definitiva (BM000) che monta sul prototipo 2018. Prima di approdare al CAD definitivo delle carene intermedie abbiamo creato 9 differenti configurazioni di carene (le 6 più significative in figura 5) di cui abbiamo variato la lunghezza della punta e l’angolo di inclinazione, come evidenziato in figura. In seguito, questi modelli sono stati analizzati nelle stesse configurazioni di quelle precedenti. Ricavati i coefficienti di resistenza è stato effettuato un confronto che ci ha portato alla scelta della geometria più efficace (in basso a destra in figura 5b), ossia quella che ha mostrato avere un netto miglioramento a tutte le velocità analizzate. La media dei Cd della carena intermedia è risultata migliore rispetto alla media della geometria precedente. Il miglioramento percentuale sulla media dei valori risulta del 7,85% mentre confrontando i vari valori si nota che il maggior miglioramento percentuale è dell’8,47% a 30m/s; quest’ultimo dato ci fa molto ben sperare dato che i 30m/s corrispondono alla condizione di velocità più frequente. Questi dati sono stati tanto inattesi e confortanti da riuscire a invogliare il nostro sponsor principale, Rapid Inside NCS [6], a produrre il modello di carene intermedie completamente in carbonio, in modo da avere anche un notevole risparmio in peso. Per le carene definitive, abbiamo creato una matrice di 27 carene interpolando tra loro 3 variazioni di angolo, variazioni di lunghezza del bordo d’attacco e 3 larghezze differenti. Attraverso questo set di carene abbiamo ridotto la resistenza aerodinamica del 3% in media, rispetto alle carene intermedie, e del 10% rispetto alle carene del 2016. Tutti i risultati di questa vasta campagna di analisi CFD verranno presentati alla prossima CAE Conference all’interno della sessione dei poster [7].

Conclusioni e sviluppi futuri

L’utilizzo delle analisi computazioni tramite codici open-source e piattaforme HPC ci ha permesso di sviluppare in tempi consistenti con le richieste dell’evento un nuovo design concept per una delle componenti più rilevanti nel progetto complessivo della moto come mostrato in questo articolo. Per questo motivo verrà utilizzato anche per l’analisi tridimensionale dei flussi interni: abbiamo infatti dimensionato il sistema di aspirazione, compreso il suo condotto, partendo dalle specifiche ricavate dai flussi esterni; inoltre, data la grande varietà che lo strumento di simulazione in questione offre, abbiamo iniziato uno studio sui flussi interni, già miscelati con il carburante, per portare avanti un progetto innovativo atto a sostituire il canonico corpo farfallato. Tuttavia la nostra collaborazione con CINECA non si limita al solo uso dell’HPC ai fini delle analisi CFD ma risulta di notevole importanza anche per lo studio sulle strutture attraverso le analisi strutturali ad elementi finiti (FEM). In particolare abbiamo la necessità di analizzare il nuovo telaio e il nuovo forcellone, che vedono un progetto del tutto nuovo per noi. Il nuovo telaio, infatti, ha una forma del tutto inusuale, al fine di favorire un miglior apporto di aria all’interno dell’airbox. Anche per il nuovo progetto di telaio, così come effettuato sul precedente, le analisi sono state condotte secondo una procedura standardizzata in modo da renderle riproducibili dal punto di vista sperimentale attraverso un apposito macchinario di misurazione, da noi costruito. Per questo motivo le analisi sono state impostate in modo da disaccoppiare il più possibile i diversi contributi di rigidezza, torsionale e laterale, che un telaio offre e ottimizzarli separatamente. Obiettivo delle analisi strutturali sul telaio è quello di eguagliare, in termini di rigidezza, la struttura del precedente prototipo che ha una forma più convenzionale e ingegneristicamente meno complessa. Per quanto riguarda invece il nuovo progetto del forcellone, il nostro obiettivo sarà quello di creare una struttura, partendo da una modellazione per superfici, tale per cui sarà possibile fabbricare il pezzo in fibra di carbonio. L’utilizzo di questo materiale, se ben ottimizzato, permette di avere delle caratteristiche strutturali del tutto simili all’alluminio con un notevole risparmio di peso. Per questo componente abbiamo l’intenzione di studiare le varie rigidezze al fine di trovare la configurazione migliore di intreccio e sovrapposizione dei laminati in carbonio.
Avendo a disposizione un budget limitato e non potendo pretendere più di quello che è stato concordato con i nostri sponsor, la possibilità di effettuare delle simulazioni computazionali ha significato per noi una grande importanza permettendoci di effettuare numerose valutazioni in tempi brevi indirizzando in maniera continua lo sviluppo dei design concept permettendoci di visualizzare concretamente la fluidodinamica attorno alla moto e permettendoci di capire a fondo, nel corso delle varie analisi, i perché di determinati comportamenti e differenze di performance.
Noi ragazzi del team ci auguriamo pertanto che la continua evoluzione della parte hardware e degli strumenti di simulazione permetteranno di consolidare in maniera sempre maggiore queste pratiche anche in ambito accademico, in modo da formare studenti ben competenti e al passo con i tempi.
Fare parte di Polimi Motorcycle Factory significa avere una bellissima opportunità per crescere entrando in contatto con il mondo del lavoro e per interfacciarsi con problematiche progettuali al fianco di persone oltremodo competenti ed esperte, attraverso strutture come CINECA e le aziende nostri sponsor, costituendo così per noi grande motivo di orgoglio. Ora ci aspetta il test finale, la gara, dove speriamo che tutto il lavoro fatto abbia un riscontro effettivo.

Riferimenti

Polimi Motorcycle Factory: http://www.polimimotorcyclefactory.it/
Politecnico di Milano: https://www.polimi.it
MotoStudent: http://www.motostudent.com/
CINECA: https://www.cineca.it/
OpenFoam: https://www.openfoam.com/
Rapid Inside NCS: http://www.rapidinside.com/
Poster CAE Conference 2018: http://www.caeconference.com/posteraward/PosterAward_2018_finalists%2011.pdf

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