Periodico bimestrale
Anno XX, numero 94
Sett./Ottobre
ISSN 1128-3874
MOTORSPORT

Simulazione multifisica per lo studio di stabilità aeroelastica di una vettura da competizione

Emanuele Jacoboni, Corrado Groth, Andrea Chiappa, Stefano Porziani, Marco E. Biancolini, Elisa Serioli, Franco Mastroddi

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Nel design e nello sviluppo di automobili da competizione, gli strumenti forniti dalle simulazioni numeriche consentono di investigare una notevole varietà di soluzioni differenti, in poco tempo e con un alto grado di accuratezza. La disponibilità poi di una buona capacità di calcolo permette di combinare la fisica associata a problemi differenti. Una delle simulazioni multi-fisica che interessa maggiormente il motorsport è quella riguardante le interazioni fluido-struttura che intercorrono tra le componenti aerodinamiche della vettura ed il fluido circostante: tali interazioni possono indurre deformazioni strutturali e vibrazioni che, a loro volta, possono influenzare l’aerodinamica, e quindi direttamente la performance del veicolo.
In questo contesto si inserisce lo studio di stabilità aeroelastica dello splitter anteriore della Dallara SP1, una vettura prototipo di Le Mans (categoria LMP1), per elaborare una strategia alternativa ai software commerciali che possa consentire di individuare e prevedere, con sufficiente accuratezza ed efficienza, l’insorgenza di instabilità aeroelastiche.

 

Introduzione


Lo studio dell’interazione aeroelastica tra il dominio strutturale ed il dominio fluido sta diventando sempre più rilevante. Nell’industria aeronautica, lo studio dei fenomeni multifisici ha, da sempre, rivestito un’importanza primaria: le strutture aeronautiche sono il risultato di una estrema ottimizzazione dei pesi, che si traduce in strutture snelle caratterizzate da una grande deformabilità ed un’alta sensibilità alle interazioni fluido-struttura (FSI). Negli anni però, la risoluzione di problemi riguardanti le FSI ha suscitato un interesse crescente anche nel mondo del motorsport. Se infatti, da un lato, gli ingegneri possono trarre vantaggio da questo forte accoppiamento multi fisico progettando parti delle vetture che sfruttano proprio la mutua interazione tra fluido e struttura, dall’altro possono incorrere in pericolosi fenomeni quali instabilità dinamiche o flutter. Tali fenomeni non possono essere sottostimati, perché in grado di degradare la performance complessiva del veicolo, oltre che di danneggiare l’integrità stessa delle componenti. L’interesse in uno strumento in grado di prevedere accuratamente il comportamento di sistemi complessi è giustificato dalla necessità di poter progettare e sviluppare prodotti con performance sempre più elevate e dal rischio rappresentato dall’integrità strutturale.
Nell’ultima decade, sono stati condotti molti sforzi per migliorare i metodi FSI esistenti; l’avvento di capacità di calcolo sempre maggiori ha consentito l’adozione di metodi numerici più raffinati, facendo affidamento sulla fluidodinamica computazionale (CFD) e rimuovendo le barriere introdotte dai metodi analitici e semplificati. Il più utilizzato a livello industriale è il 2-way partioned method, che prevede la mutua interazione tra CFD e codici strutturali ad elementi finiti (FEM). Il sistema fluidodinamico e quello strutturale sono mantenuti isolati e risolti separatamente in un processo iterativo, in cui i carichi aerodinamici e le deformazioni strutturali vengono scambiate tra i due solutori. L’esistenza di codici di tipo commerciale rappresenta un grande vantaggio per questo tipo di approccio, ma il costo, sia dal punto di vista numerico che operativo, risulta significativo. Il collo di bottiglia è il costante trasferimento di dati richiesto, dal momento che per ogni iterazione sono richiesti la mappatura delle forze nel sistema strutturale e la deformazione della mesh del sistema fluidodinamico: un onere computazionale spesso insostenibile.
Lo studio di stabilità aeroelastica condotto su questa vettura è nato in seguito ad osservazioni in pista. Il pilota, ad una data velocità, ha segnalato un comportamento irregolare dell’assale anteriore del veicolo, inscrivibile ad una instabilità di flutter dello splitter anteriore (Fig. 1, il componente colorato in bianco nella parte anteriore della vettura). La soluzione immediatamente approntata è stata quella di inserire un rinforzo all’interno di questo componente, in modo da irrigidirlo ed innalzare le frequenze modali dell’intero assembly. Si è svolta poi questa analisi, al fine di individuare il fenomeno con una metodologia alternativa ai software commerciali e poter disporre, per gli impieghi futuri, di un workflow efficace per prevedere l’insorgenza di tali instabilità già nella fase progettuale. Le forme modali, calcolate con l’utilizzo del software Altair Radioss™, sono state importate nel solver CFD ANSYS® Fluent® tramite Add On RBF Morph™, uno strumento commerciale di mesh morphing basato sulle funzioni di base radiali (RBF). È stata poi condotta una simulazione instazionaria, eccitando ogni modo proprio strutturale nel modello CFD con una funzione a scalino raccordato. La matrice di trasferimento aerodinamica linearizzata, che collega dinamicamente le coordinate modali con le forze aerodinamiche generalizzate, è stata calcolata usando codice scritto in Scilab. Infine si è eseguita un’analisi di flutter sullo splitter originale e su una configurazione irrigidita dello stesso, usando il metodo di Newton-Raphson per risolvere il problema agli autovalori di stabilità generalizzata, catturando le instabilità sperimentalmente osservate per la geometria base e dimostrando un aumento della velocità di insorgenza del flutter, al di fuori dell’intervallo operativo della vettura, sulla geometria irrigidita. La metodologia, presentata brevemente nei paragrafi sucessivi, è riportata in dettaglio nel paper [8] “Multiphysics numerical investigation on the aeroelastic stability of a Le Mans Prototype car”, Groth et al [2019].

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