A cura del Team Dynamis PRC
Per la stagione 2023 il reparto compositi del Team Dynamis PRC si è posto l’obiettivo di analizzare il comportamento dell’ala frontale durante l’impatto con un cono. In seguito allo scontro ripetuto con i coni delimitanti il tracciato, infatti, la Front Wing del prototipo 2022, la DP13, ha perso una parte della propria robustezza, costringendo il team a ricorrere all’uso dei tiranti.
Per poter realizzare questa analisi, i modelli CAD dell’ala e dei suoi componenti strutturali (fig.1), insieme al modello di un cono ufficiale da competizione, sono stati importati in Abaqus CAE 2021.
Il tipo di analisi eseguita è un’esplicita che si basa sull’impostare un General Contact tra ala e cono e un Predefined Field a quest’ultimo che stabilisce la sua velocità iniziale di impatto. È stato scelto un valore molto vicino alla velocità massima dell’auto, 100 km/h. Dunque, mentre l’ala è vincolata nei punti di attacco, il cono si muove e impatta contro di essa. Le proprietà del materiale del cono sono state scelte considerando che, per tempi molto piccoli come quelle dell’impatto (0,005s circa), il polietilene (materiale di base dei coni di Formula Student) non entra nel suo regime viscoelastico (fig.2), permettendo di essere trattato come un materiale elastico lineare.
Dalle seguenti immagini (fig.3) è possibile vedere gli effetti cinematici che sono dovuti all’impatto del Main Flap con un cono nella sua parte laterale. Si nota come, all’inizio, il cono vada a deformarsi sul lato dell’ala portandosi parzialmente al di sotto di essa, spostandola dunque verso l’alto. Dopodiché, mentre il cono subisce un recupero elastico della deformazione, viene attivata la rotazione dell’ala, dovuta al fatto che il cono ha impattato nella sua parte laterale. È proprio questo fenomeno a portare i maggiori sforzi in zona degli attacchi, sia nel laminato del Main Flap, sia nei longheroni.
La laminazione di questi componenti è dunque stata scelta in base a ciò che è stato osservato in queste prime simulazioni. In particolare, si è visto come la scelta di usare una diversa laminazione sulle superfici laterali e orizzontali dei longheroni ne aumentasse la resistenza agli spostamenti verticali. Pelli a 45° di fibra di carbonio ad alto modulo sono state infatti messe lungo le superfici verticali. L’efficacia di questa scelta non solo si è potuta riscontrare in casi pratici come le “shear webs” (fig.5), usate nelle ali degli aeroplani, ma anche guardando al mondo della Natura, che spesso lavora come fonte di ispirazione per gli ingegneri. Infatti, anche gli uccelli possiedono rinforzi a 45° sottoforma di “longheroni elicoidali” nelle loro ossa cave delle ali (fig.4) che ne aumentano la rigidità torsionale conservandone la leggerezza. (1)
Sul Main Flap, due pelli, 0/90 e ±45 in fibra di carbonio ad alta resistenza sono state usate sia per far fronte gli sforzi bidirezionali generati, sia in fase di impatto (fig.6), deflessione verticale e di rotazione dell’ala.
Una volta scelta la laminazione dell’ala. Il modello è stato arricchito introducendo anche la presenza dei supporti, che collegano il telaio alla Front Wing. In questo caso, il modello non è solo stato utile nella scelta della laminazione, ma anche nell’interpretare la prima fase di design del componente in questione in cui, a seguito di un processo di ottimizzazione topologica, se ne decide la geometria. Unendo dunque i risultati dell’ottimizzazione ad osservazioni su come l’impatto con il cono andrebbe a deformare il componente, la forma finale, e successivamente, la sequenza di laminazione sono state valutate.
L’ultimo tipo di analisi fatta (fig.7) considera anche i vincoli nello spostamento del cono dovuto alla presenza del terreno; dunque, è stato modellato anche il suolo tramite gli elementi rigidi. In questo modo è stato possibile studiare con più accuratezza gli effetti cinematici risultanti dall’impatto.
Bibliografia
- Tailored Torsion and Bending-Resistant Avian-Inspired Structures. Federica Buccino, Paolo Bruzzaniti, Sara Candidori, Serena Graziosi, Laura Maria Vergani. 2022, Advanced Engineering Materials.
