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ESAMI 2012-13 DISEGNO DI CARROZZERIA – Infine la Ferrari 250 SST

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FACOLTÀ DI INGEGNERIA “ENZO FERRARI” CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA DEL VEICOLO
CORSO DI “DISEGNO DI CARROZZERIA E COMPONENTI”
DOCENTE:
Prof. Fabrizio FERRARI
STUDENTI:
Riccardo Castagnoli, Giulio Corradetti, Diego Monteverde
ANNO ACCADEMICO 2011-2012
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Introduzione progetto
Il lavoro assegnatoci consiste nell’effettuare un restyling di una delle vetture storiche più apprezzate (e pagate) dai collezionisti di tutto il mondo, ovvero la Ferrari 250GT LM.
Lo scopo di questo restyling è quello di dedicare la macchina al compianto Sergio Scaglietti, scomparso recentemente, carrozziere che diede vita a numerosi capolavori della casa del cavallino rampante quando ancora era sotto le ali del “Drake” ed alla Ferrari in sé.
I limiti imposti per la realizzazione della vettura sono stati, oltre alle norme imposte dalla normativa vigente per la costruzione delle autovetture, di layout, ovvero della disposizione degli organi meccanici (quali motore e cambio, nonché della collocazione dei meccanismi di sospensione, di sterzo e del manichino “Oscar”).
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Il nostro obbiettivo per la realizzazione del progetto è stato di attenerci il più possibile alla realizzazione di una carrozzeria che non abbandonasse totalmente l’originale ma che, allo stesso tempo, richiamasse alcuni aspetti del family feeling delle moderne Ferrari.

1: Sviluppo progettuale vettura
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1.1: Primi bozzetti e idee
Il concetto di family feeling, va interpretato come la caratterizzazione stilistica che ogni casa da ai propri modelli: le caratteristiche che consentono a chiunque di riconoscere che quell’auto appartiene ad un determinato marchio.
Crediamo che, l’elemento che più richiama una Ferrari è la griglia posteriore, chiaramente ispirata alla leggendaria F40.
Abbiamo quindi iniziato a mettere su carta le nostre idee, cercando di arrivare al migliore compromesso tra le differenti proposte, l’ostacolo più arduo da superare è stato rendere le nostre idee un prodotto funzionale.
Per una prima impostazione della carrozzeria, seppur grezza, si è tratto ispirazione dalla Ferrari 458 Italia, essendo una vettura con motore centrale posteriore di recente fattura, per quanto concerne la parte anteriore, per il posteriore ci si è ispirati alla F12 Berlinetta e, soprattutto per i fari e i vistosi passaruota, alla storica 250GT LM, questo perché si è voluto mantenere una linea più “morbida” possibile, per non abbandonare il tipico stile anni ‘60.
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Essendo una macchina con layout a motore posteriore centrale, si è optato per un afflusso di aria ridotto all’anteriore, con presa d’aria che soddisfacesse solamente le esigenze di raffreddamento dei freni anteriori, non abbiamo voluto optare per un aerodynamic bridge in quanto si è voluto mantenere una linea il più pulita possibile, in modo da tenere basso il Cx stradale.
Un’eventualità che si potrebbe inserire potrebbero essere delle paratie mobili che schermino i freni dall’aria proveniente dalle bocche anteriori, nel caso le loro temperature fossero basse, cosi facendo si decrementerebbe l’energia dissipata per attrito viscoso con l’aria.
Al posteriore vi sono somiglianze sia con la F12 sia con la 250GT LM, in particolare, dalla F12 abbiamo preso la forma della parte finale della vettura, mentre dalla 250GT si è ripresa la forma dello spoiler, i fari e i passaruota molto pronunciati.
La presa d’aria vicina allo sportello di accesso all’abitacolo deve fornire aria sia per i fabbisogni di combustione nel propulsore, sia per quelli di raffreddamento dei vari fluidi (acqua e olio) e dei freni, infatti sono molto ampie e prevedono uno sfogo per i flussi caldi posto nella zona terminale della vettura.

1.1.1: Task clarification e obbiettivi
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Il gruppo si è posto quindi l’obbiettivo di realizzare una vettura che rispettasse certi canoni, nonché vincoli imposti, le linee guida perseguite si possono riassumere quindi in:
• Family feeling aziendale
• Rispetto del layout meccanico imposto alla consegna
• Coniugare il presente e il passato con linee che non stravolgano la carrozzeria originale
• Garantire una buona aerodinamica generale utilizzando la “filosofia Pininfarina”, ovvero niente ali ma portanza creata sulla carrozzeria

1.2: Metodo di realizzazione disegno

Il metodo di lavoro è stato impostato in modo da avere sin da subito una base da dove partire per i futuri miglioramenti.
Inizialmente abbiamo deciso di disegnare un primo abbozzo di vettura definitiva sul foglio del layout meccanico e degli ingombri dei meccanismi di sospensione e ruote.
Dopo aver verificato l’altezza del punto H da terra e che la testa del manichino di prova riuscisse a collidere con il volante senza ostacoli, abbiamo proceduto con il primo “embodiment” della vettura, tenendo conto dei vari vincoli.
Poiché il layout con Oscar fornitoci non era il 50esimo percentile, si è provveduto a ridimensionare il manichino calcolando anche il punto H dello stesso. Le coordinate del punto sono:

X=2103.4mm
Y=330mm
Z=375mm

Le coordinate sono state prese utilizzando come riferimento il sistema di riferimento dell’assembly in Catia. Nell’immagine è riportato il punto H, colorato in giallo per renderlo meglio visibile:

Come ultima parentesi sul posizionamento di Oscar esponiamo la prova di impatto sul volante e il posizionamento del manichino 50esimo percentile in modo tale da garantire una posizione di guida il più possibile comoda, sicura e corretta:

Successivamente alla fase di abbozzo, una volta riportate correttamente anche le misure sulla vista frontale e posteriore, si è continuato con la fase di ricopiatura su carta millimetrata della carrozzeria disegnata nella versione provvisoria, questo per controllare che le misure fondamentali e specifiche fossero corrette.

Ecco la scansione del disegno su carta millimetrata:

La ricopiatura in carta millimetrata è stata successivamente importata in un software di modellazione 3D, dal quale è stata creata la versione definitiva della vettura:

Si possono notare nella foto le quattro viste principali della vettura, concatenate in modo da garantire una ricostruzione più facilitata del 3D.
Le viste sono state importate prendendo come riferimento le quote fondamentali del disegno 2D su carta millimetrata, ovvero lunghezza=4355mm, altezza=1200mm e larghezza=1920mm.

Successivamente a queste fasi preliminari del progetto, si è proceduto alla generazione della vettura 3D via software, nei paragrafi successivi verranno spiegati i criteri utilizzati e le particolarità della vettura costruita.

1.3: Layout definitivo vettura

1.3.1: I particolari della carrozzeria

La vettura definitiva è stata realizzata secondo la checklist stabilita in partenza, per la sua descrizione iniziamo dal frontale della carrozzeria.

Il frontale è caratterizzato da due vistose griglie, il cui compito è apportare aria all’impianto frenante anteriore, inoltre, internamente alla carrozzeria, è consigliabile prevedere delle paratie che impediscano ai flussi di entrare se il raffreddamento non è necessario.
Considerando il layout a motore centrale si è sfruttato l’ingombro meccanico ridotto in zona cofano per garantire una più corretta aerodinamica del cofano motore, riducendo l’area ad alta pressione del frontale, i passaruota anteriori inglobano anche i proiettori anteriori, i quali sono comprensivi di luci di posizione, faro anabbagliante e abbagliante (lampada a doppio filamento) e frecce.
Sempre i passaruota anteriori inglobano gli indicatori di direzioni di ingombro laterale, nascosti negli scudetti con il logo “250 SST”, visibili nelle tavole in allegato.

Per quanto concerne la visibilità posteriore, si è optato per dei convenzionali specchietti retrovisori; la loro posizione è data dai passaruota posteriori, più alti di quelli anteriori, in modo da garantire un campo visivo riflettente ottimale.

La loro forma è strutturata in modo tale da ridurre l’area di base dello specchietto: visti di profilo, hanno una forma leggermente convergente, in modo da ottenere una scia più ridotta in dimensione trasversale, meno penalizzante dal punto di vista della resistenza all’avanzamento.

Una caratteristica peculiare della nostra carrozzeria è la cosiddetta “doppia gobba” sul tettuccio: essa non è particolarmente pronunciata, in quanto non deve fungere da diminuzione di deportanza (in quanto il tetto arcuato genera portanza, quindi diminuzione della resistenza indotta), ma per incanalare il flusso d’aria nella zona posteriore ove abbiamo posto un piccolo spoiler.

Questa particolarità costruttiva è stata frutto di ispirazione dallo studio della carrozzeria di auto alto-prestazionali, come la Ferrari 458 e la F12.

La fiancata è dominata dalla vistosa presa d’aria motore, con relativo imbocco generato dal profilo della carrozzeria appositamente per facilitare l’apporto di aria ai radiatori ed ai freni posteriori.

La portella di accesso all’abitacolo è stata ripresa dalla 250GT LM, la quale ha la tipica forma bombata, la quale lascia il cosiddetto “sentiero per il gatto”, che aiuta a convogliare l’aria al posteriore, soprattutto nella zona tra passaruota e zona lunotto.
Ecco, invece, un’immagine della fiancata vista in modo perfettamente perpendicolare:

La vista laterale, ci permette di appurare anche l’inclinazione del parabrezza:

Esperimenti condotti sull’aerodinamica delle vetture stradali, hanno misurato che, sulle vetture con un’inclinazione alla base del parabrezza di circa 60°, si ha un minimo asintotico di resistenza dovuta a questo particolare della vettura:

Perciò si è cercato di mantenere quest’angolo, il quale è di circa 61°(vedere figura sopra), e di raccordare il parabrezza stesso con il tetto della vettura, particolare evidenziato dalle marcature gialle nell’immagine seguente:

Le spazzole dei tergicristalli provocano disturbo all’aerodinamica della vettura, quindi si è optato per una loro collocazione schermata dal cofano motore:

Nella zona indicata delle frecce azzurre si collocheranno i bracci delle spazzole, inoltre, il lembo del cofano (in arancione) a ridosso del parabrezza, è stato curvato verso l’alto per impedire alla zona di ristagno del flusso di assumere dimensioni rilevanti.

Guardando la vettura dall’alto si può notare il “boat tailing” posteriore, ovvero la convergenza delle tangenti alle superfici delle fiancate.

Questo per diminuire l’area di base posteriore e quindi diminuire la zona di bassa pressione causante la resistenza aerodinamica maggiore.
Si può notare, inoltre, la convergenza delle pareti laterali del lunotto posteriore, in modo da convogliare i flussi verso lo spoiler senza far avvenire la separazione” dello strato limite: in questo modo, diminuisce la possibilità che avvengano fenomeni indesiderati di resistenza in quelle determinate zone.

Il lunotto posteriore, ipotizzando di misurare l’inclinazione dello stesso attraverso la sua linea mediana, è inclinato di circa 20° nel punto più obliquo, in modo da raggiungere il minimo possibile di resistenza aerodinamica dovuta a questa zona di carrozzeria senza compromettere troppo la visibilità e la realizzazione del vetro stesso, infatti, vetri troppo inclinati sono molto più costosi da realizzare, essendo che devono garantire visuale non sfalsata a chi vede attraverso di essi.

Per dare un’idea dell’andamento del drag coefficient in funzione dell’angolo • di inclinazione del lunotto, ecco un grafico esemplificativo:

La parte posteriore della vettura, di solito, è quella di più difficile realizzazione: essa è la responsabile di una non irrilevante quota parte di resistenza aerodinamica e deve seguire certi canoni:
• Minor area posteriore possibile;
• Il flusso deve separare nel punto prestabilito con la forma più caotica possibile di moto;
• Il flusso deve separare a pressione più alta possibile (il boat tailing facilita un recupero di pressione incrementando il cp);

Il risultato di queste linee guida è il seguente:

La coda è poco ampia e convergente ai lati e nel lato inferiore, con queste peculiarità il flusso si raccorda e converge posteriormente, garantendo una più ridotta area di base. Inoltre, come sopra citato, applicare il principio del “boat tailing” consente di avere un Cp più alto nella zona posteriore della vettura, ciò comporta avere una pressione di base più alta, essendo che la pressione di base è circa uniforme e pari al valore di pressione a cui separa lo strato limite.
Le luci posteriori con frecce separate sono ispirate alla Ferrari 250 GTO, mentre la luce del terzo stop è stata collocata sotto lo spoiler.
Ecco un’immagine esemplificativa delle luci e degli indicatori posteriori:

Nel resto della relazione si userà tuttavia una geometria semplificata dei fari posteriori.

Gli scarichi sono ispirati alla F40 (e quindi alla più recente 458), ovvero 3 condotti collocati centralmente; la stessa analogia è stata usata per le griglie per garantire il corretto ricircolo d’aria all’interno del vano motore.

Per incrementare la deportanza della vettura si è optato per il classico spoiler, esso ha molteplici funzioni:
• Generare deportanza ad andature elevate
• Permette al flusso di separare immediatamente riducendo la resistenza indotta e di forma
• Genera depressione sotto di esso, facilitando l’estrazione dell’aria dal diffusore posteriore
• Fornisce alla vettura un look più sportivo

Gli spoiler si dividono in varie tipologie a seconda del tipo di vettura:

Essendo la vettura di tipo notchback, si è optato per una soluzione di tipo 1, la quale garantisce una discreta variazione di deportanza (rispetto alla soluzione priva di spoiler) e un modesto incremento di resistenza.

1.3.2: Layout pannelli carrozzeria

Durante la progettazione della vettura, si è tenuto conto di possibili vincoli dovuti all’assemblaggio delle varie parti.
Si è optato per una rappresentazione multi cromatica per facilitarne la comprensione:

Analizzando la vettura dall’anteriore al posteriore possiamo vedere:
• Paraurto anteriore (colore fucsia);
• Passaruota anteriori (colore sabbia)
• Minigonne (marrone scuro)
• Sportello di accesso (verde scuro)
• Zona cofano anteriore, il vano di accesso è delimitato dalle linee nere (arancione)
• Specchietti retrovisori (rosso)

• Tettuccio e A-pillar (azzurro)
• Passaruota posteriori (viola)
• Zona posteriore padiglione e parte del cofano posteriore (blu)
• Zona posteriore e spoiler (rosso)
• Paraurto posteriore ed estrattore (grigio chiaro)
• Copertura motore e passaruota posteriori (verde chiaro)

Per il cofano motore, poiché dalla facilità con cui si accede al motore dipendono costi di gestione e semplicità delle operazioni di manutenzione, si è optato per una soluzione che richiamasse la 250GT, tuttavia, per evitare di sovradimensionare il meccanismo di apertura e di sostegno del cofano stesso, è stata intrapresa una via più semplice:

Il vano di accesso è limitato dalla zona blu rappresentata in figura, garantisce una discreta accessibilità sia per le operazioni di normale routine, quali sostituzione candele, rabbocco olio, cambio filtro aria e simili, sia per quelle operazioni leggermente più complesse.
Per quanto concerne la carenatura del sottoscocca, si è pensato ad una possibile scomposizione dei pannelli, ecco una figura illustrativa:

Il pannello grigio chiaro è l’estrattore, comprensivo anche una parte del paraurto posteriore, il quale, assieme al pannello beige, ha il compito di schermare dall’aria il motore ed il gruppo cambio-differenziale.
Gli altri 2 pannelli sono il rosa e l’azzurro, nei quali è semplicemente integrato il diffusore (marcato in nero):

1.3.3: misure vincoli regolamentari imposti

Durante lo sviluppo della vettura si è tenuto conto di diversi fattori vincolanti definiti da consegna e dalla normativa vigente:
• Altezza minima fari anteriori
• Larghezza massima gruppi ottici
• Posizionamento del gruppo ottico predefinito dal costruttore
• Altezza minima del paraurto anteriore
• Minima angolo di attacco anteriore
• Minima altezza da terra
• Rispetto del layout meccanico originario

Per avere una visione migliore dell’insieme si è proceduto con assemblaggi virtuali e quotature delle varie parti.
Di seguito è rappresentata l’immagine della massima pendenza frontale superabile:

Da normativa, tale valore, è di 7°, mentre il valore ottenuto è di 7,289°.
Per quanto concerne il prospetto anteriore abbiamo diversi vincoli:

I valori ottenuti sono i seguenti:
• Altezza fari: 650mm (da normativa è compresa tra 1200mm e 500mm)
• Semi-interasse gruppi ottici: 733mm
• Larghezza massima fari: 808mm
• Altezza massima paraurto anteriore 319.415mm, da normativa è 508mm
La vettura è stata rappresentata a metà per una migliore comprensione delle misure, essendo la disposizione dei gruppi ottici simmetrica rispetto al piano mediano della vettura.
Si è ritenuto opportuno utilizzare una configurazione dei gruppi ottici anteriori con lampada anabbagliante a doppio filamento in modo da risparmiare spazio evitando il posizionamento di un ulteriore faro abbagliante, lampada di posizione e indicatori di direzione, in un’unica sede.
Il gruppo ottico anabbagliante/abbagliante deve rispettare, inoltre, dei precisi angoli visivi, più precisamente, guardando la vettura in pianta, deve garantire un angolo di 10° verso l’interno della carreggiata e 45° verso l’esterno della stessa (nell’immagine si sta considerando la zona sinistra):

Sono state tracciate linee partenti dal bulbo della lampada e ad altezza faro, premurandosi del fatto che esse non intersecassero il cofano.
Guardando l’auto lateralmente gli angoli devono essere, rispetto ad una retta orizzontale partente dal centro del bulbo 15° superiomente e 10° inferiormente ad essa:

Il faro preso come riferimento è un modello standard della azienda Hella:

Esso è stato rappresentato mediante software con una forma più semplice ma a favore di sicurezza, in quanto più voluminosa:

Essendo il paraurto anteriore occupato dalle prese d’aria, si è pensato per l’alloggiamento della targa anteriore di prevedere un supporto in plastica esterno:

Tale soluzione è molto pratica per l’uso in pista in quanto il supporto è avvitato con 4 viti al paraurti, rimovibili da un eventuale vano apribile sotto al paraurto anteriore:

Le misure della piastra di supporto sono 400X120X2mm, a fronte di una dimensione di targa di 360X110mm (misurata sul campo).
Ecco il pezzo realizzato in 3D:

I piedini in plastica hanno un diametro di 10mm e, al centro di essi, vi è la sede per la vite da 6.5mm, con una profondità di 5mm, il raccordo tra piedino e supporto è di 0.5mm, come quello nella circonferenza esterna superiore; inoltre esso è inclinato di 3° con rotazione antioraria guardando l’auto da sinistra rispetto al piano normale al piano longitudinale medio dell’auto.
Per dare una miglior visione dei punti di attacco, ecco un’altra immagine:

Sono state effettuate prove di ingombro anche con il layout motore-cambio-ruote, in modo da verificare l’effettivo rispetto della consegna:

È stato riprodotto in modo grezzo il gruppo motore-cambio comprensivo di paratia anticalore ed è stato assemblato assieme alla carrozzeria della vettura:

Dalla figura seguente, rappresentante una sola metà della vettura, si può meglio visionare la disposizione della paratia anticalore e del motore:

Passando al posteriore della vettura, si è optato per un look dei fari che richiamasse lo stile anni ’60, ovvero un gruppo complessivo di luce di posizione-stop e indicatore di direzione:

L’altezza minima della luce di posizione è di 510mm, mentre per l’indicatore di direzione si scende a 390mm, sopra la targa è presente il terzo stop.
Per quanto concerne la targa, è stato ricavato uno spazio rettangolare di 160X580mm (le sue misure sono di 530X115mm, misurate sul campo), in modo da poter alloggiare sia la targa che le luci per l’illuminazione di quest’ultima.

Gli specchietti retrovisori sono stati oggetto di dibattito all’interno del team, in quanto essi potrebbero essere sostituiti da telecamere, tuttavia, si è optato nel layout finale per installare i classici specchi, in quanto, le telecamere, sarebbero state antiestetiche, od inefficaci, dovendo essere posizionate su un supporto apposito, a causa del passaruota posteriore.
Per questo motivo, anche i retrovisori classici sono stati posizionati in una posizione insolita (riferendosi al design delle ultime Ferrari), ma, cosi facendo, si è ottenuto un migliore campo visivo.
È stata effettuata anche una misura indicativa sulla superficie riflettente:

Il risultato ha fornito un dato di 6245mm2, naturalmente è una misura approssimata ed in favore di sicurezza, per farla si è utilizzato una sorta di “metodo dei rettangoli”, in modo da ottenere un valore credibile e non troppo ottimistico.

Di fondamentale importanza per un’automobile di questa potenza è il raffreddamento dei vari fluidi, in particolare acqua e olio, per cui è stato simulato un assembly tra vettura e radiatori, i quali sono stati ipotizzati uguali a quelli della Ferrari 458.
Si prevede, inoltre, un layout simmetrico degli stessi, ovvero un radiatore acqua e uno olio per fiancata per il fatto che dal layout meccanico abbiamo supposto una piattaforma molto simile all’ultima supercar V8 di Maranello.

Di seguito verranno riportate le immagini dell’assieme, in giallo ocra è rappresentato il radiatore olio ed in azzurro quello dell’acqua, in vista dall’alto:

Sotto invece abbiamo la vista a 3 quarti anteriore:

1.3.4: Angoli visivi Oscar

Vi sono vincoli regolamentari i quali normano il campo visivo minimo da garantire al manichino Oscar, essi sono:
• in pianta: 15° verso il montante sinistro e 45° verso il destro
• in vista laterale: maggiore od uguale a 5° per un angolo di rotazione laterale del capo di 180° e maggiore od uguale a 7° in almeno un punto

Avendo già posizionato Oscar, e quindi il monocolo, nei disegni preliminari abbiamo posizionato un punto in Catia corrispondente alle quote dell’occhio rispettando un’inclinazione del busto minore o uguale a 25° come da normativa, con origine nel punto a terra corrispondente all’estremità anteriore della vettura nella sua mezzeria:

X=2243mm
Y=380mm
Z=1015mm

Di seguito sono riportate le linee corrispondenti al campo visivo studiate tramite schizzi 2D in Catia:

Si è ritenuto opportuno, per una maggiore chiarezza di rappresentazione, mostrare anche una sorta di rappresentazione 3D dell’area visiva in pianta:

Ecco invece il cono laterale di Oscar:

Per maggior chiarezza è esposta l’immagine con la posizione frontale dell’occhio di Oscar:

In modo da poter appurare meglio l’assenza di ostruzioni visive.

1.4: Studio aerodinamico vettura

Durante la fase preliminare di sviluppo della vettura si è dibattuto sull’importanza dell’analisi aerodinamica della stessa e di comune accordo si è infine deciso di affrontare l’analisi, tramite software CFD, della carrozzeria per verificarne l’efficienza.
Di seguito verrà presentato il metodo con il quale è stata preparata e svolta l’analisi: il software utilizzato è StarCCM+, programmato dalla CD-Adapco, versione 6.04, presente sui computers della facoltà.

1.4.1: Presentazione del problema e del modello usato

Il programma CFD usato ha la particolarità di riuscire ad analizzare solamente domini chiusi, quindi si è racchiusa la vettura all’interno di una “scatola” fittizia che fungesse da dominio di calcolo, chiamata “box”:

le misure del dominio di calcolo sono 8998X3598X2000mm, che per ragioni di complessità e lunghezza della simulazione è leggermente risicato per la vettura, altrimenti sarebbe stato un calcolo troppo lungo da eseguire per i normali computer.
Per quanto riguarda la vettura sono state apportate modifiche alle prese d’aria ed ai passaruota:

infatti sono stati chiusi con delle superfici di riempimento, od il solutore non avrebbe visto il dominio come “chiuso” ed avrebbe dato errori nella generazione della griglia di calcolo.
Questa operazione falsa gli effettivi campi di moto in quanto l’auto è molto più aerodinamica di quanto non sia in realtà: essendo che le sedi ruota e la presa d’aria provocano notevoli perdite di distacchi di vena ed attrito viscoso.
Le due parti sono state assemblate utilizzando il tool “Assembly” di Catia ed esportate in formato .igs compatibile con il software CFD.

1.4.2: Generazione della griglia di calcolo

La prima operazione da compiere per affrontare questo genere di problemi è predisporre le cosiddette “Boundaries” del dominio fluido; esso è stato diviso in quattro boundaries racchiuse in un’unica “Region”:

esse sono state chiamate “in” (da dove il flusso entrerà), “out” (da dove esso uscirà), “car” (la pelle impermeabile della macchina) e “wall” (il “muro” esterno impermeabile del dominio) .

Successivamente a questa operazione preliminare si è provveduto alla generazione della griglia di calcolo vera e propria: essa è stata discretizzata con poliedri di dimensioni non troppo ristrette, in modo da accorciare i tempi di simulazione e risparmiare preziose risorse informatiche; tuttavia sono stati riscontrati problemi con il modello originario della vettura, i quali impedivano il corretto svolgimento del calcolo.
Il primo di essi è l’estrusione eseguita per ricavare i fari posteriori della vettura:

questo spessore provocava una sovrapposizione di celle nella mesh di superficie, le quali venivano interpretate dal software come facenti parte di un “edge” non manfold, ovvero non chiuso, segnalando l’errore durante la mesh di volume.
La soluzione è stata semplicemente rimuovere l’estrusione e lasciare la superficie posteriore liscia, con ciò non sono state rimosse parti aerodinamicamente apprezzabili e utili ai fini della veridicità del calcolo.

Il secondo problema, più complesso, ha coinvolto i retrovisori della vettura: essi nonostante si sia provveduto a localizzare l’infittimento nella zona dove sono stati collocati, venivano male approssimati dal solutore durante la generazione della griglia di calcolo generando zone di interstizio, le quali portavano a divergenza il calcolo.
La soluzione intrapresa è stata rimuovere i retrovisori stessi, in quanto non permettevano al solutore di convergere, tuttavia anche questa approssimazione rende ancora più ottimistico il risultato ottenuto.

1.4.5: Svolgimento simulazione fluidodinamica

Una volta generata la griglia di calcolo, si è proceduto a scegliere i modelli fluidodinamici e le condizioni iniziali per poter affrontare il processing.
Per quanto riguarda i modelli scelti si è optato di considerare l’aria come ideale e non reale: poiché non subisce né trasformazioni rilevanti né fluisce a velocità maggiori di 200km/h; inoltre per la risoluzione delle equazioni del moto si è utilizzato il k-• one layer con simulazione stazionaria (ovvero metodo di calcolo RANS).

Si è pensato di partire subito con una velocità in ingresso di 200km/h (circa 55.5m/s) ma si sono presentate difficoltà in termini di convergenza, per cui si è optato, per fornire condizioni iniziali più veritiere al modello, di flussare la sola “box” ad una velocità di 5/ms ed esportare tramite tabelle dati le variabili fluidodinamiche più importanti (come pressione, velocità, turbulent dissipational rate e turbulent kinetic energy), per importarle successivamente nel modello finale.
La simulazione è stata svolta per step successivi in quanto inizialmente è stata imposta una velocità dell’aria di 5m/s (come la simulazione stazionaria), una volta arrivata a convergenza la si è incrementata prima a 10m/s, poi a 20m/s ed infine a 55.56m/s, con la stessa modalità.
Di seguito si riportano i residui del calcolo effettuato:

Si può notare i picchi corrispondenti agli incrementi di velocità e si nota anche come l’ultima parte di simulazione a 200km/h sia la più difficile da sopportare per il solutore, in quanto peggio interpreta la turbolenza rispetto alle precedenti (la curva nera rappresenta l’equazione di “k”-dissipational rate; mentre quella azzurra di “•”-kinetic energy).
Questo fatto è dovuto alla mesh rada e allo strato limite molto importante che si viene a creare sotto e dietro la vettura, il quale viene male approssimato dal modello matematico usato essendo la griglia inadatta.
Per risolvere questo difetto di simulazione si dovrebbe infittire moltissimo la griglia nelle zone inferiori e posteriori della vettura, nonché tutta la superficie della stessa, ma il costo computazionale della simulazione che ne deriverebbe è troppo alto da sopportare per un normale computer.

1.4.6: Immagini calcolo e risultati ottenuti

Verranno proposte, di seguito, una serie di immagini per esporre i risultati ottenuti con il processing:

L’immagine esposta rappresenta il campo di velocità formatosi nel piano medio della vettura: si può notare il picco di valori nella zona del tetto e del fondo vettura, mentre è presente una zona di bassa velocità posteriormente e frontalmente alla vettura.
Si può capire il limite di realismo della simulazione in quanto il lato superiore della “box” costituisce un intralcio al corretto scorrere del flusso, limite che non sussiste nella realtà, a meno di non sfrecciare a 200km/h nel salotto di casa.

Ecco altre immagini che forniscono un’idea del campo di moto:

Da queste immagini si vede come il boat tailing laterale al posteriore aiuti il flusso a convergere posteriormente, ciò migliora l’aerodinamica in quanto si genera una scia più contenuta, facilitando la fusione dei due strati limite.
Dal colore verde delle streamline (che segnala una velocità di circa 50m/s) inoltre si nota come il flusso riacquisti velocità relativamente in fretta.

Si è ritenuto utile riportare anche un paio di immagini inerenti al campo di vorticità della vettura: si può vedere come le zone di distorsione della particella fluida siano presenti solo al posteriore e nel fondo vettura.

Tale fatto testimonia la bontà del progetto: la linea della vettura non sconvolge il flusso e permette ad esso di seguire un andamento non tormentato.
Un’altra grandezza aerodinamicamente importante è la pressione, intesa come pressione relativa e coefficiente di pressione (Cp).

In ordine dall’alto sono esposte la vista anteriore, in pianta (superiore ed inferiore) e posteriore: come si può evincere dalla colorazione della vettura, le zone a Cp elevato sono solamente il paraurto anteriore, la base del parabrezza e in corrispondenza delle prese d’aria motore (chiuse).
L’aspetto positivo che si può notare nella vista anteriore è la zona di ristagno alla base del parabrezza poco estesa infatti il colore verde indica un Cp pari a circa zero, mentre le zone azzurre sono a Cp negativo, questo è probabilmente dipeso dalla schermatura della giunzione cofano/parabrezza, la quale devia il flusso quasi parallelamente al parabrezza stesso.

La vista in pianta ci mostra come la gran parte della vettura sia a Cp negativo; l’unica zona a Cp leggermente positivo è dove si trova lo spoiler e alla base del lunotto posteriore. La pianta vista da sotto fa intendere l’efficacia del fondo vettura piatto, ovvero l’assenza di ristagni od elevate pressioni (al netto delle ruote).

Guardando la vettura posteriormente si ha l’idea di come ci sia un recupero di pressione poco prima della separazione, tale effetto è gradito e positivo in quanto avere un’area di base a pressione più elevata garantisce una minor resistenza dovuta alla scia.

Passando alla pressione relativa si ha un’idea dell’entità dei valori di questa grandezza agenti sulla vettura.

L’andamento delle pressioni relative ricalca quello dei coefficienti di pressione: la maggior parte della vettura è di colore azzurro, cioè con pressioni relative inferiori allo zero, compresa la parte bassa del parabrezza.
La vista in pianta testimonia il recupero di pressione posteriore in prossimità del lunotto e dello spoiler, essendo di colore giallo/verde significa che la pressione relativa è tra lo 0 e i 1000Pa.

La zona posteriore assume un colore verde tendente all’azzurro, il che significa una pressione relativa di circa -700Pa, ovvero una depressione in valore assoluto inferiore rispetto alle zone adiacenti ad essa.
Un’immagine interessante che può dare un’idea di come la vettura si comporti alle alte velocità, sul piano mediano della stessa si è rappresentato l’andamento delle pressioni assolute:

Le zone azzurre sono a pressione relativa quasi nulla, mentre le zone blu sono di depressione, come prevedibile il tettuccio è una zona di depressione assieme al fondo vettura: ciò è positivo, in quanto vuole dire che sono assenti fenomeni di “decollo” della vettura alle alte velocità.
Si può notare inoltre la presenza di un forte effetto deportante all’anteriore, dovuto alla zona di ristagno del flusso e un effetto deportante più lieve al posteriore nella zona dello spoiler e del lunotto.

Le considerazioni fatte per le immagini relative al Cp sono valide anche per le immagini degli andamenti della pressione relativa.
E’ opportuno segnalare, per dovere di cronaca, che un calcolo di questo genere per essere a regola d’arte dovrebbe essere eseguito con l’ausilio di computer creati appositamente per soddisfare determinate prestazioni di calcolo, essendo la griglia di calcolo molto più fine di quella usata nel caso esposto.

1.5: Conclusioni

L’esperienza che questo corso offre ci ha permesso di sperimentare il lavoro in team, ci ha posti di fronte alle problematiche tipiche di questo tipo di attività: il doversi confrontare, il dover coniugare le diverse esigenze sia di normativa che di idee provenienti dai diversi membri, il rispetto di determinate scadenze e di determinate consegne.
Il lavoro di gruppo offre l’opportunità di capire, seppur in una visione ridotta, le dinamiche aziendali e l’organizzazione di questo tipo di compiti, inoltre l’uso di programmi CAD in modo approfondito permette di incrementare le proprie capacità personali in questo campo facendo acquisire allo studente un bagaglio di conoscenze software che potranno essergli utili nel suo futuro lavorativo.

Appendice: Render e messe in tavola

Di seguito riportiamo le immagini di alcuni render effettuati con l’ausilio del software CAD “Catia V5R20”; per le messe in tavola comprensive di “carrozzeria e sezioni ribaltate in loco a 90°” e “carrozzeria e layout meccanico” si rimanda agli allegati della relazione.

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