48 MAGGIO 2016 il progettista industriale SVILUPPO PRODOTTO IL TEAM H 2 POLITO È UN TEAM STUDENTESCO DEL POLITECNICO DI TORINO CHE SI OCCUPA DELLA PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI PROTOTIPI DI VEICOLI PER PARTECIPARE A COMPETIZIONI DI BASSO CONSUMO. NUOVO OBIETTIVO DEL TEAM È LA REALIZZAZIONE DI UN CERCHIO IN LEGA DI ALLUMINIO, PER IL PROTOTIPO DI VEICOLO IDRA, CHE PRESENTI CARATTERISTICHE DI MASSA E INERZIE RIDOTTE, MA SIA IN GRADO DI GARANTIRE LA RESISTENZA STRUTTURALE RICHIESTA, SIA IN TERMINI DI SOLLECITAZIONI CHE IN TERMINI DI RIGIDEZZA. Cerchio in lega di alluminio per prototipo di veicolo a basso consumo Massimiliana Carello, Antonio Malvindi, Daniele Multari, Pietro Sanfilippo Politecnico di Torino – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale Il Team H 2 politO Il Team H 2 politO è un team studentesco del Politecnico di Torino che si occupa della progettazione e realizzazione di prototipi di veicoli per partecipare a competizioni di basso consumo. Il Team è composto da studenti (attualmente più di 50) provenienti da diversi corsi di lau- rea del Politecnico e la competizione di riferimento è la Shell eco-Ma- rathon, una competizione internazionale a cui il Team partecipa, dal 2008, con IDRA nella categoria prototype e con XAM nella categoria urban concept. Il Team è multidisciplinare ed ha come obiettivo la for- mazione di ingegneri che siano in grado di interagire con aree tecniche diverse dalla propria lavorando ad un progetto ambizioso e complesso. Il veicolo IDRA L’obiettivo dello studio è la realizzazione di un nuovo cerchio in lega di alluminio, per il prototipo di veicolo IDRA, che presenti caratteristi- che di massa e inerzie ridotte, ma sia in grado di garantire la resistenza strutturale richiesta, sia in termini di sollecitazioni che in termini di rigi- dezza. Il veicolo IDRA è mosso da un motore elettrico alimentato gra- zie alla corrente prodotta da un a fuel cell a idrogeno ed è progettato nell’ottica di riduzione di massa e di attriti, pertanto è fondamentale ot- tenere il miglior compromesso tra massa e rigidezza. In base all’espe- Verifica dimensionale del cerchio
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SVILUPPO PRODOTTO
IL TEAM H2POLITO È UN TEAM STUDENTESCO DEL POLITECNICO
DI TORINO CHE SI OCCUPA DELLA PROGETTAZIONE E
REALIZZAZIONE DI PROTOTIPI DI VEICOLI PER PARTECIPARE
A COMPETIZIONI DI BASSO CONSUMO. NUOVO OBIETTIVO
DEL TEAM È LA REALIZZAZIONE DI UN CERCHIO IN LEGA DI
ALLUMINIO, PER IL PROTOTIPO DI VEICOLO IDRA, CHE PRESENTI
CARATTERISTICHE DI MASSA E INERZIE RIDOTTE, MA SIA
IN GRADO DI GARANTIRE LA RESISTENZA STRUTTURALE
RICHIESTA, SIA IN TERMINI DI SOLLECITAZIONI CHE IN TERMINI
DI RIGIDEZZA.
Cerchio in lega di alluminio per prototipo di veicolo a basso consumo
Massimiliana Carello, Antonio Malvindi, Daniele Multari, Pietro Sanfilippo Politecnico di Torino – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale
Il Team H2politOIl Team H2politO è un team studentesco del Politecnico di Torino che si occupa della progettazione e realizzazione di prototipi di veicoli per partecipare a competizioni di basso consumo. Il Team è composto da studenti (attualmente più di 50) provenienti da diversi corsi di lau-rea del Politecnico e la competizione di riferimento è la Shell eco-Ma-rathon, una competizione internazionale a cui il Team partecipa, dal 2008, con IDRA nella categoria prototype e con XAM nella categoria urban concept. Il Team è multidisciplinare ed ha come obiettivo la for-mazione di ingegneri che siano in grado di interagire con aree tecniche diverse dalla propria lavorando ad un progetto ambizioso e complesso.
Il veicolo IDRA L’obiettivo dello studio è la realizzazione di un nuovo cerchio in lega di alluminio, per il prototipo di veicolo IDRA, che presenti caratteristi-che di massa e inerzie ridotte, ma sia in grado di garantire la resistenza strutturale richiesta, sia in termini di sollecitazioni che in termini di rigi-dezza. Il veicolo IDRA è mosso da un motore elettrico alimentato gra-zie alla corrente prodotta da un a fuel cell a idrogeno ed è progettato nell’ottica di riduzione di massa e di attriti, pertanto è fondamentale ot-tenere il miglior compromesso tra massa e rigidezza. In base all’espe-
rienza accumulata nel corso degli anni all’interno del Team si è deci-so di realizzare il cerchio in alluminio partendo dal pieno ed in partico-lare utilizzare la lega AL7075-T6, già utilizzata in passato, che è in gra-do di garantire una tensione di snervamento elevata, oltre ad avere una buona lavorabilità.
Impostazione progettuale La progettazione dei sistemi ruota anteriore e posteriore del veicolo IDRA, ed in modo particolare dei due mozzi, è stata condotta per per-mettere di utilizzare lo stesso tipo di cerchio, riducendo quindi la com-plessità nella fase realizzativa. L’analisi descritta farà quindi riferimento ad un cerchio “neutro”. Nel modello finale dei due cerchi (anteriore e posteriore), invece, saranno presenti lievi differenze legate al fatto che a quello posteriore è fissata, direttamente, la corona della trasmissione ed è quindi stato necessario creare appositi supporti. Sono inoltre pre-senti, su entrambi i cerchi, dei fori circonferenziali per il montaggio di una schermatura in plexiglass, che sarà utilizzata durante la competi-zione per ridurre le perdite per attrito e ventilazione. Lo sviluppo delle possibili soluzioni per il cerchio ha seguito un processo logico che ha avuto origine dall’analisi della dinamica del veicolo, prendendo come ri-ferimento il circuito di Rotterdam (su cui si è corso il veicolo nel 2015), per ricavare lo stato di sollecitazione a cui sono soggetti i cerchi stessi. Si è quindi proceduto con la determinazione della geometria attraver-so un’ottimizzazione topologica eseguita mediante l’utilizzo di un mo-dello FEM. L’analisi topologica ha permesso di ottenere la distribuzione
ottimale di materiale in relazione alla tipologia e all’entità dei carichi ap-plicati, attraverso un processo di calcolo iterativo che richiede in input i vincoli e i carichi (ovviamente imposti dal progettista). I risultati dell’otti-mizzazione sono stati rielaborati attraverso una fase di post-processing che ha portato alla definizione del modello CAD del cerchio. Tale mo-dello è stato quindi rianalizzato per valutarne l’effettiva validità ed una volta “congelato” sono stati aggiunti i dettagli costruttivi non struttura-li ma fondamentali, come ad esempio il supporto per la corona di tra-smissione e il foro per la valvola dello pneumatico. Partendo dal cer-chio progettato e realizzato nel 2015, una volta ottenute maggiori infor-mazioni sul tracciato di gara per la competizione 2016, per implemen-tare il modello multibody del veicolo, si è deciso di effettuare ulteriori analisi e di irrigidire il componente andando ad agire sui punti che ri-sultavano critici.
Analisi topologica I carichi e i vincoli sono stati alcuni dei dati di input necessari per effettuare un’analisi agli elementi finiti. L’esperienza acquisita negli ultimi anni, durante la progettazione dei cerchi di IDRApegasus [1, 2], è servita per sapere che le zone strutturalmente critiche sono la zona intorno al mozzo e l’attacco delle razze al canale dello pneu-matico, il quale, invece, risulta abbastanza rigido e resistente. Que-ste informazioni sono state utilizzate per definire il sistema di cari-chi e di vincoli, in modo da meglio simulare il comportamento del cerchio, soprattutto per quanto riguarda gli stati di sollecitazione. Si
Fig. 1 – Reazioni vincolari sul cerchio Fig. 2 – Modello CAD iniziale del cerchio Fig. 3 – Prima versione cerchio ottimizzato
Fig. 4 – Ottimizzazione - dettaglio della zona mozzo Fig. 5 – Ottimizzazione - linee guida
è scelto, infatti, di vincolare proprio il canale del cerchio e di con-siderare come forze applicate le reazioni vincolari sui cuscinetti. Questa tipologia di carico, inoltre, riproduce le prove sperimentali che possono essere svolte dalla aziende sul componente finito per valutarne l’effettiva resistenza. Pe meglio utilizzare il solutore, ver-so un risultato più rapido e ad una geometria assialsimmetrica, si è deciso di eliminare, già in partenza, alcune zone del corpo centra-le orientandosi verso una soluzione a 3 razze, a 120°, con un am-piezza di 60° ciascuna come visibile nelle Figure 1 e 2. In Figura 1, in particolare, si può osservare la reazione vincolare dovuta alla for-za radiale (forza peso) pari a 500 N (in verde) e la forza assiale pari a 250 N (in blu). In viola sono invece rappresentati i vincoli. Il pro-cesso di ottimizzazione è stato eseguito mediante l’utilizzo del sof-tware Altair Hyperworks e in particolare del solutore lineare Opti-struct con cui viene effettuata l’intera progettazione meccanica del Team. La fase più critica della progettazione è stata la definizione della variabile topologica, ovvero la scelta della regione che si vuole ottimizzare. Alcune zone come il canale e la zona di attacco moz-zo sono definite e vincolate in base alle caratteristiche dello pneu-matico (Michelin a bassissimo coefficiente di rotolamento consente di ottimizzare le prestazioni del veicolo) e della geometria del moz-zo ruota. L’obiettivo è stato quello di ottimizzare la zona delle razze
e proprio questa zona del modello FEM è stata scelta come varia-bile di ottimizzazione, tenendo come target finale la riduzione della massa e dello spostamento massimo.
Il progetto finale del cerchio A questo punto è stato possibile effettuare l’analisi dei risultati median-te l’utilizzo del software HyperView di Altair, il cui il risultato dell’ultima iterazione è riportato in Figura 3. OptiStruct ha consentito di risolvere i problemi di ottimizzazione topologici utilizzando il metodo della densi-tà, noto anche come metodo SIMP, il quale assegna ad ogni elemento un valore di “densità di materiale” compreso tra 0 e 1, in base al fat-to che tale elemento sia void oppure solid. In pratica più tale valore si avvicina a 1, maggiore è l’importanza strutturale dell’elemento; gli ele-menti con valori vicini allo zero possono essere rimossi a favore di una riduzione in massa.A questo punto è stato possibile capire qual è il trend topologico, per poi replicarlo in ambiente CAD. Infatti, sebbene sia possibile esporta-re la geometria del componente a partire dall’analisi, essa sarà irrego-lare e poco modificabile. Attraverso un filtro è, invece, stato possibile rimuovere gli elementi con una element density inferiore ad un valo-re prefissato. I risultati ottenuti, per valori differenti di questo parame-tro, sono riportati nelle Figure 4 e 5 e dalla cui analisi si evidenzia che
Fig. 6 – Effetto del draw direction Fig. 8 – Andamento spostamenti
la zona intorno al mozzo necessita di un rinforzo, in particolare di tre strutture a forma di “H”. Come prevedibile, invece, la zona più interna delle tre zone inizialmente definite è “sacrificabile” a favore di una ri-duzione del volume e quindi della massa. La Figura 6 consente di va-lutare l’utilità del parametro dell’ottimizzatore definito draw direction, infatti si può osservare che il risultato della simulazione senza l’abilita-zione di questa funzione comporterebbe notevoli problemi di manu-facturing nelle lavorazioni per asportazione di truciolo, tecnologia che sarà utilizzata per la realizzazione dei cerchi. Tuttavia, questo tipo di funzione si interfaccia perfettamente con tutte le tecnologie di additive manufacturing, sempre più presenti nel mondo industriale.
Modello Cad e verifica Fem Partendo dai risultati dell’analisi di ottimizzazione si è proceduto con la modellazione CAD del componente. In particolare in Figura 7 si può notare la corrispondenza tra il modello FEM (Finite Element Method) e il componente finale. E’ stata effettuata un’ulteriore verifica strutturale tenendo conto del contatto cerchio mozzo, vincolando quest’ultimo e applicando le forze sul canale, facendo alcune approssimazioni su co-me sono trasmesse le forze tra pneumatico e cerchio. Il risultato è ot-tenuto è più che soddisfacente in quanto la versione 2016 del cerchio avrà, a calcolo, una massa di 1150 g contro i 1400 g del cerchio pre-cedentemente realizzato, con una riduzione di circa il 18%. Parten-do da questo studio, una volta disponibili i dati del nuovo tracciato del-la competizione 2016, è stata fatta una verifica del cerchio 2015, evi-denziando alcuni problemi relativi alla rigidezza del componente con i nuovi carichi, nel complesso più gravosi, che quindi potevano com-promettere le performance del veicolo. Allora è stata fatta un’ulteriore verifica considerando il caso peggiore di carichi, ovvero il limite del ribaltamento del veicolo alla velocità mas-sima per la curva più piccola che il veicolo deve essere in grado di fa-re (definita da regolamento). Dopo la modifica dei carichi è stata “irro-bustita” la geometria delle razze, in particolare la zona di connessione tra canale e razze, problematica per quanto riguarda la deformazione, mentre è stata alleggerita la zona intorno al mozzo, in quanto erano presenti margini in termini di tensione. I risultati, riportati nelle Figure 8 e 9, indicano uno spostamento massimo di 2.5 mm e una tensione massima di 117 MPa. Essi sono stati considerati accettabili in quanto hanno comportato un aumento complessivo in massa trascurabile (10 g sui 1150 g inizialmente previsti) ma una riduzione dello spostamento massimo di circa il 50% rispetto ai cerchi in configurazione 2015 ma con i carichi di Londra 2016.
Realizzazione del cerchioLa realizzazione dei cerchi è stata possibile grazie all’inserimento del progetto del Team all’interno de La Fabbrica Digitale presentata a mar-zo 2016 al MECSPE. In particolare sono state affrontate e risolte le pro-blematiche di ridurre il più possibile le tensioni residue e le deformazio-ni, che potevano presentarsi in fase di fresatura e che avrebbero potuto compromettere le performance del componente finito, vista la neces-sità di partire da un grezzo di 23 kg e asportare materiale fino a ave-re 1160 g. In particolare l’intera “filiera” produttiva è stata costituita da: fornitura di materiale (Commerciale Fond), realizzazione percorsi uten-sile (Vero Solutions) e realizzazione dei cerchi (TS – Technological Ser-vice), oltre a un fondamentale supporto, nelle diverse fase di lavorazio-ne, per l’ottimizzazione dei cicli di lavorazione e del controllo numeri-co (Heidenhain Italiana). In figura 10 è mostrata una fotografia del cer-chio in una fase intermedia di lavorazione, mentre nella Figura 11 è ri-portata una fotografia del componente finito. A seguito della realizza-zione è stato effettuato anche un controllo dimensionale (con una mac-china di misura Hexagon Metrology) per verificare che le tolleranze ef-fettive corrispondano a quelle richieste a progetto. Tale verifica ha dato esito positivo, quindi il Team è pronto ad assemblare i nuovi cerchi sul nuovo veicolo, anch’esso in fase di realizzazione, per muovere i “primi passi” nel mese di giugno per il collaudo generale prima di correre alla fine giugno alla Shell Eco-marathon a Londra. n
Bibliografia[1] M. CARELLO, B. Morcinelli, “IDRApegasus: un veicolo a 3023 km/L”, Il Progettista Industriale, Settembre 2012, pp. 36-41, ISSN 0392-4823.[2] M. CARELLO, A. MESSANA, “IDRApegasus: a fuel cell Prototype for 3000 km/L”, PACE Forum, Turin, July 28- August 1, 2014, Abstract and Poster Pre-sentation.
RingraziamentiIl Team H2politO ringrazia la Commissione Contributi Fondi e Progettualità Studentesca del Politecnico di Torino per il continuo supporto e contributo al progetto, nonché tutti gli sponsor e partner del Team (www.polito.it/h2polito).In particolare per lo sviluppo e realizzazione dei cerchi per IDRA 2016 il Team H2poli-tO ringrazia: Mecspe e Senaf, Altair, Heidenhain Italiana, TS – Technological Service, Commerciale Fond, Vero Solutions e Hexagon Metrology.
Fig. 10 – Fase intermedia di lavorazione del cerchio
