SOMMARIO:
CAPITOLO 1 – INTRODUZIONE ... 1
CAPITOLO 2 –ANALISI DI UNA DERIVA IN RIFERIMENTO ALLA CLASSE AC ... 4
2.1 Introduzione ... 4
2.2 L’imbarcazione a vela e il ruolo della deriva ... 4
2.2.1 Il bulbo e le winglets ... 6
2.2.2 La lama e il trim tab ... 7
2.3 Coppa America: regolamenti e dimensioni caratteristiche di riferimento ... 8
2.4 Vincoli di progetto ... 12
CAPITOLO 3 - OTTIMIZZAZIONE DELLA LAMA E DEL TRIM TAB (2D) ... 13
3.1 Introduzione ... 13
3.2 Procedura di ottimizzazione della lama ... 13
3.3 Definizione della geometria e delle variabili di ottimizzazione associate ... 13
3.5 Definizione ed analisi della funzione obiettivo ... 17
3.6 Scelta di un codice numerico di simulazione aerodinamica ... 18
3.7 Scelta del software di ottimizzazione ... 20
3.8 Implementazione della procedura nel software di ottimizzazione ... 20
3.9 Validazione della procedura con l’utilizzo di obiettivi semplificati ... 25
3.10 Risultati della procedura di ottimizzazione con l’obiettivo completo ... 34
CAPITOLO 4 - OTTIMIZZAZIONE DELLA DERIVA COMPLETA (3D) ... 39
4.1 Introduzione ... 39
4.2 Schema logico della procedura di ottimizzazione ... 39
4.2.1 Definizione degli input della procedura di calcolo ... 40
4.3 Software utilizzati per implementare la procedura ... 42
4.3.1 Gestione del modello CAD parametrico e scalatura del bulbo (CATIA V5R17) ... 42
4.3.2 Gestione della procedura di ottimizzazione (modeFRONTIER) ... 44
4.3.3 Generazione della mesh e calcolo del flusso attorno al modello (STAR-CCM+) ... 45
CAPITOLO 5 - DEFINIZIONE DEL MODELLO CAD ... 46
5.1 Introduzione ... 46
5.2 Superficie del bulbo ... 46
5.3 Punti di controllo ausiliari relativi alla forma del bulbo ... 52
5.4 Superficie della lama ... 54
5.5 Superficie delle winglets ... 58
5.6 Deriva completa e misura del peso del bulbo ... 59
5.7 Box relativo al dominio di calcolo ... 61
5.8 Macro VBScript per la scalatura del bulbo ... 62
5.9 Dimensioni principali del modello CAD ... 64
CAPITOLO 6 - ANALISI CFD DELLA DERIVA ... 65
6.1 Introduzione ... 65
6.2 Importazione della geometria del modello e del box relativo al dominio di calcolo ... 66
6.3 Generazione della mesh e impostazione delle condizioni al contorno ... 68
6.4 Impostazione del solutore aerodinamico per il calcolo del flusso ... 72
6.5 Esportazione dei report relativi alle forze ... 73
6.5 Parametri di costruzione della mesh e prove di sensibilità ... 74
CAPITOLO 7 - IMPLEMENTAZIONE DELLA PROCEDURA DI OTTIMIZZAZIONE IN MODEFRONTIER ... 76
7.1 Introduzione ... 76
7.2.1 Impostazione del modello CAD e del processo di scalatura ... 78
7.2.2 Impostazione delle variabili di ottimizzazione ... 79
7.2.3 Definizione del set di design iniziale (design of experiment) ... 80
7.2.4 Impostazione del nodo di connessione al CLUSTER per il calcolo CFD ... 81
7.2.5 Impostazione del nodo transfer file ... 83
7.2.6 Selezione del file di output e definizione della funzione obiettivo ... 84
CAPITOLO 8 – RISULTATI ... 86
8.1 Introduzione ... 86
8.2 Analisi dei risultati ... 86
8.3 Confronto tra configurazione ottima e configurazione di base ... 90
CAPITOLO 9 – OTTIMIZZAZIONE DELLE WINGLETS ... 98
9.1 Introduzione ... 98
9.2 Procedura di ottimizzazione ... 98
9.2.1 Definizione delle variabili di ottimizzazione ... 98
9.2.2 Implementazione della procedura in modeFRONTIER ... 100
9.3 Risultati ... 101
CAPITOLO 10 – CONCLUSIONI E SVILUPPI FUTURI ... 106
10.1 Conclusioni ... 106
10.2 Sviluppi futuri ... 107
APPENDICI ... 108
Appendice A – Script Matlab per approssimare un profilo con una curva di Bezier ... 108
Appendice B – Script relativi al nodo Matlab dell’ottimizzazione 2D ... 110
Appendice C – Macro CATIA V5 per la scalatura del volume del bulbo con il vincolo di momento raddrizzate costante (VBScript) ... 116
BIBLIOGRAFIA………119
INDICE DELLE FIGURE:
Figura 1.1 – Schema di progetto di un imbarcazione AC ... 2
Figura 2.1 – Andatura di poppa ideale ... 4
Figura 2.2 – Andatura di poppa reale ... 5
Figura 2.3 – Andatura di bolina. Forza aerodinamica risultante ... 6
Figura 2.4 – Tipica deriva di un imbarcazione classe AC ... 7
Figura 2.5 – Momento raddrizzante in funzione del peso della zavorra ... 10
Figura 2.6 – Confronto tra la nuova classe AC(destra)e la precedente(sinistra) ... 11
Figura 2.7 – Potenziale scafo del Team Luna Rossa per l’AC33 ... 11
Figura 3.1 – Profili NACA utilizzati e relative curve di Bezier approssimanti ... 15
Figura 3.2 – Fattore di amplificazione in funzione dell’ascissa relativa ... 19
Figura 3.3 – Work flow di modeFRONTIER ... 21
Figura 3.4 – Schema logico del processo realizzato dal Matlab node ... 23
Figura 3.5 – Influenza del punto di transizione (dorso) sul Cd ... 28
Figura 3.6 – Influenza del punto di transizione (ventre) sul Cd ... 28
Figura 3.7 – Influenza dello spessore relativo sul Cd ... 29
Figura 3.8 – Influenza della posizione del punto di massimo spessore sul Cd ... 29
Figura 3.9 –Andamento del coefficiente di pressione sul profilo ottimizzato ... 31
Figura 3.10 – Influenza del punto di transizione (dorso) sul Cd ... 31
Figura 3.11 – Influenza del punto di transizione (ventre) sul Cd ... 32
Figura 3.12 – Influenza dello spessore relativo sul Cd ... 32
Figura 3.13 – Influenza della posizione del punto di massimo spessore sul Cd ... 33
Figura 3.14 – Influenza della posizione e della deflessione del flap sul Cd ... 33
Figura 3.15 – Andamento del Cp sul profilo ottimizzato ... 36
Figura 3.16 - Influenza del punto di transizione (dorso) sulla funzione obiettivo ... 36
Figura 3.17 - Influenza del punto di transizione (ventre) sulla funzione obiettivo ... 37
Figura 3.18 – Influenza dello spessore relativo sulla funzione obiettivo ... 37
Figura 3.19 –Influenza della posizione del punto di massimo spessore sulla funzione obiettivo ... 38
Figura 4.1 – Esempio di creazione di un oggetto e di un parametro di lunghezza ... 42
Figura 4.2 – Esempio di assegnazione del parametro... 43
Figura 4.3 – Schema della procedura di ottimizzazione della deriva ... 44
Figura 5.1 – Comandi di inizializzazione per l’introduzione di un parametro ... 46
Figura 5.2 – Comandi per la generazione di un parametro reale ... 47
Figura 5.4 – Inserimento dei polinomi di Bernstein dall’editor di leggi ... 48
Figura 5.5 – Definizione parametrica complessiva delle curve di Bezier dall’editor di leggi... 49
Figura 5.6 – Modello wireframe del bulbo: vista XZ e XY ... 49
Figura 5.7 – Modello wireframe del bulbo: sezione YZ e vista isometrica ... 50
Figura 5.8 – Superficie complessiva del bulbo (superficie multi sezione) ... 51
Figura 5.9 – Andamento dei coefficienti di influenza in funzione della distanza ... 52
Figura 5.10 – Relazioni che definiscono gli spostamenti dei punti di controllo ... 53
Figura 5.11 – Script Matlab per l’inserimento dei punti relativi al profilo della lama ... 54
Figura 5.12 – Oggetti necessari per definire il modello wireframe della lama ... 55
Figura 5.13 – Modello wireframe della lama ... 56
Figura 5.14 – Costruzione del modello wireframe del profilo con flap ... 57
Figura 5.15 – Superficie complessiva della lama ... 57
Figura 5.16 – Schema logico per la costruzione CAD delle winglets ... 58
Figura 5.17 – Modello CAD della deriva completa ... 59
Figura 5.18 – Introduzione delle caratteristiche inerziali del bulbo nel modello ... 60
Figura 5.19 –Parametri inseriti nel modello per definire il momento raddrizzante ... 60
Figura 5.20 – Box relativo al dominio di calcolo ... 61
Figura 5.21 – Modello della deriva completa di box ... 63
Figura 6.1 – Modifica da apportare alla macro per l’importazione del modello ... 66
Figura 6.2 – Strumento surface repair all’interno di STAR-CCM+ ... 67
Figura 6.3 – Modello completo di box importato all’interno di STAR-CCM+ ... 68
Figura 6.4 – Mesh superficiale della deriva ... 70
Figura 6.5 – Mesh superficiale del box ... 71
Figura 6.6 – Zoom relativo alla zona di connessione al modello (superficie di simmetria) ... 71
Figura 6.7 – Comandi per la creazione dei report relativi alle forze ... 73
Figura 7.1 – Work flow di modeFRONTIER ... 77
Figura 7.2 – Application node relativo al software CATIA ... 78
Figura 7.3 – Finestra per la definizione del driver di avvio di CATIA ... 79
Figura 7.4 – Finestra per la definizione delle varabili di ottimizzazione... 79
Figura 7.5 – Finestra per la definizione del DOE ... 80
Figura 7.6 – Impostazione dei parametri relativi all’algoritmo di ottimizzazione ... 81
Figura 7.7 – Impostazione dei parametri di connessione al cluster ... 82
Figura 7.7 – Impostazione del percorso di avvio e scelta dei processori da utilizzare ... 82
Figura 7.9 – Impostazione del nodo output file ... 84
Figura 7.10 – Esportazione del valore di output dal file di report del calcolo CFD ... 84
Figura 7.11 – Impostazione del vincolo sulla portanza... 85
Figura 7.12 – Impostazione dell’obiettivo sulla resistenza ... 85
Figura 8.1 – Ripartizione del processo tra computer locale e cluster ... 86
Figura 8.2 – La scatter chart ... 87
Figura 8.3 – RSM corda radice lama, rastremazione e portanza ... 88
Figura 8.4 – RSM posizione della lama rispetto al bulbo, rastremazione e portanza ... 88
Figura 8.5 – RSM corda radice lama, rastremazione e resistenza ... 89
Figura 8.6 – RSM posizione della lama rispetto al bulbo, rastremazione e resistenza ... 90
Figura 8.7 – Configurazione di base (prospettiva) ... 92
Figura 8.8 – Configurazione ottimizzata (prospettiva) ... 93
Figura 8.9 – Vista laterale configurazione base (sx) e ottimizzata (dx) ... 93
Figura 8.9 – Vista laterale configurazione base (sx) e ottimizzata (dx) ... 94
Figura 8.10 - Vista frontale configurazione base (sx) e ottimizzata (dx) ... 94
Figura 8.11 – Streamlines relative alla configurazione base ... 95
Figura 8.12 – Streamlines relative alla configurazione ottimizzata ... 96
Figura 9.1 – Corda e posizione longitudinale delle winglets ... 98
Figura 9.2 – Angolo di calettamento delle winglets ... 99
Figura 9.3 – Angolo di diedro delle winglets ... 99
Figura 9.4 – Work flow di modeFRONTIER ... 100
Figura 9.5 – Scatter chart relativa alle configurazioni generate ... 101
Figura 9.6 – RSM angolo di calettamento, angolo di diedro e resistenza ... 102
Figura 9.7 - RSM angolo di calettamento, posizione e resistenza ... 102
Figura 9.8 - RSM corda alla base, corda all’estremità e resistenza ... 103
Figura 9.9 – Configurazione winglets ottimizzata ... 104
INDICE DELLE TABELLE:
Tabella 2.1 – Modifiche principali al regolamento della classe AC ... 8
Tabella 3.1 – Condizioni di utilizzo considerate nell’ottimizzazione ... 16
Tabella 3.2 – Caratteristiche della procedura di ottimizzazione ... 24
Tabella 3.3 – Punti di Bezier del profilo e relativi estremi di variazione... 25
Tabella 3.4 – Risultati relativi alla funzione obiettivo semplificata (condizione poppa) ... 27
Tabella 3.5 – Risultati relativi alla funzione obiettivo semplificata (condizione bolina) ... 30
Tabella 3.6 – Risultati relativi alla funzione obiettivo completa ... 35
Tabella 6.1 – Parametri di costruzione della mesh poliedrica ... 74
Tabella 6.2 – Sensibilità dei risultati al variare della mesh di volume ... 75
Tabella 8.1 – Caratteristiche della procedura di ottimizzazione ... 90
Tabella 8.2 – Variabili di ottimizzazione relative alla configurazione di base e a quella ottimizzata ... 91
Tabella 8.3 –Caratteristiche della configurazione ottimizzata e di quella base ... 92
Tabella 8.4 – Portanza e resistenza della configurazione base e quella ottimizzata ... 97
Tabella 9.1 – Parametri geometrici della configurazione iniziale e di quella ottimizzata ... 104
