Ringrazio la mia famiglia per essere stata capace di supportarmi ed indirizzarmi.

I

Ringrazio la mia famiglia per essere stata capace di supportarmi ed indirizzarmi.

Ringrazio le persone a me care che hanno saputo comprendermi e che mi hanno aiutato a crescere.

Ringrazio infine Chiara per non aver mai

smesso di credere in me.

II

Sommario

Con il presente lavoro si mette a punto una procedura di analisi dell'interazione fluido-struttura per un'imbarcazione a vela da competizione. Le elevate prestazioni richieste possono essere garantite solo soddisfacendo stringenti requisiti strutturali e fluidodinamici.

L'imbarcazione presa in esame è l'AC45, catamarano ideato per l'allenamento degli equipaggi che partecipano alla 34

competizione di Coppa America.

In virtù del recente sviluppo di codici commerciali fluidodinamici e strutturali, capaci di ottenere risultati sempre più fedeli a quelli sperimentali, si è scelto un approccio di tipo computazionale.

La stazionarietà del sistema e la linearità del comportamento della struttura sono le ipotesi necessarie per impostare il modello del problema.

La strategia messa a punto è quella di accoppiare due codici commerciali, STAR- CCM+ per l'analisi fluidodinamica ed MSC NASTRAN per l'analisi strutturale, realizzando una procedura iterativa capace di valutare la mutua interazione tra il campo fluidodinamico e la forma della struttura (capace di definire la configurazione deformata finale).

Per interfacciare i due programmi vengono esportate le pressioni dalla simulazione fluidodinamica attraverso il tool di mappatura presente in STAR- CCM+, capace di interpolare i dati tra la griglia strutturale e quella fluidodinamica.

Il modello strutturale viene quindi caricato con la mappa di pressioni creata in precedenza attraverso un codice Matlab appositamente sviluppato. Le deformazioni risultanti vengono così mappate sul modello fluidodinamico per poi deformare la griglia fluidodinamica con lo strumento di mesh morphing di STAR-CCM+.

Il metodo viene applicato prima alla deriva del catamarano, in virtù della sua semplicità strutturale, e in seguito all'ala del medesimo.

Infine i risultati ottenuti dallo studio dell’ ala vengono analizzati per

comprendere il comportamento della struttura sotto carico.

III

ABSTRACT

The aim of this work is to develop an analysis of fluid-structure interaction for a racing sailing boat. A winning boat can be obtained only satisfying specific structural and fluid dynamic requirements.

The studied boat is the AC45, multihull designed for the training of the crew involved in 34

America’s cup competition.

We selected a computational approach on the basis of recent development of structural and fluid dynamics commercial codes, able to obtain results closer and closer to experimental data.

The hypothesis needed to create the model of the system are a steady behavior of the whole system and a linear behavior of the structure.

The strategy involves coupling two commercial codes, fluid dynamic solver (STAR-CCM+) and structural solver (MSC NASTRAN).

The result is an iterative procedure which can evaluate the mutual interaction between fluid dynamic field and shape of structure and it can also predict the final shape of the body (deformed).

To interface the softwares, pressures are exported from the fluid dynamic simulation using a mapping tool provided by STAR-CCM+, which is able to interpolate values of external pressure between the structural and the fluid dynamic grids.

Using a Matlab code specifically developed such a pressure map previously created, is loaded into the structural model which is solved to find the structure displacements. The latter are mapped into the fluid dynamic model and so used to warp the fluid dynamic mesh with the STAR-CCM+’s morphing tool.

This procedure is firstly applied to the fin (centerboard), easer structure, and then to the main sail of the yacht a more complex wing like structure.

Results are finally post-processed using a specifically developed Matlab code.

IV

Indice

Capitolo 1. Introduzione

1.1 Interazione fluido-struttura ………. 1

1.2 Il problema aeroelastico ……...……….………... 3

1.3 Obiettivi della tesi . ………. 5

Capitolo 2. Navigazione a vela 2.1 Introduzione ………..……….. 6

2.2 Forze aerodinamiche ………. 6

2.2.1 Andature portanti ..……….. 8

2.2.2 Andature montanti ………. 10

2.3 Forze idrodinamiche ……….... 12

2.4 Equilibrio delle forze e dei momenti ……….... 14

Capitolo 3. Metodologie computazionali di analisi FSI 3.1 Introduzione ………. 16

3.2 Interazione "One Way" ………. 16

3.3 Interazione "Two Way" ………. 17

3.3.1 Accoppiamento Weak ………. 18

3.3.2 Accoppiamento Strong . ………. 19

3.4 Modelli di algoritmo per la soluzione ………. 20

3.4.1 Modello fully coupled . ………. 21

3.4.2 Modello loosely coupled ………. 21

3.4.3 Modello closely coupled . ………. 22

3.5 Soluzione fully coupled interna a STAR-CCM+ …………. 23

3.6 File based coupling ……….... 25

3.6.1 Mapping Data ……….... 26

3.6.2 Morphing ………. 28

3.7 Co - simulazione tra Abaqus e STAR-CCM+ …………. 30

V

Capitolo 4. Descrizione della procedura di file based coupling tra STAR - CCM+e NASTRAN applicata ad un caso di deriva dritta

4.1 Realizzazione modello CAD ………. 31

4.2 Realizzazione del modello strutturale ………. 33

4.3 Realizzazione del modello fluidodinamico …………. 38

4.3.1 Importazione del modello geometrico ……… 38

4.3.2 Generazione della mesh . ………. 40

4.3.3 Definizioni delle condizioni al contorno ……. 46

4.3.4 Impostazioni del modello fisico . ………... 48

4.3.5 Creazione dei Report ………. 50

4.4 Procedura di Coupling . ………. 53

4.4.1 Analisi fluidodinamica ed esportazione della 53

distribuzione di pressione in Nastran 4.4.2 Analisi strutturale e calcolo della deformata 59

4.4.3 Analisi fluidodinamica . ………. 68

4.5 Analisi di convergenza ………. 73

Capitolo 5. Analisi dell’ala di un AC-45 attraverso il metodo di Coupling tra STAR - CCM+ e NASTRAN 5.1 Specifiche dell'ala dell'AC - 45 ……….... 75

5.2 Realizzazione modello CAD ………. 80

5.3 Realizzazione del modello strutturale ……….... 84

5.4 Realizzazione del modello fluidodinamico …………. 94

5.5 Coupling ed analisi di convergenza ………. 101

5.6 Post - Processing ………. 106

Capitolo 6. Conclusioni ………... 114

Bibliografia ……….... 116

Appendice A ………. 117