Premio Internazionale 2003
Leonardo da Vinci
Il progetto e lo sviluppo
di un motore
da competizione F1
Milano, 24 Novembre 2003
1
Gli strumenti della progettazione
(motore)
•
Il METODO
•
Le fasi del PROGETTO
•
L’impiego della SIMULAZIONE
2
La progettazione “tradizionale”
Progetto
Progetto
più “robusto”
Progetto
Design review
(riduzione di materiale)
Rottura
Eccessiva
sicurezza
(sovradimensioname
nto)
3
Flow chart della progettazione “tradizionale”
- catena di eventi Technical regulations
Technical
specs
Architecture
(shape concept)
Concept design
Materials
First calculation
Project
Analysis
Prototype
Engineering
Track tests
Raceable components (engines)
4
Flow chart dell’attuale metodo di progettazione
- anello di eventi Technical regulations
Technical specs
Concept design
Numerical analysis
First calculation
Architecture
(shape concept)
Project
Materials
Engineering
Tests on virtual & real prototypes
Raceable components (engines)
5
Confronto fra i due flussi
• Catena di eventi:
– Processo monodimensionale, semplice,
intuitivo, individualistico
• Anello di eventi:
– Processo bidimensionale, organico, strategico, collettivo;
vengono coinvolti i fornitori (partners)
6
Strumenti innovativi utili
all’introduzione del flusso ad anello
• Informatici
(IT tools)
– Hardware di ultima
generazione
– Internet / Intranet
– Modellazione solida
– Codici di simulazione
• CFD
• FEA
• di proceso
• Tecnologici
– Rapid Prototyping
– Robot
– Metrologia
computerizzata
• Organizzativi
• Quality Assessment
• Metallurgia
• Tecnologie e
processo
7
Rappresentazione
dell’anello di progettazione
(applicato al motore)
Calcoli e
Simulazione
Metallurgia
Ufficio
Tecnico
Ingegnerizzazione
Qualità
8
Le FASI della progettazione del motore F1
Limiti (Constraints)
Obiettivi
Regolamenti
Prestazione
Costi
Affidabilità
Tempo
Integrazione
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Obiettivi  nuovo motore
• Aumentare le
prestazioni
• Ridurre il peso
& abbassare il
baricentro
OBIETTIVI
• Compattare
• Migliorare
l’affidabilità
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Le due fasi del progetto
• Avanprogetto (conceptual design):
– risposte veloci e versatilità
– accuratezza sufficiente a fornire criteri di scelta ed idee di
sviluppo: 2D.
– costruzione di modelli e mock-ups
• Consolidamento del progetto:
–
–
–
–
Definizione di dettaglio: 3D
Ottimizzazione dei dettagli di progetto
Consolidamento degli obiettivi (affidabilità, guidabilità, …)
Interventi migliorativi
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Principali attività di avanprogetto e
consolidamento progetto
• L’analisi di avanprogetto
include:
• Il consolidamento del
progetto include la
delibera dei componenti:
- l’individuazione delle linee di
sviluppo;
- la verifica strutturale di
massima;
- lo studio di modelli funzionali
e/o prototipi di sotto-gruppi
- analisi tensionale per il
raggiungimento della vita
operativa;
- analisi deformativa per la
funzionalità;
- verifiche speciali, es. studi
vibrazionali, acustici, …
12
I modelli
• La progettazione di qualunque manufatto prevede
che si affronti il problema per mezzo di un
modello (o più modelli). L’ingegnere deve
operare basandosi su di esso tenendo presente che:
– Occorre definire modelli idonei: l’accuratezza deve
essere proporzionale agli obiettivi
– Non esiste - in generale - un modello globale in grado
di simulare completamente un manufatto a qualsivoglia
dettaglio
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Modelli solidi 3D
• I modelli solidi hanno un contenuto in informazioni
significativamente maggiore dei corrispondenti disegni 2D
• La geometria e le condizioni al contorno sono riprodotte in modo
più rigoroso
• E’ possibile applicare un’ampia gamma di indagini direttamente
dal modello:
– simulazione e calcolo del circuito di raffreddamento
(dimensionamento delle “water jackets”)
;
– sviluppo del processo tecnologico (fonderia, lavorazioni
meccaniche);
– Integrazione di attività specialistiche (calcoli di combustione,
fluidodinamica motore, modelli di friction, interazioni col veicolo, …)
14
Calcolo CAD 3D (integrato CAM)
•
•
•
•
1 solo modello matematico
calcolo/simulazioni avanzate (FEM)
controllo continuo del peso
rapid prototiping
15
Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale
16
Esempi di analisi numerica applicata
nella progettazione di un motore
•
•
•
•
Structural analysis FEA
Vehicle dynamic
Computational Fluid Dynamic
Thermal stress analysis
17
Esempio di analisi numerica F.E.A.
18
19
20
Considering design and operating parameters
Cylinder pressure
Piston Parameters
Ring Parameters
70
1.5
Pressure [bars]
60
P1
50
40
30
20
P7
P13
10
P3
0
-360
P14
P16
P5
P17
-180
0
180
Crank Angle [degrees]
360
Crankcase pressure
Engine speed
Temperatures
Piston thermal expansion
Bore expansion
Liner roughness
Oil Specifications
Viscosity/Temperature
10
0
Thermal Distortion and worn patterns
Viscosity of Different Oils
Dynamic Viscosity [Pa-s]
SAE-50
SAE-10w50 low-shear
10
10
10
SAE-10w50 high-shear
-1
-2
-3
40
60
80
100
120
Temperature C
140
160
21
La simulazione su prototipi virtuali
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Modello di motore come sistema
integrato con benzina ed olio
FUEL
Engine
management
(i.e. traction
control)
„Closed-loop“
EVOLUTION
of all
parameters
LUBRICANT
Strategie per il
Weekend di gara:
uso motore(i), T, rpm
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Esempio di “loop” di sviluppo benzina
Obiettivo: identificare la miglior benzina per una specifica GARA
(data una specifica di motore)
• simulazione computazionale (col
fornitore Shell) per definire una
matrice di benzine
• prova al banco (stazionario)
• confronto fra simulazione e risultato
di prova (prestazione, consumo
specifico, …)
Target
raggiunto
Target
non
raggiunto
• prova a banco dinamico (simulazione
long-run)
• simulazione di gara in pista (test)
• benzina utilizzabile in GARA
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Integrazione fra simulazione e
sperimentazione
• La simulazione non sostituirà mai la sperimentazione,
altrettanto non esisterà sperimentazione senza simulazione

riduzione numero dei tests,

interpretazione dei risultati (pesare i fattori)

impiego dei prototipi virtuali per evidenziare le criticità
• Pensare sempre al fattore TEMPO
ed ai limiti di HW–SW + costo
• Non è vero al 100 % : “calcolare costa, ma meno che sperimentare”
• *** Rispetto ed umiltà di fronte all’esperienza passata ***
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Il processo di simulazione
Galleria del
vento F1
Computational
simulation
Model parameters
Vehicle simulation test bed
Track development
26
La simulazione in sala prova
27
L’analisi telemetrica
28
Elementi di forza Ferrari F1 nel 2003
• Forte integrazione nella
progettazione di vettura e motore
con “approccio di team integrato”
• Sviluppo continuo applicato
durante il Campionato
• Collaborazione molto forte con
fornitori-partners strategici
(es. Shell per il motore,
Bridgestone per gli pneumatici)
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