Dal progetto all`oggetto

analisi
strutturale
analisi strutturrale
ABSTRUCTURES
Dal progetto
all’oggetto
"a cura di Marco Ballerio
Sovrapposizione tra il
modello matematico
di calcolo
e l’imbarcazione
in fase di navigazione
Lo studio di ingegneria Abstructures
è responsabile del Progetto
Strutturale degli scafi del Team
Ericsson, che sta collezionando
successi nella Volvo Ocean Race
ell’ottobre 2008, dal porto di Alicante, si
sono aperti i giochi della Volvo Ocean Race, l’evento velico che compie il giro del
mondo, la cui notorietà è seconda solo alla Coppa
America. Gli equipaggi internazionali di otto barche
sfidano gli oceani del globo mettendo a estrema
prova non solo le proprie capacità di marinai, ma
anche le performance e la resistenza strutturale
dei loro veloci bolidi a vela di 70 piedi. Ancor prima di gareggiare negli oceani, la sfida nasce ‘sulla
carta’, dove ingegneri e progettisti strutturali dei
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vari team sono impegnati a realizzare con moderne tecnologie e speciali materiali compositi, il 70
piedi più leggero e al tempo stesso più resistente,
con l’obiettivo di garantire per tutta la regata, la
miglior velocità con la massima affidabilità.
Al termine della prima tappa, a Cape Town, una
barca, l’Ericsson 4, fa subito parlare di sé. Dopo
20 giorni di navigazione senza scalo, Ericsson
4 taglia per prima il traguardo, conquistando il
record mondiale di velocità nelle 24 ore, percorrendo 598 miglia alla media entusiasmante di
oltre 25 nodi. Merito degli uomini dell’equipaggio
di Torben Grael, ma anche dell’affidabilità delle
strutture in composito avanzato dello scafo, che
conferiscono un rapporto di leggerezza-resistenza
tale da mantenere velocità elevate fino al traguardo della tappa.
Tra i protagonisti del team che hanno contribuito
al successo di Ericsson 4, emergono due realtà tutte italiane, le cui maestranze vantano una
prestigiosa esperienza nel progetto, nell’analisi
strutturale e nella realizzazione di strutture in composito, con un curriculum di tutto rispetto, come
più campagne in Coppa America nel team di Luna
Rossa. Stiamo parlando di Abstructures, studio di
ingegneria specializzato nella progettazione e analisi strutturale, che vanta esperienza e profonda
conoscenza nell’ottimizzazione di strutture in materiali compositi avanzati, e in fibra di carbonio, e
di RE Fraschini S.p.A, azienda che si occupa della
realizzazione di manufatti in materiale composito,
con innovativi processi produttivi, spaziando dalle
applicazioni aerospaziali, all’offshore racing nel
mondo della nautica.
Seguendo i significativi risultati del Team Ericsson,
abbiamo incontrato Andrea Avaldi e Fabio Bressan,
responsabili del progetto e dell’analisi dimensionale delle strutture in materiale composito di Ericsson 3 e 4, nonché i fondatori di Abstructures, i
quali ci hanno concesso un’interessante intervista.
Ingegner Avaldi, come nasce lo studio di progettazione strutturale Abstructures e in cosa
si caratterizza?
«L’idea dello studio Abstructures nasce dal sodalizio professionale con Fabio Bressan. Si tratta
di una realtà tutta italiana con una sede a Casalpusterlengo, in provincia di Milano, e l’altra a
Udine. Una caratteristica di Abstructures riguarda
il fatto che le nostre esperienze partono da strade
differenti: io ho seguito tre campagne di Coppa
America come responsabile strutture con il team
di Luna Rossa (Prada) e ho progettato barche di
attraversata transoceanica, mentre Bressan si è
occupato maggiormente del settore dell’auto, delle formule sportive, e bici da corsa, collaborando
con realtà come la Colnago e la Ferrari, dedicandosi negli ultimi anni anche al settore nautico. Il filo
conduttore che ci unisce è la scelta di progettare
le strutture con i materiali compositi avanzati, attraverso tecnologie innovative stabilendo contatti
e relazioni importanti come la collaborazione con
Re Fraschini S.p.A. Il continuo coinvolgimento e il
contatto con gli aspetti produttivi e la percezione
del progetto finale, sono i punti di forza che caratterizzano i lavori realizzati da Abstructures.»
Ericsson 4 in
navigazione durante
l’attuale edizione della
Volvo Ocean Race
Come nasce l’idea di un progetto strutturale?
«La ricetta per un ottimo progetto strutturale deve
sempre considerare tre ingredienti fondamentali:
la passione che stimola l’intuito; lo spirito pratico
necessario per valutare in ogni istante quanto
costa l’idea della forma che si sta elaborando; e la
teoria, e quindi la profonda conoscenza dei metodi
ingegneristici e delle caratteristiche dei materiali a
disposizione.
Il tutto va sempre ‘condito’ con fantasia e capacità
di lavorare in team.»
La passione, quanto può incidere? Come può
essere percepita a progetto ultimato?
«La passione è la cosa che non ti fa dormire la
notte, è il motore della motivazione a fare meglio
e ci spinge ogni giorno a superare gli ostacoli. A
nostro parere è la ragione per la quale molto spesso siamo contattati in progetti apparentemente
irrealizzabili; ci piace pensare che la sfida tecnologica sia un privilegio per coloro che ci credono
veramente.»
Ingegner Bressan, la pratica e la teoria sono
certamente aspetti importantissimi, come avete costruito il vostro bagaglio di esperienza?
«Prima di incontrarci abbiamo seguito percorsi
scolastici e professionali non molto differenti e abbiamo sviluppato modus operanti similari. Andrea
Avaldi, ingegnere aeronautico, laureato a Milano,
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ha iniziato il proprio lavoro in CRF (Centro Ricerche Fiat) e in seguito ha vissuto il rapporto con
distanza che intercorre tra Udine e Casalpuster-
Prada passando ore davanti al PC ma altrettante
in cantiere. La responsabilità di una struttura di
nicazione è possibile condividere le informazioni
e lavorare in modo globale allo stesso progetto,
coinvolgendo contemporaneamente sulla stessa
quel tipo non è cosa da poco! Io mi sono laureato
in ingegneria meccanica a Udine e dopo un breve
periodo a Torino in Lingotto, ho formato la mia
esperienza sui materiali compositi nel settore
delle formule sportive, supercar e bici da corsa.
In questi mesi sono in attesa di discutere la tesi di
dottorato in metodi numerici per il calcolo di strutture meccaniche presso l’università di Udine. Insieme abbiamo lavorato in Coppa America e siamo i
responsabili per le strutture delle Ericsson 3 e 4,
che stanno attualmente gareggiando nella Volvo
Ocean Race, raccogliendo risultati di successo.»
lengo (MI). Grazie a un’infrastruttura di telecomu-
scrivania virtuale, maestranze di tutto il globo.
Questo metodo condiviso e implementato da Abstructures ha permesso di raggiungere importanti
risultati.
Per quanto riguarda gli strumenti tecnologici di
progettazione e analisi strutturale, nonostante i
mezzi informatici messi a disposizione dal mercato dei software agli elementi finiti, il nostro approccio oscilla tra un ricco lavoro manuale di calcoli
e disegni (a mano libera), a sofisticati sistemi di
calcolo che prevedono metodi di riduzione del
peso, attraverso ottimizzazioni strutturali di tipo
topologico.»
Bressan, ci può dare una spiegazione approfondita del concetto di “ottimizzazione strutturale topologica”?
«Spesso ci capita di dover disegnare una struttura
completamente nuova. Prendendo l’esempio della
Ericsson, una volta ricevute le linee d’acqua di
carena e la forma della ‘pelle esterna’ dello scafo,
ad Abstructures è stato chiesto di creare il ‘corpo’
della barca con le migliori performance di velocità
e affidabilità, cioè realizzare la struttura interna più
Le prime idee
nascono da un
foglio, una matita, e
schizzi di assieme
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Di quale tecnologia disponete per l’analisi e
la progettazione delle strutture?
«Innanzitutto la più preziosa è il cervello: hardware
e software che assieme a un foglio di carta e una
matita per ora lavorano meglio di un calcolatore.
In seconda battuta disponiamo di una buona base
informatica: workstation con software per il CAD
e per il calcolo agli elementi finiti. In realtà fin dai
primi progetti svolti insieme, abbiamo cercato di
sviluppare delle metodologie tradotte in fogli di
calcolo che permettessero un approccio rapido
alla progettazione, riducendo al minimo gli errori,
e garantendo sistemi dove più utenti possano lavorare contemporaneamente. Non ci dimentichiamo
che la nostra scrivania è lunga quasi 350 km, la
leggera possibile, e al tempo stesso con la massima rigidità e resistenza (rispettando il regolamento Volvo Ocean Race). Con i materiali compositi
si lavora su due piani differenti: si ottimizzano le
geometrie globali e contemporaneamente si lavora sulla sequenza di laminazione (orientazione e
strati di materiale). Infatti un materiale composito,
possiede l’incredibile qualità di poter modulare le
caratteristiche elastiche a seconda degli spessori
e dell’orientazione delle fibre; esige pertanto una
conoscenza accurata della teoria dell’elasticità
ortotropa e dei criteri di rottura, attraverso i quali si prevede il limite strutturale del laminato in
composito. Il calcolo di ottimizzazione topologica
è una procedura molto complessa ulteriormente
complicata dal fatto che i carichi in gioco in un’im-
barcazione non sono sempre prevedibili e definiti
con precisione. Una volta fissati gli obiettivi di pe-
Composite Structural Topology Optimization
so e prestazione, è possibile impostare un calcolo
agli elementi finiti attraverso un approccio di tipo
topologico. Partendo da una regione geometrica
piena, si chiede al programma di ottimizzazione
di estrarre le forme geometriche essenziali che
garantiscano le prestazioni desiderate. Purtroppo
“è più facile a dirsi che a farsi”. Infatti utilizzando i
compositi, come ho accennato precedentemente,
si lavora su due piani differenti: l’ottimizzazione
della forma, e al tempo stesso su ogni punto del
materiale in questione. In questi anni abbiamo sviluppato un “metodo” che ci permette di ottenere
geometrie ad alte prestazioni. La tecnica presenta
diverse componenti innovative ed originali. La collaborazione con l’Altair, software-house multinazionale, che ci fornisce la piattaforma di modellazione
e calcolo HyperWorks, è stata fondamentale per il
raggiungimento di questi risultati. Il nostro lavoro
è quello di fornire la definizione della disposizione
geometrica e di materiale della struttura, dati gli
ingombri e la disposizione di supporti e vincoli:
quello che noi chiamiamo ‘design space’.»
Che materiali avete impiegato per il progetto
Ericsson?
«Per quanto riguarda i materiali compositi, la struttura è in sandwich con core Honeycob in Kevlar di
20 o 30 mm di spessore con 0,04 kg/dm3 di densità. Le parti in fibra di carbonio sono in tessuto
unidirezionale del tipo preimpregnato, con matrice
in resine epossidiche. La qualità del materiale
composito è garantita da fornitori del calibro di SP
e ACG (Advanced Composites Group), che vantano
esperienza anche nelle applicazioni avanzate del
settore aeronautico. Alcune delle caratteristiche
meccaniche che contraddistinguono i materiali
compositi sono la leggerezza, il modulo di elasticità e la resistenza. Nel caso dei materiali utilizzati,
come il prepreg VTM 260/CFM003 da 200 gsm,
prodotto da ACG (Advanced Composites Group), è
possibile ottenere alte prestazioni di rigidezza con
un modulo di Young pari a circa 113 GPa e limiti di
rottura alla trazione prossimi ai 2500 MPa.»
L’immagine riportata rappresenta la sequenza logica con la quale si procede all’ottimizzazione
strutturale di una paratia in materiali compositi. Più in generale l’ottimizzazione strutturale
di tipo topologico è una tecnica di calcolo numerico agli elementi finiti di tipo non lineare.
È possibile, a seguito di un’attività di calcolo e progettazione dell’imbarcazione, procedere
a una ulteriore fase di miglioramento del progetto, cercando di ridurre al minimo il peso e
garantendo prestazioni strutturali di resistenza e rigidezza. È possibile in alcuni casi sfruttare
l’approccio topologico anche in fase di definizione delle geometrie principali. Naturalmente
ogni progetto è condizionato da vincoli tecnologici o più semplicemente vincoli dovuti alla
gestione dello spazio interno all’imbarcazione che richiedono revisioni della definizione delle
forme ottimizzate. Queste fasi sono effettuate in tempi molto rapidi e con il coinvolgimento
trasversale di molti componenti del team.
Quali sono le condizioni strutturali a cui sono
sottoposte le imbarcazioni durante la Volvo
Ocean Race?
«Le imbarcazioni che solcano gli oceani del globo nella Volvo Ocean Race misurano 70 piedi in
lunghezza (circa 21 metri) che, comprendendo
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possono raggiungere valori di trazione vicini a
40.000 kg. Questi monocarena di 70 piedi devono
sopportare continui impatti con la massa d’acqua
delle onde oceaniche, che possono raggiungere
anche 9 metri d’altezza, e devono resistere ad
accelerazioni di carico verticale di circa 3 G. Le
condizioni di carico che devono sopportare gli
scafi, sono spesso imprevedibili e d’intensità continuamente variabile. I venti oceanici riescono a far
raggiungere a questi bolidi a vela velocità medie di
30-40 nodi. Si pensi che normalmente essi navigano a velocità superiore a quelle del vento e sono
molte le tonnellate di acqua che impattano con violenza lo scafo mettendo a dura prova la resistenza
Il metodo di calcolo
strutturale agli
elementi finiti
(FEM) è in grado
di replicare le
condizioni di
navigazione più
estreme e permette
di apprezzare la
deformazione e lo
stato di tensione
della struttura in
ogni sua parte
e l’affidabilità delle strutture.»
il bompresso di prua, diventano circa 23 metri.
Svettano sull’acqua a 31,5 metri di altezza e si
spingono sotto di essa con una chiglia di 4,5 metri. Considerando che a pieno carico il dislocamento raggiunge le 18 tonnellate, il peso delle strutture in fibra di carbonio delle imbarcazioni, che
conferisce la resistenza a carichi e sollecitazioni,
è inferiore alle 2,5 tonnellate (appena un settimo
del peso totale della barca).
Le sollecitazioni e le condizioni di carico a cui
sono sottoposti continuamente le strutture dello
scafo, sono notevoli: basti pensare che gli stralli,
anch’essi in fibra di carbonio o PBO, con i quali
sono fissate le vele e tenuto in posizione l’albero,
ABSTRUCTURES
È un moderno studio di ingegneria
specializzato nella progettazione di strutture
in materiale composito avanzato e fibra di
carbonio, avvalendosi di sofisticati sistemi
di calcolo agli elementi finiti con analisi e
ottimizzazioni strutturali di tipo topologico.
Si tratta di una realtà tutta italiana con
una sede a Casalpusterlengo, in provincia
di Milano e l’altra a Udine. Nasce dal
sodalizio professionale tra Andrea Avaldi
e Fabio Bressan, in grado di coniugare
Andrea Avaldi e Fabio Bressan,
con ingegno creativo ed originalità, le loro
soci fondatori di Abstructures
esperienze. Il continuo coinvolgimento e
il contatto con gli aspetti produttivi, la percezione del progetto finale con la profonda
conoscenza delle proprietà dei materiali compositi avanzati, sono i punti di forza che
caratterizzano i successi dei loro progetti strutturali.
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I materiali compositi: l’intervista
con Piero Re Fraschini
Dal legno al carbonio: come si conciliano tradizione e innovazione?
«Essere all’avanguardia oggi non significa dimenticare il passato su cui sono state costruite le
fondamenta del presente, ma al contrario è la
tradizione del passato che getta le basi per uno
slancio del presente verso il futuro. Il legno di
allora ha lasciato spazio a materiali nuovi, quali i
compositi, che presentano caratteristiche tecniche
differenti; nulla però è cambiato nella manualità
della lavorazione.
l carbonio di oggi è il legno di allora, ed i processi
di lavorazione si sono sviluppati in parallelo. Se un
tempo le appendici delle barche erano in legno,
oggi sono realizzate in materiale composito, leggere e resistenti alla forza del vento e dell’acqua.
La bellezza del legno ha lasciato il posto all’eleganza del carbonio e alla sua perfezione tecnologica.»
Qual è la chiave del vostro successo oggi?
«Nel settore dei materiali compositi, in cui operiamo da anni, bisogna essere competitivi offrendo al
cliente immediatezza di esecuzione con una tecnologia sempre all’avanguardia, massima precisione
ed esclusività.
Per fare questo cerchiamo di relazionarci al meglio
con i nostri clienti, di condividere con loro ogni
fase di lavorazione, cooperando fianco a fianco
e proponendo le soluzioni ottimali alle esigenze
costruttive. Non siamo semplicemente fornitori o
tool makers, ma partner esclusivi in ogni contesto, mettendo tutto il nostro know-how tecnologico
a servizio del cliente, per vincere insieme la sfida
che ci accomuna. »
Eligio Re Fraschini S.p.A.
Fondata nel 1946 come modelleria meccanica per stampi in legno per fonderia, la
Eligio Re Fraschini S.p.A. si pone oggi come una tra le aziende italiane all’avanguardia
nel settore di lavorazione dei materiali compositi a livello internazionale. Grazie alla
versatilità tecnica dello staff altamente qualificato e alla produttiva interazione dei
diversi reparti che la compongono (ufficio tecnico, officina, reparto compositi, finitura e
laboratorio di controllo), il core business della Eligio Re Fraschini oggi è la produzione
di master ed attrezzature in metallo e composito per parti strutturali di altissima qualità
e performance, applicate nel settore della competizione automobilistica e nautica.
E il vostro segreto… ?
«I segreti, in quanto tali, non si possono rendere
pubblici!
Uno dei nostri punti di forza è la complementarità di officina e reparto compositi, che riescono
a cooperare in tempo reale alla realizzazione di
prodotti, anche complessi, che richiedono contemporaneamente fresatura e laminazione. Un solo
project manager, che resta l’unico referente esclusivo del progetto, coordina tutte le fasi di lavorazione, e il cliente riceve il prodotto finito, pronto
all’assemblaggio e all’uso, senza perdere tempo
nella trasmissione delle informazioni tra un’officina
meccanica e una differente azienda di lavorazione
dei materiali compositi.»
La vostra tradizione nautica è consolidata
ormai da grandi successi internazionali, ci
racconta la vostra esperienza?
«L’esperienza nel settore nautico si apre nel 1988
con la collaborazione con il team del Moro di
Venezia per l’America’s Cup del 1992, ma dopo
qualche anno si aprono le porte anche per la
collaborazione con il team di Prada Luna Rossa,
per le America’s Cup degli anni seguenti: 2000,
2003 e 2007. Interessante e significativa la collaborazione con Soldini per la realizzazione del suo
catamarano. Oggi seguiamo con grande emozione
le imprese degli equipaggi di Ericsson 3 e 4, e in
contemporanea anche le imprese di sopravvivenza
di Marc Guillemot del team Safran della Vendée
Globe, per cui abbiamo realizzato molte parti ed
appendici.
Da non dimenticare la realizzazione del bulbo della
barca dell’oro olimpico di Pechino di Iain Percy ed
Andrew Simpson e, proiettati verso successi futuri,
la recente collaborazione con il team Alinghi.»
Lo staff Re Fraschini e la chiglia di Ericsson
Ci parli della realizzazione della chiglia per il
Team Ericsson...
«Sì, questa è l’ultima, “last but not least”, delle
nostre imprese per la Volvo Ocean Race: abbiamo
realizzato in sole tre settimane per il Team Ericsson 3, la chiglia di sostituzione, che è arrivata
a Cape Town prima ancora dell’arrivo dell’imbarcazione. Davvero un grande successo, che ci è
costato impegno e fatica, ma ricambiato anche
da un maggiore coinvolgimento emotivo di tutto
il nostro staff, nonostante i turni di lavoro continui
concentrati in un tempo record, per noi senza precedenti.»
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