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L’innovazione nella L’innovazione nella progettazione dei motori F1 progettazione dei motori F1
degli anni 2000degli anni 2000
Paolo MartinelliPaolo MartinelliDirettore motori Direttore motori
Ferrari - Gestione SportivaFerrari - Gestione Sportiva
S. Miniato, 17 settembre 2005S. Miniato, 17 settembre 2005
SCUOLA NORMALE SUPERIORE DI PISA
Corso di Orientamento
Universitario
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Motore F1 “ideale”
• I parametri critici per una monoposto di F1 sono:
– affidabilità totale– trazione (legata agli pneumatici, come fattore dominante)– efficienza aerodinamica– handling e distribuzione dei pesi– potenza e guidabilità del motore
• La potenza motrice è necessaria (come “potenza media pista”), ma …
– ha influenza limitata sulla prestazione assoluta della vettura– piccoli incrementi richiedono sforzi elevati e rischi affidabilistici– occorre considerare anche l’aumento del consumo carburante e delle richieste
di raffreddamento
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Obiettivi e linee guida per il progettista del motore
• Parametri “motoristici”– Prestazioni – in termini di:
• potenza massima• guidabilità• efficienza
– Affidabilità = zero anomalie
• Obiettivo finale– massimizzare la prestazione della monoposto
• riduzione di peso e ingombri• riduzione delle esigenze di raffreddamento (radiatori)• abbassamento del baricentro• riduzione inerzie in movimento• riduzione del consumo di carburante
• Vincoli– regolamenti sempre più limitanti– costi
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Evoluzione Ferrari V10 F11996 - 2005
• Gli sforzi più significativi sono stati indirizzati a:
– Miglioramento dei parametri motoristici
• affidabilità totale• riduzione attriti• miglioramento guidabilità• riduzione inerzie in movimento• ricerca della massima prestazione pura
– Ottimizzazione dell’integrazione con il “sistema vettura”
• riduzione peso e ingombri• abbassamento del baricentro• aumento delle temperature di funzionamento dei fluidi lubrificanti e di
raffreddamento riduzione masse radianti
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“Formula della Potenza”come prodotto di rendimenti
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Evoluzione dei regolamenti
• fino al 2002: nessun vincolo sul numero di motori utilizzabili nel week-end di gara
• nel 2003: n°1 motore per qualifica+ gara 400km base• nel 2004: n°1 motore per n°1 w-end di gara 700km = +75%• nel 2005: n°1 motore per n°2 w-end di gara 1400km = +250%
• Compaiono fenomeni nuovi legati alla maggior durata, che impongono:
– metodi di analisi più sofisticati (progettazione e sperimentazione)– evoluzioni di materiali e tecnologie
• Diventa sempre più difficile introdurre radicali innovazioni nel corso della stagione:
– tempi stretti– omologazione delle evoluzioni molto più gravosa– nessuno “step” intermedio (prove di qualificazione), il debutto avviene direttamente in gara
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Evoluzione motori V10 “046” (1996) “055” (2005)
Potenza max 100 122
Max RPM 100 112
vel. media pistone 100 100
Pot. A-reale 100 108
Angolo V° 75 90
Altezza asse motore 100 68
Peso totale motore 100 75
Alesaggio 100 106.5
Massa pistone 100 86
Altezza compressione pistone 100 78
Lunghezza biella 100 91
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• Il METODO
• Le fasi del PROGETTO
• L’impiego della SIMULAZIONE
Gli strumenti della progettazione (motore)
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La progettazione “tradizionale”
Progetto
Rottura
Progettopiù “robusto”
Progetto
Eccessiva sicurezza(sovradimensionamento)
Design review(riduzione di materiale)
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Flow chart della progettazione “tradizionale”- catena di eventi -
Technical regulations
Technicalspecs
Concept design
First calculation
Project
Analysis
Prototype
Track tests
Raceable components (engines)
Engineering
Architecture(shape concept)
Materials
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Flow chart dell’attuale metodo di progettazione- anello di eventi -
Technical regulations
Technical specs
Concept design First calculation
Architecture(shape concept)
Numerical analysis
Materials Engineering
Tests on virtual & real prototypes
Raceable components (engines)
Project
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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)
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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
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UfficioTecnico
MetallurgiaCalcoli e
Simulazione
Ingegnerizzazione Qualità
Rappresentazione dell’anello di progettazione
(applicato al motore)
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Le FASI della progettazione del motore F1
P re s taz io ne
A ffid a b ilità
O b ie tt iv i
R e g o lam e n ti
C o s ti
T e m po
L im iti (C o n s tra in ts)
In teg ra zio ne
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• Aumentare le prestazioni
• Ridurre il peso& abbassare il baricentro
• Compattare
• Migliorare l’affidabilità
Obiettivi nuovo motore
OBIETTIVIOBIETTIVI
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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:
- l’individuazione delle linee di sviluppo;
- la verifica strutturale di massima;
- lo studio di modelli funzionali e/o prototipi di sotto-gruppi
• Il consolidamento del progetto include la delibera dei componenti:
- analisi tensionale per il raggiungimento della vita operativa;
- analisi deformativa per la funzionalità;
- verifiche speciali, es. studi vibrazionali, acustici, …
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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, …)
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Calcolo CAD 3D (integrato CAM)
• 1 solo modello matematico
• calcolo/simulazioni avanzate (FEM)
• controllo continuo del peso
• rapid prototiping
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Varianti diverse sono valutate prima della costruzione del pezzo reale
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Evoluzione dei metodi di progettazione analisi e test sperimentali
Studio 2D
Disegnazioneparticolari 2D
Avvio produzione
Test sperimentali
Modellazione 3Ddei componenti critici
Analisi (FEM, CFD)
Studio 2D / 3D
Modellazione 3Ddi tutti i particolari
Avvio produzioneDisegnazioneparticolari 2D
Test sperimentali
Analisi(FEM, CFD, ecc.)
046 (1996) 055 (2005)
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Esempi di analisi numerica applicata nella progettazione di un motore
• Structural analysis FEA• Vehicle dynamic• Computational Fluid Dynamic• Thermal stress analysis
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Esempio di analisi numerica F.E.A.
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La simulazione su prototipi virtuali
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Modello di motore come sistema Modello di motore come sistema integrato con benzina ed oliointegrato con benzina ed olio
FUEL
Strategie per ilWeekend di gara:
uso motore(i), T, rpm
Engine Engine managementmanagement(i.e. traction (i.e. traction
control)control)
LUBRICANT
„„Closed-loop“Closed-loop“
EVOLUTIONEVOLUTIONof all of all
parametersparameters
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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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30
Computational Computational simulationsimulation
Vehicle simulation test bedVehicle simulation test bed Track developmentTrack development
Il processo di simulazioneIl processo di simulazione
Model parametersModel parametersModel parametersModel parameters
2. M
odel d
ata
+ m
odel tr
ansf
er
2. M
odel d
ata
+ m
odel tr
ansf
er
2. M
odel d
ata
+ m
odel tr
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er
2. M
odel d
ata
+ m
odel tr
ansf
er
Galleria del vento F1
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La simulazione in sala provaLa simulazione in sala prova
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L’analisi telemetricaL’analisi telemetrica
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Elementi per lo sviluppo motore
Design by experience
Test bed investigation
In-car testing
Race feedback
F1 engine development
1-D gas-exchange calculation
Combustion analysis
Driveability
FEM - analysis
1-cylinder investigations
Visualisation- tools
CFD - calculation
Powertrain testing
PAST
Design by experience
Test bed investigation
In-car testing
Race feedback
Dynamic test bed
investigation
CURRENT
Reliability engineering
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Pianificazione sviluppo motore,
confronto fra motore GT e F1
Preproduction Development (Engine Generation 2)
Concept Study
Concept Defin ition
Prototype Development (Engine Generation 1)
Months before SOP-42 -24 -12-36 -30 -18 -6 0
Production Validation
P roduc tion
F orm u la 1
Concept Defin ition
Concept Defin ition
Concept Defin ition
Concept + Design
Concept + Design
Concept + Design
Continous Base Developm entF1-Season F1-SeasonF1-Season
Evo 1
Evo 1
Dev. + Reliab. testing
Dev. + Reliab. testing
Evo 2Evo 3
Evo 1Dev. + Reliab. testing
Evo 2Evo 3