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L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione PowerPoint Presentation
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L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione

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SCUOLA NORMALE SUPERIORE DI PISA Corso di Orientamento Universitario. L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000 Paolo Martinelli Direttore motori Ferrari - Gestione Sportiva. S. Miniato, 17 settembre 2005. Motore F1 “ideale”.

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SCUOLA NORMALE SUPERIORE DI PISA

Corso di Orientamento Universitario

L’innovazione nella progettazione dei motori F1 degli anni 2000

Paolo Martinelli

Direttore motori

Ferrari - Gestione Sportiva

S. Miniato, 17 settembre 2005

motore f1 ideale
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
obiettivi e linee guida per il progettista del motore
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
evoluzione ferrari v10 f1 1996 2005
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
evoluzione dei regolamenti
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
gli strumenti della progettazione motore
Gli strumenti della progettazione (motore)
  • Il METODO
  • Le fasi del PROGETTO
  • L’impiego della SIMULAZIONE
la progettazione tradizionale
La progettazione “tradizionale”

Progetto

Progetto

Progetto

più “robusto”

Design review

(riduzione di materiale)

Rottura

Eccessiva

sicurezza

(sovradimensionamento)

flow chart della progettazione tradizionale catena di eventi
Flow chart della progettazione “tradizionale”- catena di eventi -

Technical regulations

Architecture

(shape concept)

Technical

specs

Concept design

Materials

First calculation

Project

Analysis

Prototype

Engineering

Track tests

Raceable components (engines)

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Flow chart dell’attuale metodo di progettazione- anello di eventi -

Technical regulations

Technical specs

Concept design

First calculation

Numerical analysis

Project

Architecture

(shape concept)

Materials

Engineering

Tests on virtual & real prototypes

Raceable components (engines)

confronto fra i due flussi
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)
strumenti innovativi utili all introduzione del flusso ad anello
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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Obiettivi nuovo motore

  • Aumentare le prestazioni
  • Ridurre il peso

& abbassare il baricentro

  • Compattare
  • Migliorare l’affidabilità

OBIETTIVI

le due fasi del progetto
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
principali attivit 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, …

Principali attività di avanprogetto e consolidamento progetto
i modelli
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
modelli solidi 3d
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, …)
calcolo cad 3d integrato cam

Calcolo CAD 3D (integrato CAM)

1 solo modello matematico

calcolo/simulazioni avanzate (FEM)

controllo continuo del peso

rapid prototiping

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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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Modello di motore come sistema integrato con benzina ed olio

FUEL

Engine management

(i.e. traction control)

„Closed-loop“

EVOLUTION

of all parameters

Strategie per il

Weekend di gara:

uso motore(i), T, rpm

LUBRICANT

integrazione fra simulazione e sperimentazione
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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2. Model data + model transfer

Il processo di simulazione

Galleria del vento F1

Computational simulation

Model parameters

Track development

Vehicle simulation test bed

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CURRENT

Design by experience

Design by experience

Test bed investigation

Test bed investigation

In-car testing

In-car testing

FEM - analysis

Reliability engineering

Race feedback

Race feedback

1-D gas-exchange calculation

Dynamic test bed investigation

Powertrain testing

Driveability

Combustion analysis

CFD - calculation

1-cylinder investigations

Visualisation- tools

Elementi per lo sviluppo motore

PAST

F1 engine development