Metodologia innovativa e nuovi materiali nella progettazione strutturale di una nave veloce - Relatore: Ing. Giuseppe Cervelli Centro Ricerche Fiat
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Metodologia innovativa e nuovi materiali nella
progettazione strutturale di una nave veloce
Relatore:
Ing. Giuseppe Cervelli
Centro Ricerche Fiat
1
FASI DEL LAVORO
FASE I Definizione degli obiettivi e analisi del problema
FASE II Applicazione di una metodologia innovativa di progettazione
strutturale basata sull’ottimizzazione topologica
FASE III Caratterizzazione di pannelli sandwich con core in schiuma di
alluminio e valutazione della possibilità di impiego al caso in studio
2
FASE I
Overview del progetto SINAVE ed obiettivi
La collaborazione tra Politecnico di Bari, Centro Ricerche Fiat e Rodriquez Cantieri Navali
ha come oggetto la progettazione della parte strutturale della nave.
Unità navale proposta dai cantieri
Caratteristiche
navali Rodriquez:
SINAVE:
1. Trimarano
• Buone capacità di carico (60 container X 15t)
1. Ponte di carico unico prestazioni (velocità max 35 nodi)
• Elevate
Turbina sullo scafo centrale
1. Sistema propulsivo:idrogetto
Due motori diesel veloci sugli scafi laterali
3
FASE I
Normativa di riferimento: HSC R.I.NA.
Dimensionamento
delle sezioni
Progettazione Classica Studio Bidimensionale
trasversali più
sollecitate
Verifica strutturale
Lunghezza > 65m Condizioni di carico aggiuntive
attraverso gli elementi
Velocità max > 45 nodi Modellazione tridimensionale
finiti
4
FASE I
Iter progettuale classico
Predimensionamento Definizione e
strutture secondo Individuazione sezione implementazione delle Progettazione restanti
Verifica strutturale Verificato? si
normativa e scelta del critica condizioni al contorno componenti
materiale su tale sezione
no
Iter progettuale
no
proposto
Predimensionamento Disegno del Ottimizzazione
Definizione e Analisi e verifica
strutture secondo complessivo ٣D di strutturale
implementazione delle strutturale del Verificato? si
normativa e scelta del partenza e (parametri di ottimizzazione:
condizioni al contorno modello di partenza
materiale Modellazione FEM massima rigidezza, minima massa)
Studio del particolare Analisi e verifica Riprogettazione
e no Verificato? strutturale del Modello ottimizzato secondo le indicazioni
Riprogettazione modello ottimizzato dell’ottimizzazione
si
Modello
definitivo
5
FASE I
L’ottimizzazione Topologica
6
FASE I
Approccio Multilivello
Livello generale (complessivo)
• Modello a Sezioni Piene
• Stato di Tensione
• Modello Ottimizzato
Livello particolare (singola paratia)
• Modello a Sezioni Piene
• Stato di Tensione
• Modello Ottimizzato
• Re-Design
• Analisi strutturale dei design ottimi
7
FASE I
Soluzioni tecnologiche e scelta dei materiali
Tecnologie prese in esame per la produzione (dati input progettazione):
•Estrusione
•Pannelli sandwich
•Fasciame lamierato rinforzato con correnti
•Giunzione mediante saldatura e rivettatura
Materiali:
•Schiuma di alluminio per pannelli sandwich
•Lega di alluminio (AA 5059 H321 e AA 6061 T5/T6)
Si prenderanno in considerazione, altresì, le soluzioni tecnologiche di assemblaggio e
saldatura connesse con l’impiego di questi nuovi materiali.
8
FASE I
Individuazione delle condizioni di carico
La normativa di riferimento contempla condizioni di carico e vincolo da applicare ad unità
navali a singolo e doppio scafo non menzionando in alcun modo la procedura da seguire per
i trimarani.
Da un’attenta analisi delle indicazioni che il RINA fornisce per i due casi contemplati, si è
estrapolata la metodologia utilizzata per la definizione delle condizioni al contorno,
adottandola per la progettazione del trimarano.
Si è proceduto quindi all’individuazione accurata delle condizioni di carico, ponendo
maggiormente attenzione alle condizioni di esercizio più critiche derivanti dalle
combinazioni di carichi più sfavorevoli.
9
FASE I
FASE I Condizioni di carico finali
Prima condizione di carico COMBINATA 2
Condizione 1 – GALLEGGIAMENTO STATICO Condizione 4 – ONDA (a = 83º, L = 18 m, n = 2)
Condizione 5 – ONDA (a = 75º, L = 35 m, n = 6)
Condizione 2 – GALLEGGIAMENTO a VELOCITA’ COSTANTE Condizione 6 – ONDA (a = 45º, L = 40 m, n = 11)
Condizione 7 – ONDA (a = 30º, L = 80 m, n = 11)
COMBINATA 1 COMBINATA 3
Condizione 3 – FORZE D’INERZIA nodali Condizione 8 – ACCELERAZIONE TRASVERSALE
10FASE I
Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal
moto ondoso
Si è simulata una onda sinusoidale che impatta sugli scafi del trimarano, con un certo angolo di
incidenza, una certa lunghezza d’onda ed in una posizione ben definita. Facendo variare in
maniera discreta i tre parametri definiti si sono ottenuti 2086 tipologie diverse di onde e il
parametro con cui si è valutata la criticità delle condizioni di carico applicate è la tensione di Von
Mises.
11FASE I
Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal
moto ondoso –DEFINIZIONE PARAMETRI
I parametri presi in esame sono i seguenti:
angolo ALFA indica l’angolo di incidenza dell’onda:
0
15
35
x
45 Oxyz Sistema di riferimento globale
66 Oxyz Sistema di riferimento
75 posizionato nel punto di
Origine delle Onde
85 Linea di galleggiamento
z
y Profilo dell`onda
n indica la posizione dell’onda a
diversi intervalli di tempo; i valori scelti x
sono variabili in funzione della
x
lunghezza d’onda; in particolare si è z
α incidenz a
O
scelto di considerare l’onda che si
sposta lungo la direzione di incidenza
con intervalli costanti di tre metri y
lunghezza dell’onda indica la distanza fra O
due creste successive:
10 15 20 25 30 35 40 45
50 55 60 65 70 75 80 100
120
12FASE I
Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal
moto ondoso – ANALISI STATISTICA
Al fine di valutare l’effettiva influenza dei parametri considerati sulle sollecitazioni al
ponte e individuare i casi più critici da utilizzare per l’implementazione dei carichi di
pressione di impatto, si è svolta una elaborazione statistica dei dati numerici ottenuti
con le simulazioni attraverso un’analisi di varianza (ANOVA).
La ricerca è stata svolta attraverso un procedimento di analisi fattoriale:
si è costruito un piano fattoriale completo in modo da studiare l’azione dei tre fattori
in corrispondenza di varie combinazioni dei rispettivi livelli.
Oggetto di analisi: tensione di Von Mises al wet deck
Fattori variabili: angolo di incidenza 7 livelli
lunghezza d’onda 17 livelli
posizione d’onda 3 livelli
13FASE I
Analisi di sensibilità alle sollecitazioni sul wetdeck derivanti dal
moto ondoso - RISULTATI
0
0
10
5
0
26
0
5
40
5
0
55
0
5
70
5
0
10
2
2
3
8
1
1
3
5
6
6
7
4
60 posizione
1
2
3
40
p o s i z i o ne
n
lunghezza
di onda
20 10
15
60 20
26
30
35
40
45
50
40 55
lu n g h e z z a d i o n d a 60
65
70
75
80
100
120
20
60
angolo di
incidenza
0
15
40
30
a n g o l o d i in c id e n z a
45
60
75
20 85
2
3
0
5
0
5
5
1
5
0
1
3
8
4
6
7 14FASE I
Vincoli
L’analisi è stata svolta applicando i vincoli come segue:
• Vincoli verticali lungo la chiglia di ogni scafo nelle sezioni in cui l’angolo
formato tra fasciame del fondo e del fianco è maggiore di 135°
• Vincolo verticali lungo i punti in corrispondenza dell’incrocio fra fasciame dei
fianchi e del fondo se l’angolo formato da questi elementi è minore di 135°
15FASE II
Ottimizzazione Strutturale
Si pone come funzione obiettivo la COMPLIANCE con vincolo sulla frazione di massa
utilizzabile rispetto al valore nominale: 60% su paratie e paramezzali (spessori compresi tra
0 e 8 mm)
famiglia 1 famiglia 2 famiglia 3
•Variabilifamiglia 5
di progetto Paratie e Paramezzali famiglia 4
•Vincoli di ottimizzazione Ridurre il volume fino al 60%
•Funzione obiettivo Massimizzare la Rigidezza globale della struttura
famiglia 6 famiglia 7 famiglia 8
16FASE II
Redesign topologico delle costole
Famiglia 1 Alleggerimento % = 11.45%
Famiglia 2 Alleggerimento % = 32%
17FASE II
Redesign topologico delle costole
Famiglia 3 Alleggerimento % = 39 %
Famiglia 4 Alleggerimento % = 34 %
18FASE II
Redesign topologico delle costole
Famiglia 5 Alleggerimento % = 25 %
Famiglia 6 Alleggerimento % = 40.5 %
19FASE II
redesign topologico delle costole
Famiglia 7
Alleggerimento % = 57.3 %
Famiglia 8 Alleggerimento % = 39 %
20FASE II
Redesign topologico delle strutture longitudinali
Paratia longitudinale centrale dello
scafo centrale
Alleggerimento % = 55 %
21FASE II
Redesign topologico delle strutture longitudinali
Paratia longitudinale centrale dello
scafo laterale
Alleggerimento % = 58.4 %
22FASE II
Rinforzi: Piattabande su paramezzali e costole
COSTOLE
• Peso iniziale = 101.8 t
• Peso paratie ottimizzate = 69.2 t
• Peso paratie e piattabande = 93.2 t
PARAMEZZALI
• Peso iniziale = 61.7 t
• Peso paramezzali ottimizzati = 23.7 t
• Peso paramezzali e piattabande = 33.1 t
23FASE II
Verifica strutturale
Impostazione di carichi e vincoli
La verifica strutturale è stata eseguita per la sezione più sollecitata nella condizione
di carico più gravosa. Un’analisi preliminare del modello complessivo ha permesso
di individuare la zona più critica.
• Si è considerato un settore longitudinale del modello individuato da tre costole.
• Il settore è stato vincolato imponendo gli
spostamenti sui nodi degli elementi di
estremità.
24FASE II
Verifica strutturale
Analisi dei risultati
Sebbene il settore analizzato sia il più critico la maggior parte della struttura risulta
poco sollecitata.
La zona critica è confinata vicino ai raccordi tra scafo centrale e wetdeck e nella parte
inferiore nel foro centrale della paratia.
Al fine di ottenere un ulteriore abbattimento del valore delle tensioni si sono apportate
alcune modifiche strutturali come ad esempio raggi di raccordo, “squadrette”,
ispessimenti locali.
25FASE II
Industrializzazione delle costole rinforzate
Configurazione topologica proposta Redesign definito dai cantieri
26FASE II
Modello industrializzato
Caratteristiche del modello FEM
• Elementi totali: 458000 circa
• Nodi: 343000 circa
Elementi utilizzati:
• elementi shell 2D a 3 e 4 nodi per la modellazione di scafi, paratie, paramezzali,
costole di rinforzo, ponti e piattabande
• elementi monodimensionali con sezione a T per la modellazione di longheroni, rotaie
ed elementi di rinforzo trasversali
Si sono implementate tutte le condizioni di carico definite per i modelli precedenti, e
si sono imposti i vincoli come da manuale RINA.
27FASE II
Risultati analisi
I risultati ottenuti per le condizioni di carico che tengono conto dell’impatto delle
onde presentano zone con elevate concentrazioni di tensione.
Le zone in cui si è avuta concentrazione di tensione sono risultate:
• zone di vincolo
• zona di raccordo tra scafo centrale e wet-deck
Modello industrializzato Modello ridisegnato
28FASE III
Caratterizzazione e impiego di pannelli AFS (Alluminum Foam Sandwich)
Schiume metalliche: materiale cellulare con morfologia costituita da celle
chiuse, rotonde o poliedriche che possono essere separate
da sottili pellicole.
elevata rigidezza unita a basso peso specifico;
ottime doti di smorzamento;
Proprietà principali buona capacità di assorbimento urti;
minore resistenza rispetto al materiale pieno.
Metallico;
Materiale di base Polimerico,
Ceramico.
Classificazione
Morfologia delle celle Aperte;
Chiuse.
29FASE III
Pannelli sandwich
consistono in due lamine sottili, dette pelli,
separate da un core in materiale uguale o
differente a quello delle lamine esterne.
Il core serve ad allontanare le pelli incrementando il momento d’inerzia, rendendo il
pannello estremamente resistente ai carichi di flessione e di buckling.
I provini sono stati ricavati da pannelli prodotti
con la tecnica della metallurgia delle polveri
messa a punto dall’Istituto Fraunhofer di
Brema.
30FASE III
Test sperimentali – Set Up
Sono state condotte 10 prove di trazione statica eseguite su due tipologie di provini aventi
differenti spessore di schiuma metallica.
Per ciascuna tipologia 1 provino è stato portato a rottura e i restanti 4 sono stati sottoposti a
cicli di isteresi (carico e scarico)
I provini sono stati strumentati con 4
estensimetri elettrici a resistenza, due per
lato in direzione longitudinale e trasversale
al fine di misurare il modulo di elasticità
longitudinale e il coefficiente di Poisson
Nelle zone di afferraggio è stato necessario
eliminare la schiuma e sostituirla con listelli di
Listello alluminio al fine di evitare fenomeni di
schiacciamento e permettere il corretto
trasferimento del carico al provino
Particolare
dell’afferraggio
31FASE III
Diagrammi sforzo deformazione dei provini portati a rottura
Risultati della prova di rottura Modalità di rottura
σ y := 21[MPa]
Rilevazioni estensimetriche delle deformazioni
longitudinali
I risultati letti sui due lati del provino rivelano una
leggera eccentricità (flessione indotta) dovuta
alla disomogeneità della schiuma e/o ad un
leggero disallineamento delle morse
32FASE III
Diagrammi sforzo-deformazione dei provini sottoposti a carico e scarico
Il modulo di Young decresce
leggermente a seguito di cicli di
carico e scarico a causa della
plasticizzazione del core
33FASE III
Applicazione delle caratteristiche degli AFS al modello numerico
Settore con la
paratia 66
Paratia in lega di Al Paratia in AFS
34Conclusioni
La progettazione strutturale delle navi, pur avvalendosi delle moderne tecniche di
calcolo (FEM), si basa principalmente sull’esperienza del progettista. Questo lavoro
ha dimostrato la concreta possibilità di automatizzare la progettazione di strutture
di larga scala sottoposte a molteplici condizioni di carico. Questo con poco sforzo da
parte del progettista.
I risultati ottenuti hanno permesso di concepire strutture innovative ma allo stesso
tempo realizzabili nella cantieristica navale.
La fase di riprogettazione ha determinato:
•una migliore distribuzione delle tensioni a parità di sollecitazione imposta;
•una notevole diminuzione di peso;
•una migliore resistenza alle sollecitazioni flessionali e torsionali.
Sviluppi futuri:
•riprogettazione di particolari navali mediante modellazione solida;
•riottimizzazione strutturale del trimarano con l’utilizzo dei pannelli AFS;
•ottimizzazione di spessore dei pannelli sandwich.
35Ringraziamenti
Si ringrazia il gruppo di lavoro costituito da:
•Prof. Ing. Umberto Galietti (Politecnico di Bari)
•Ing. Renato Giannoccaro (Politecnico di Bari)
•Ing. Gianvito Mona (Politecnico di Bari)
•Ing. Alessandro Denavasquez (Politecnico di Bari)
•Ing. Marco Brandizzi (Centro Ricerche Fiat)
•Ing. Daniele Bassan (Centro Ricerche Fiat)
•Ing. Mirko Gernone (Centro Ricerche Fiat)
•Ing. Matteo Fracchiolla (Centro Ricerche Fiat)
Si ringrazia, per la cortese collaborazione
•Ing. Salvatore Ricca (Rodriquez Cantieri Navali)
•Ing. Giovanni Morabito (Rodriquez Cantieri Navali)
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