Realtà validata: gli estensimetri garantiscono la progettazione sicura dei componenti dell'auto da corsa AMZ

L'Academic Motorsports Club Zurich (AMZ) partecipa da molti anni alle competizioni Formula Student in tutto il mondo.  Formula Student: una serie di competizioni in cui delle auto da corsa costruite da studenti gareggiano una contro l'altra. Oltre alle velocità di punta, lo scopo di Formula Student è principalmente la costruzione intelligente ed innovativa dei veicoli.

La AMZ raggiunge frequentemente la pole position - soprattutto nelle gare di Ingegneria: la squadra di Zurigo ha vinto il premio "Best Engineering Award" in ognuna delle quattro competizioni della Formula Student nel 2013 - un record.

Questa prestazione ingegneristica - ottenuta dagli studenti - si basa sull'esauriente pianificazione e prova di veicoli a trazione completamente elettrica. A tale scopo, la squadra AMZ si affida a prove esaustive utilizzando gli estensimetri HBM durante la modellazione e la validazione delle simulazioni FEM. 

Il compito: Validazione della modellazione e delle simulazioni FEM

Perché? I risultati ottenuti con le simulazioni FEM di molti componenti dipendono direttamente dalla modellazione. Poiché la modellazione comprende numerose semplificazioni ed ipotesi, si possono accumulare gli errori. Questi errori entrano poi nella simulazione, influenzando così direttamente l'aspetto del componente finito. 

La simulazione FEM contiene anche numerose incognite dovute alla complessità dell'andamento del carico dinamico ed alle incertezze del materiale. L'ingegnere inesperto può trarre conclusioni errate dalle analisi FEM e quindi mettere in circolazione componenti sottodimensionati. Nel caso dello AMZ, i componenti troppo deboli significano non solo che è compromessa la sicurezza del veicolo, ma anche quella del conducente.

Finora, il modello usato dallo AMZ non era stato validato e questo era lo scopo dell'esperimento. Un altro motivo era la validazione del coefficiente di deportanza aerodinamica. Gli alettoni del veicolo vengono inizialmente provati durante la fase di sviluppo mediante la simulazione CFD su calcolatore. Uno dei problemi è: i componenti possono essere validati solo dopo che l'auto da corsa è stata costruita.

Al fine di migliorare aerodinamicamente le future generazioni dei veicoli, è estremamente importante verificare i calcoli, determinando così l'effettiva bontà della struttura sviluppata. Da un lato i componenti vengono provati nella galleria del vento, dall'altro le prove con gli ER possono dimostrare le precise caratteristiche del veicolo sulla pista. Date le condizioni di prova uniformi, la galleria del vento è un ottimo mezzo per il confronto diretto delle varie configurazioni, ma non lo è altrettanto per misurare i precisi valori di deportanza durante la corsa. Questi parametri si possono calcolare direttamente quando sono note le forze delle barre di spinta che agiscono durante la corsa.

Tutte queste ragioni incentivano ad effettuare le opportune misurazioni pratiche con gli ER.  Gli errori di modellazione e le forze delle barre di spinta necessari a determinare i valori di deportanza aerodinamica furono ottenuti usando gli estensimetri (ER) e l'analisi sperimentale delle sollecitazioni

La sequenza delle misurazioni

L'intero processo di misura con gli estensimetri era fondamentale per il successo del progetto Formula Student dello AMZ. Per garantire che i risultati avessero effettivamente un senso, si doveva presumere che almeno il lavoro meccanico fosse stato accuratamente eseguito. Ciò vale soprattutto per l'installazione degli estensimetri. Il giorno prima delle prove venne effettuata la completa taratura degli estensimetri.

La procedura di prova

Per rilevare le forze richieste per la validazione, furono effettuate quattro prove nel circuito Hockenheim Ring:

  • Percorso curvilineo
  • Frenata
  • Autocross
  • Percorso rettilineo

Le prove di percorso curvilineo furono effettuate su tre curve di raggio diverso. Ciò permise di ottenere i dati con differenti accelerazioni trasversali. Durante la prova di frenata, il veicolo fu accelerato alla massima velocità e poi frenato a piena forza. Per la prova di Autocross, fu effettuato un percorso di autocross comprendente tutti gli elementi essenziali presenti nelle corse Formula Student e richiesti per la sua esecuzione. Questi elementi includevano uno slalom, un curva rapida in cui era necessaria la frenata, un tratto rettilineo dove era possibile l'accelerazione alla massima velocità, ed altri elementi minori. La lunghezza della pista era di 422 m. Infine, furono effettuate varie prove di percorso rettilineo a velocità costanti.

Al fine di validare i casi di carico, era necessario misurare la curva di accelerazione quale informazione ausiliaria per il gradiente di deformazione. Essa fu misurata direttamente con gli accelerometri integrati nel veicolo. Poiché questi sensori erano connessi ad un calcolatore di misura separato, era necessario sincronizzare i due moduli temporizzatori. Ciò si ottenne premendo quattro volte sul veicolo prima del lancio di ogni misurazione.

Ciò consentiva di registrare la deformazione degli ER ed il movimento del potenziometro della sospensione elastica dell'ammortizzatore. In tal modo fu possibile sincronizzare i due temporizzatori durante l'analisi dei dati. 

Differenze significative dai valori di simulazione

Moduli di acquisizione dati QuantumX: CX22-W ed MX1615

 

Con l'ausilio di queste misurazioni, fu possibile validare sia i due casi di carico delle sospensioni che i coefficienti di deportanza.

Nei due casi di carico furono misurate sollecitazioni superiori del 15 % ai carichi calcolati. I motivi dei carichi più elevati erano i picchi di sollecitazione dovuti dalle vibrazioni del veicolo causati dalla irregolarità del fondo stradale, cosa non considerata nei nostri modelli. I fattori di sicurezza delle sospensioni saranno quindi adattati in funzione della validazione dei casi di carico, tenendo conto di tali picchi di sollecitazione al fine di raggiungere una maggior sicurezza contro i guasti.

Durante la misurazione del coefficiente di deportanza, i valori rilevati erano del 10 % inferiori a quelli misurati nella galleria del vento. Anche questa differenza era dovuta alle vibrazioni del veicolo causata all'irregolarità  manto stradale, ben diversa dalle condizioni di laboratorio nella galleria del vento.

Nel complesso, si può affermare che le misurazioni con gli ER hanno migliorato la comprensione del comportamento del veicolo sulla pista di prova e che i dati ottenuti consentiranno la più facile progettazione della nuova auto da corsa per la prossima stagione di competizione. 

Durante le indagini e prove, lo AMZ si è affidato non solo agli estensimetri della HBM - ma anche al sistema di acquisizione dati QuantumX MX1615 per la misurazione con gli estensimetri, oltre al modulo registratore dati CX22-W usato per il salvataggio locale dei dati misurati.

L'amplificatore per ponti QuantumX MX1615 consente il collegamento di fino a 16 estensimetri per modulo. Grazie alla tecnologia a frequenza portante, questo modulo fornisce risultati di misura sicuri anche nelle più difficili condizioni operative.

Il club AMZ

Il club Academic Motorsports Zurich (AMZ), fondato nel 2006 da studenti della ETH Zurich che - unica squdra in Svizzera - sviluppano ogni anno un prototipo per partecipare alle varie competizioni Formula Student in Europa.

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